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생체의 활동전위 전도에 관한 연구

A Study on the Response Propogation of Biological Action Potential

한국항행학회논문지 = Journal of advanced navigation technology, v.14 no.4 = no.43, 2010년, pp.562 - 570  

최규식 (건양대학교 의공학과) ,  문명호 (건양대학교 정보통신공학과) ,  장원석 (건양대학교 컴퓨터학과)

초록
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뉴런에서 외부 자극을 받아 전위가 활성화되어 축삭을 따라 전도되는 현상은 전기적인 반응형태와 동일하다. 그러므로 본 논문에서는 전기회로의 개념을 도입하여 이러한 흥분전도현상을 해석하고자 하였다. 우선 축삭의 복잡한 전기적인 현상을 해석한 후 그 다음에 현실적으로 합리적이라 할 수 있는 가정 하에 단순화시킨 회로를 구성하였다. 전기공학적인 이론과 수학적인 개념을 도입하여 이 회로를 이용한 흥분전위의 전도현상을 유도하였다. 이 결과를 검증하기 위해 그동안 일반적으로 제시되었던 인체의 생리적, 전기적으로 대표할 수 있는 값들을 이용하여 어느 한 부위의 전위를 계산한 후 이것이 인근의 세포를 흥분시켜 다시 전도되는 현상을 확인하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

The transmission phenomenon of neuron action potential due to exterior stimulation is somewhat identical to electrical reaction configuration. Therefore, I tried to analyze the transmission status of membrane excitation, by introducing electrical concept to this issue in this paper. First of all, I ...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 뉴런에서 외부 자극을 받아 전위가 활성화되어 축삭을 따라 전도되는 현상은 전기적인 반응형태와 동일하다는 가정 하에 본 논문에서는 전기회로의 개념을 도입하여 이러한 흥분전도현상을 해석하고자 하였다. 우선 축삭의 복잡한 전기적인 현상을 해석한 후 그 다음에 현실적으로 합리적이라 할 수 있는 가정 하에 단순화시킨 회로를 구성하였다.
  • 본 논문에서는 뉴런이 외부의 자극에 반응하여 이를 중추신경 및 뇌로 전달하는 현상을 전기적인 회로의 개념에 의해서 해석하고자 한다. 2항에서는 세포의 흥분막에서 전위가 어떻게 형성되는가를, 3항에서는 이 흥분에 의한 자극의 반응이 어떠한 형태로 전도되는가를 해석한다.
  • 본 논문에서는 축삭의 전기적인 특성을 분석하기 위해 전기공학의 기법을 도입하여 이용하였다. 이 취급법은 다른 어떠한 방법보다 더욱 더 복잡하기는 하나 신경시스템을 정량적으로 이해하기 위해서는 최적인 것으로 사료된다.

