운동 생리학, 신경 조절과 운동

1. 신경계의 구조와 기능

신경계는 뉴런이라는 신경세포로 구성되며, 뉴런은 신경 정보를 발생시키고, 신경 정보의 전도가 이루어지는 장소이다. 뉴런은 기능에 따라 감각을 받아들이는 감각뉴런, 근육을 움직이게 하는 운동 뉴런, 감각 뉴런과 운동 뉴런을 연결하는 연합 뉴런으로 구성된다. 신경계는 뉴런을 통해 자극을 감지하고, 근육과 관련 기관을 조절하여 항상성을 유지할 수 있게 한다.

[1] 뉴런의 구조

 뉴런은 신경을 구성하여 신호를 전달하는 세포로 신경계의 구조적, 기능적 단위이다.
 하나의 뉴런은 수상돌기, 신경세포체, 축삭돌기로 구성되며, 인접한 뉴런으로 자극을 전달한다. 신경계의 주요 기능은 감각을 수용하는 지각기능, 자극에 대하여 적절한 반응을 실행하는 운동기능, 내분비기관의 활성을 조절하고 항상성을 유지하는 자율기능, 각 자극을 통합하는 연합기능 등이 있다.

 1) 뉴런의 구조

- 뉴런의 구성

수상(가지) 돌기	신경세포체	축삭돌기
- 신경세포체에서 뻗어 나온 여러개의 짧은 돌기 - 다른 뉴런이나 기관에서 오는 자극을 받아들여 세포체로 자극을 전달함	- 핵과 세포질이 있는 곳 - 뉴런이 살아가는데 필요한 생명 활동이 일어남	- 신경세포체에서 길게 뻗어 나온 돌기 - 다른 뉴런이나 반응 기관으로 자극을 전달함.

- 신경 세포에서 자극의 전달 과정

신경 자극->수상돌기->신경세포체->축삭돌기->축삭말단

2) 뉴런의 종류

 (1) 기능에 따른 분류

감각 뉴런(구심성뉴런)	- 감각 기관에서 받아들인 자극을 연합 뉴런으로 전달
연합 뉴런(혼합 뉴런)	- 감각 뉴런에서 전달된 자극에 적절한 명령을 내림 - 감각 뉴런과 운동 뉴런 연결 - 뇌와 척수를 구성함
운동 뉴런(원심성 뉴런)	- 연합 뉴런의 명령을 반응 기관으로 전달 - 전체 신경의 약 60%에 해당함

 (2)구조에 따른 분류

유수 신경	수초 있음	전달 속도 빠름 - 랑비에 결절에서의 도약 전도가 일어남
무수 신경	수초 없음	전달 속도 느림 - 축삭돌기를 따라 자극의 전도가 일어남

3) 뉴런과 자극 전달

- 자극 전달의 과정과 예시

외부 자극	굴러오는 축구공
감각기관	눈으로 관찰
감각뉴런	자극을 연합 뉴런으로 전달
연합뉴런	대뇌에서 공을 차도록 명령
운동뉴런	다리근육에 명령 전달
운동기관	다리 근육 움직임
반응	축구공을 발로 참

4) 신경계의 주요 기능

 - 신경의 기능

지각 기능	감각기관을 통해 외부의 상태와 자극 감지
운동 기능	근수축에 필요한 자극을 주고, 운동단위를 동원해 필요한 동작 할 수 있게 함
연합(연상) 기능	감각기관에서 받아들인 자극을 통합하고 운동기관으로 자극 전달
자율적 기능	체내 상황을 감지하고 외부환경에 따라 내분비계의 활성정도를 조절하여 항상성 유지

[2] 뉴런의 전기적 활동 

살아있는 세포막은 막을 사이에 두고 반대되는 전하가 분리되어 세포막 전위를 형성하고 있으며, 뉴런이 역치 이상의 자극을 받았을 때 세포막의 안과 밖의 전하가 바뀌면서 활동전위가 발생해 흥분이 전도된다.  뉴런 내에서의 흥분의 전도는 세포막을 사이에 두고 반대되는 전하가 분리되어 있는 분극 상태에서 세포막 밖의 나트륨이온이 세포막 안으로 들어와 막전위가 바뀌는 탈분극 과정을 시작으로 나트륨이온이 옆으로 이동하면서 이루어진다. 탈분극되었던 곳은 세포막 안의 칼륨이온이 세포막 밖으로 나가면서 재분극되어 원래의 분극상태와 같은 상태로 돌아간다.

