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뉴런의 분포정수 회로화에 의한 자극전위의 전도현상 연구
A Study on the Propagation Phenomenon of Neural Stimulated Potential using Distributed Electrical Circuit 원문보기

한국항행학회논문지 = Journal of advanced navigation technology, v.15 no.2 = no.47, 2011년, pp.256 - 263  

최규식 (건양대학교 의공학과)

초록
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뉴런의 신경임펄스는 뉴런이나 축삭 자신의 자극에 의하여 유도되며, 이 자극전압이 임계치 이하이면 뉴런의 전도거리와 전도시간에 따라 지수함수적으로 감쇠된다. 이러한 현상은 전기회로에서의 전도현상과 매우 유사한 형태이므로 전기적인 등가회로를 이용하여 해석할 수 있다. 따라서 본 논문에서는 뉴런의 전기적인 각종 파라미터를 구한 후 전기회로의 분포정수회로 이론을 적용하여 자극전도 현상을 해석하였다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

The nerve impulse is induced by the stimulation of neuron or axon, and this stimulated voltage decays along the propagation distance and time if it is subtreshold potential. This behavior can be estimated using the electrical equivalent circuit because it is very similar to propagation phenomenon of...

주제어

#subtreshold potential   #neuron   #axon   #action potential   #distributed electrical equivalent circuit  

AI 본문요약
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문제 정의

  • 따라서 본 논문에서 뉴런이 외부의 자극에 반응하여 신경망을 따라 중추신경 및 뇌로 전달되는 현상을 전기적인 회로의 개념에 의해서 해석하고자 한다. 2항에서는 세포의 흥분막에서 전위가 어떻게 형성되는가를, 그리고 이 흥분에 의한 자극의 반응이 어떠한 형태로 전도되는가를 해석한다.
  • 본 논문에서는 축삭의 전도 현상을 분석하기 위해서 축삭을 전기전도 모델로 만든 후 여기에 키르히호프의 전류법칙과 전압법칙을 적용한 등가회로를 구성하였다. 축삭의 미세거리 변화에 의한 전위의 거동을 분석하기 위하여 축삭의 각종 파라미터를 구한 후, 축삭을 등가적인 분포정수회로로 구성하여 이에 수반되는 미분방정식을 풀어서 축삭의 전도 거리에 따른 전위의 변화를 구현하였다.

가설 설정

  • 이러한 뉴런의 자극 전파가 전기적인 현상과 매우 유사 하기 때문에 뉴런의 신호전달을 구현할 때는 전기적인 회로를 이용하게 된다. 그런데 신경회로를 등가적인 전기회로로 변환하여 해석하고자 할 때 집중정수 회로로 취급하여 계산하면 오차가 매우 커지므로 선로정수가 선로를 따라 균일하게 분포된 것으로 가정한, 이른바 분포정수회로로 가정하여 분석해야만 한다.
  • 신경회로를 등가적인 전기회로로 변환하여 해석하고자 할 때 집중정수회로로 취급하여 계산하면 오차가 매우 커지므로 분포정수회로로 가정하여 분석해야만 한다. 분포정수회로란 회로의 각종 정수가 선로의 길이를 따라 균일하게 분포되어 있다고 생각한 회로를 말한다.
  • 흥분이 발생되는 지점을 x=0으로 하여 여기서부터 x 만큼 떨어진 지점의 전압과 전류를 각각 V(x), I(x)라 가정한다. 발화지점으로부터 x+dx인 거리에 있는 지점의 전압과 전류는 dx 구간에 존재하는 직렬 임피던스 Zdx 및 병렬 어드미턴스 Ydx에 의해서 감소하는 것이 분명하므로
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
흥분막이란? 생체의 근육이나 신경과 같이 전기적 활동성을 가진 조직의 세포막을 흥분막(興奮膜 ; excitable membrane)이라 부른다. 미국의 전기전자공업규격인 IEEE Std 539-1990에서는 흥분막을 “적당한 자극에 의하여 흥분될 때 이온의 투과율에 갑작스럽게 큰 변화가 생기는 전기화학적인 특성을 가지는 신경이나 근육 세포의 얇은 막(膜)(The membrane of nerve or muscle cells having an electrochemical property that results in sudden, major changes in ionic permeability when excited by an appropriate stimulus.)”이라 정의하고 있다. 생체는 신경계와 호르몬계의 두 가지 제어 시스템으로 조절되는 것으로 알려져 있다.
뉴런의 표면 막 사이 전위차가 발생하는 이유는? 이 근육이나 신경의 활동은 각각의 조직에 존재하는 ‘막(membrane)’의 전기적 활동에 그 근원을 두고 있다[1]. 모든 뉴런의 표면(세포막)에서 안쪽에는 음이 온이 다수로 존재하고, 바깥쪽에는 양이온이 다수로 존재하기 때문에 막 사이에 전위차(전압)가 발생한다. 이 양이온과 음이온의 복잡한 상호작용에 의해서 외부로 순수 전하가 표현되는 것이다.
자극에 의해 흥분막 양단의 전압의 크기가 임계치 이상이 되어 축삭막의 나트륨 투과성이 급속히 증가할 경우 어떤 현상이 나타나는가? 어떤 자극에 의해서 흥분막 양단의 전압의 크기가 임계치 이상이 되면 축삭막의 나트륨 투과성이 급속히 증가한다. 그 결과 축삭 내부의 전위가 +의 값으로 구동된다. 이 과정에 의해서 전위가 갑자기 상승한 후 곧이어 축삭 내부의 칼륨이온이 축삭 밖으로 유출되어 나트륨이온에 의하여 상승되었던 전위가 급격히 하강하여 최초의 정지전위로 좀더 서서히 복귀한다. 전체적인 펄스는 어느 주어진 지점을 수 msec에 통과한다.
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참고문헌 (7)

  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. Barr, "Bioelectricity - A Quantitative Approach", 3rd ed., Springer, pp97-154, 2007. 

  4. Paul Davidovits, "Physics in Biology and Medicine", 3rd ed., Academic Press, pp180-199, 2008. 

  5. Martin Zinke-Allmang, "Physics for the Life Science", Nelson Education, pp443-480, 2007. 

  6. A. L. Hodgkin, A. F. Huxley, "A quantitative description of membrane current and its application to conduction and excitation in nerve", University of Cambridge, J. Physiol., pp500-544, 1952. 

  7. Irving P. Herman, "Physics of the Human Body", Springer, pp713-766, 2007. 

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