가설 설정

  • x에서의 전압은 V(x)이고 x+δx에서의 전압은 V(x+δx)로 가정한다.
  • 뉴런에서 외부 자극을 받아 전위가 활성화되어 축삭을 따라 전도되는 현상은 전기적인 반응형태와 동일하다는 가정 하에 본 논문에서는 전기회로의 개념을 도입하여 이러한 흥분전도현상을 해석하고자 하였다. 우선 축삭의 복잡한 전기적인 현상을 해석한 후 그 다음에 현실적으로 합리적이라 할 수 있는 가정 하에 단순화시킨 회로를 구성하였다. 전기공학적인 이론과 수학적인 개념을 도입하여 이 회로를 이용한 흥분전위의 전도현상을 유도하였다.
  • 축삭의 캐패시턴스와 저항은 축삭케이블 방향으로 균일하게 분포되는 것으로 가정하였다. 전체 축삭(또는 다른 어떤 케이블)을 4개의 회로 성분만으로 나타내는 것은 불합리하므로 그림 3-1과 같은 축삭을 서로가 결합된 매우 작은 전기회로 분절로 가정하였다. 이 그림에서는 길이가 Δx인 작은 축삭 분절을 나타내는 전기회로를 보였다.
  • 축삭의 캐패시턴스와 저항은 축삭케이블 방향으로 균일하게 분포되는 것으로 가정하였다. 전체 축삭(또는 다른 어떤 케이블)을 4개의 회로 성분만으로 나타내는 것은 불합리하므로 그림 3-1과 같은 축삭을 서로가 결합된 매우 작은 전기회로 분절로 가정하였다.
  • 축삭을 따라 전도해가는 자극의 반응전위를 해석 하기 위해 그림 3-2의 회로에서 축삭막의 캐패시턴스를 무시하고 회로를 단순화시켜서 그림 3-6과 같이 순수한 저항회로로 구성하였다. 캐패시터의 값이 극히 적고 한편 완전히 충전되어 캐패시터를 흐르는 전류가 0이라고 가정하여 이 모델을 가지고 일정한 전압을 한 쪽 단말에 인가할 때 케이블을 따른 전압의 감쇠를 검토하기로 한 것이다. 모델에서 막의 캐패시턴스를 무시하면 즉, cm=0으로서 τ=0이면 (3.
  • 문제는 전압 Va가 xo 지점에 인가될 때 x 지점의 전압 V(x)를 계산하는 일인데, 이 접근법은 라인 a와 b로 자른 길이 Δx의 작은 케이블 증가 분절부분 양단의 첫 전압강하를 계산하면 된다. 케이블이 무한대 길이이고 라인 b로 가는 케이블의 저항이 RT라고 가정하여 회로를 분석하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
뉴런의 막 사이에서 전위차(전압)가 발생하는 이유는? 모든 뉴런의 표면(세포막)에서 안쪽에는 양이온에 비하여 음이온이 다수로 존재하고, 바깥쪽에는 음이온에 비하여 양이온이 다수로 존재하기 때문에 막 사이에 전위차(전압)가 발생한다. 이 양이온과 음이온의 복잡한 상호작용에 의해서 외부로 순수 전하가 표현 되는 것이다.
활동전위라 불리는 전압변화는 어떻게 발생하는가? 이 때문에 세포의 내부는 보통 세포 외부보다 음성적으로서 이러한 전압차를 뉴런의 안정막 전압이라 한다. 뉴런이 자극을 받으면 그 자극 부위에서 안정막전압이 순간적으로 크게 변한다. 활동전위라 불리는 이러한 전압변화는 축삭을 따라 전파되며, 이 활동전위의 전파는 인체 내에서 신호를 전달하는 주된 방법이다.
생체의 두 가지 제어시스템은? 그 중에서도 가장 대표적인 것은 근육으로서 그 수축 메커니즘이 전기 현상과 밀접한 관련이 있다. 생체는 신경계와 호르몬 계의 두 가지 제어시스템으로 조절되는 것으로 알려져 있다. 신경 및 근육에서 이루어지는 운동 명령의 전달 및 신속한 조절을 하는 가장 중추적인 역할을 하는 뇌의 활동은 바로 신경계에서의 정보의 전달과 처리 그 자체이다.
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참고문헌 (6)

  1. 호시야마 노조무, 엄광문 김영철 편역, "의용계측의 기초", 양서각, 2004.8. 

  2. Stuart Ira Fox, Human Physiology", 7th ed. Academic Internet Publisher, 2009.12. 

  3. Robert Plonsey, Roger C. Bar, "Bioelectricity - A Quantitative Approach", 3rd ed, Springer, pp.97-154, 2007. 

  4. Paul Davidovits, "Physics in Biology and Medicine", 3rd ed., Academic Press, pp.180-199, 2008. 

  5. Martin Zinke-Allmang, "Physics for the Life Science", Nelson Education, pp.443-480, 2007. 

  6. Irving P. Herman, "Physics of the Human Body", Springer, pp.713-766, 2007. 

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