1) 세포막 전위(membrance potential)

 - 모든 살아있는 세포막은 막전위를 갖고 있으며, 막전위는 세포막을 사이에 두고 반대되는 전하가 분리되어 있는 것을 이미한다.
 - 신경 자극의 전달은 세포막 안과 밖으로 나트륨이온과 칼륨이온의 이동으로 인해 세포막의 안과 바껭 전위의 변화가 연속적으로 발생하여 이루어지는 것이다.

* 안정막 전압과 활동 전압
 - 안정막 전압(휴지막 전위) : 자극을 받지 않았을 때 세포막 안팎에 나타나는 전위, 약 -70mv 정도
 - 활동 전압(활동 전위) : 역치 이상의 자극을 받았을 때 발생하는 전위, 약 +35mV 정도

* 불응기

 - 절대 불응기 : 활동전위가 일어나는 동안 아무리 큰 자극을 가해도 활동전위가 중첩해서 일어날 수 없는 구간
 - 상대 불응기 : 평상시의 자극보다 큰 자극이 가해졌을 때에만 활동전위가 발생할 수 있는 구간

	전하의 분포	막전압	특징
분극 (안정막전위,휴지막전위)	세포막 밖 : + 세포막 안 : -	-70mV	- 세포막 밖에는 나트륨(Na+)이, 안에는 칼륨(K+)과 음이온이 다량 분포 - 나트륨-칼륨 펌프와 K+ leak 채널이 작동하여 분극상태 유지
탈분극 (활동전위, 흥분의 전도)	세포막 밖 : - 세포막 안 : +	-55~30mV	- 역치 이상의 자극을 받으면 나트륨 채널이 열러 Na+이 밖에서 안으로 이동하면서 막 전위가 역전되어 활동전위 생성 - 나트륨이 유입된 옆부분으로 탈분극이 되어 흥분이 전도
재분극 (안정의 회복)	세포막 밖 : + 세포막 안 : -	-70mV	- 탈분극되었던 부분은 K+이 세포 안에서 밖으로 이동하면서 다시 분극 상태로 돌아감
과분극	세포막 밖 : + 세포막 안 : -	-70mV이하	- 일부 K+ leak 채널이 열려 칼륨 이온이 밖으로 이동하면서 세포 안이 더욱 - 전하를 띰

 

2. 신경계의 특성

신경계의 특성은 역치 이상의 자극을 받아 활동전위가 생성되어 발생한다. 이 활동전위에 의해 신경은 흥분성과 흥분된 자극을 전달하는 전달성, 전달된 자극을 통합하고 조절하는 통합성이 발생하여 자극과 운동명령이 전달되는 것이다.

[1] 흥분성

- 역치 이상의 자극을 받으면 나트륨 채널이 열려 Na+이 세포막 밖에서 안으로 이동하면서 막 전위가 역전되어 탈분극되면서 활동전위가 생성된다.

 1) 역치와 실무율
  (1) 역치
   - 세포가 활동전위를 일으킬 수 있는 최소한의 자극의 세기. (약 -50mV)
   - 자극이 너무 약해서 역치에 도달하지 않으면 반응이 일어나지 않음
  (2) 실무율(all or none law)
   - 역치 이하의 자극에 대해서는 반응이 일어나지 않고, 역치 이상의 자극일 경우 일정한 크기의 활동전위가 생성됨
   - 단일 세포에서 역치 이상의 자극을 가했을 때, 자극의 세기가 증가해도 반응의 크기가 일정함
   - 근육이나 신경다발과 같은 조직에서는 실무율이 적용되지 않음

[2] 전달성

- 뉴런의 특징 중 전달성이란 하나의 뉴런 내에서 일어나는 '흥분의 전도'와 뉴런과 뉴런 사이의 시냅스에서 일어나는 '흥분의 전달'을 말한다.
 먼저 '흥분의 전도' 는 하나의 뉴런 내에서 '분극-탈분극-재분극' 과정을 거쳐 한 뉴런 내에서 자극이 전도되어 발생하는 흥분의 전달을 의미한다. 또한 '흥분의 전달' 이란 뉴런 사이의 시냅스에서 신경전달물질의 분비를 통해 '시냅스 전 뉴런'의 흥분이 '시냅스 후 뉴런'으로 전달되는 것을 의미한다.
 이렇게 흥분을 전달 받은 '시냅스 후 뉴런'에서는 신경전달물질의 자극이라는 화학적 신호가 다시 전기적 신호로 바뀌어 '분극-탈분극-재분극'을 통한 '흥분의 전도'가 일어나고 그 다음의 '시냅스 후 뉴런'에 대한 '흥분의 전달'이 반복되면서 자극이 이동하는 것이다.

 * 자극 전달의 종류
 - 뉴런 내의 전도 : 뉴런 내에서의 분극-탈분극-재분극을 통한 전도
 - 시냅스에서의 전달 : 뉴런 사이의 신경전달물질에 의한 전달

 1) 뉴런에 의한 흥분의 전도( 한 뉴런 내에서 흥분이 이동)
  - 역치 이상의 자극을 받아 탈분극이 되면 세포막 안으로 유입된 나트륨 이온이 옆으로 이동하면서 자극이 옆으로 전도됨 -> 탈분극된 곳은 칼륨이 세포 밖으로 빠져나가면서 재분극됨
 - 분극 ->탈분극 -> 재분극

 2) 시냅스에서의 흥분 전달(한 뉴런에서 다른 뉴런으로 흥분 이동)

   * 자극 전달의 종류

전기적 시냅스	화학적 시냅스
- 간극연접(gap junction)을 통한 전기 신호 전달 - 이웃한 세포에만 전달 - 전달 속도 빠름 - 양방향 전달	- 시냅스 전 뉴런의 축삭말단에서 시냅스후 뉴런의 수상돌기로 전달 - 뉴런 사이에서 신경전달물질 분비에 의해 전달 - 전달 속도 느림 - 단일 방향 전달

* 화학적 시냅스의 흥분 전달 과정
 ① 활동 전위가 시냅스 전 뉴런의 축삭말단에 도달
 ② 칼슘채널 열림(세포내로 칼슘 유입)
 ③ 시냅스 소포에서 시냅스의 틈으로 신경전달 물질(아세틸콜린)분비
 ④ 인접한 뉴런(시냅스후뉴런)의 수상 돌기로 아세틸콜린 확산
 ⑤ 나트륨에 대한 막투과성이 커져 탈분극 -> 활동 전위 발생 -> 흥분 전달

[3] 통합성

 - 감각뉴런을 통해 전달된 자극은 중추신경계(뇌와 척수)의 연합뉴런에서 통합된 후 운동신경을 통해 효과기에 전달된다.
<감각기->감각뉴런->연합뉴런(중추신경계)에서 통합 -> 운동 뉴런 -> 효과기>

3. 신경계의 운동기능 조절

 사람의 신경계는 크게 중추신경계와 말초신경계로 나뉜다. 말초신경계의 감각뉴런에서 받아들인 자극을 중추신경계로 전달하고, 중추신경계는 자극을 통합하고 조절하여 말초신경계의 운동뉴런에 명령을 내림으로써 각 부위의 운동 기능을 조절한다.

 운동 신경의 말단과 근원섬유가 연결된 부분을 운동 종판이라고 하는데, 이 운동종판을 통해 대뇌로부터의 운동 명령이 근육에 전달된다.

[1] 인체 움직임과 신경 조절

- 인체의 움직임은 신경조절에 의해 이루어지며, 신경계는 크게 중추 신경계와 말초 신경계로 구성된다.
- 중추 신경계 : 뇌와 척수로 구성되고, 주로 고등 정신 활동, 항상성 유지, 감각과 운동 기능 조절, 말초 신경계의 자극을 통합하고 명령을 내리는 역할
- 말초신경계 : 몸의 각 부분의 자극을 받아들이고 중추신경계에서 내린 명령을 받아 몸의 각 부위의 운동기능을 조절하는 역할

 1) 인체 신경계의 구성
 - 중추 신경계 : 뇌 & 척수
 - 말초 신경계 : 감각계(구심성뉴런), 운동계(원심성뉴런) [체성신경계 & 자율신경계]

[2] 중추신경계의 운동 기능 조절

 - 중추 신경계는 뇌와 척수로 구성, 
 - 뇌는 고등 정신활동과 인지기능, 감각기능, 의식적 운동 기능을 조절하는 대뇌와 항상성 유지에 간여하는 간뇌, 몸의 균형 유지에 관여하는 소뇌, 안구 운동과 홍채 작용 조절하는 중뇌, 호흡을 조절하는 뇌교, 심장박동, 소화, 호흡의 중추인 연수로 구성
 - 척수는 뇌와 말초신경 사이의 전달 통로로 무릎 반사와 같은 무조건 반사의 중추로 작용

대뇌		고등 정신 활동(기억,추리,판단,감정) 감각기능(시각, 청각, 온각, 촉각 등), 운동 기능(의식적 운동 지배), 연합 기능(기억, 사고, 판단, 정서)
간뇌	시상	감각조절중추(냄새제외)
	시상하부	체온 조절, 물질대사조절, 혈당량 조절, 체액의 삼투압 조절 등 항상성을 조절하는 중추
소뇌		몸의 자세와 균형 유지, 몸의 근육 조절
뇌간	중뇌	안구 운동 및 홍채의 작용 조절, 동공 반사
	뇌교(교)	호흡 조절, 얼굴과 머리의 감각기능, 평형감각과 청각
	연수	심장 박동, 소화 운동, 호흡의 중추 재채기 등 무조건 반사의 중추 좌우 신경의 교차가 일어남
척수		뇌와 말초 신경사이의 자극과 명령을 전달하는 통로 무릎반사 등 무조건 반사의 중추

[3] 말초 신경계의 운동 기능 조절

- 말초 신경계는 정보의 전달방법에 따라 감각신경(감각계), 운동신경(운동계)로 나뉜다.
- 감각신경은 감각기관(미각,촉각,후각,청각,시각)에서 감지한 정보를 중추신경계로 전달하는 구심성 뉴런이다.
- 운동신경은 중추신경계의 명령을 운동기관에 전달하는 원심성 뉴런이다.
- 말초 신경계는 중추신경계와 함께 온몸의 조직이나 기관을 연결하여 운동을 제어한다.

 1) 감각계
  (1) 감각 수용체
   - 기계적 수용체 : 압력, 접촉, 늘어남과 같은 기계적 힘에 반응
   - 온도 수용체 : 온도의 변화
   - 통각 수용체 : 통증 자극에 반응
   - 광각 수용체 : 시각적으로 전자기적 광선에 반응
   - 화학 수용체 : 음식, 냄새, 혈액 물질의 응집의 변화 등과 같은 화학적 자극에 반응
 (2) 고유 수용기
  * 고유수용기는 근육과 관절에 있는 특별한 감각기관으로 근육, 힘줄, 인대, 관절에서 오는 여러 가지 감각 정보를 중추신경계로 전달해 부드럽고 협응적인 운동을 가능하게 해준다. 운동 감각과 관련된 중요한 3가지 감각기관은 근방추, 골지건, 관절 수용기가 있다.

	골지건기관	근방추	관절수용기
위치	- 근육과 힘줄 사이 - 추외근섬유와 병렬연결 - 힘줄기관과 직렬연결	- 근육 내 - 방추외 골격근 섬유와 평행	- 힘줄, 인대, 근육, 관절막
기능	- 근육의 과도한 수축 억제 - 주동근 운동단위의 세포체에서 억제성 시냅스 전위 일으킴	- 근육의 과도한 신장을 억제 (길이의 변화속도나 비율에 반응하며 길이 자체에 반응하지 않음)	- 관절의 각도, 관절의 가속도, 압력에 의해 변형된 정도에 관한 정볼르 중추신경계에 전달

2) 운동계(운동신경)
- 운동계는 대뇌의 지배를 받아 의식적 조절이 가능한 체성신경과 대뇌 지배를 받지 않고 무의식적 조절이 가능한 자율신경으로 나뉜다.
 (1) 체성신경과 자율 신경

체성신경	- 대뇌의 지배를 받음 - 의식적 조절 - 자세와 운동조절	뇌신경(12쌍)	- 뇌에서 나온 신경
		척수신경(31쌍)	- 척수에서 나온 신경
자율신경	- 대뇌의 지배를 받지 않음 - 무의식적 조절 - 호흡, 순환, 소화와 관련된 내부기관 조절	교감신경	- 몸을 위기 상황에 대처하기 좋은 상태로 만듦(싸움, 도망)
		부교감신경	- 몸을 안정도니 상태로 만듦(휴식, 소화)

(2) 자율신경계의 종류와 기능

교감 신경	부교감신경
동공 확대	동공축소
침 분비 억제	침 분비 촉진
호흡 운동 촉진	호흡 운동 억제
심장 박동 촉진	심장 박동 억제
소화액 분비와 소화관 운동 억제	소화액 분비와 소화관 운동 촉진
방광 확장	방광 수축
혈당량 증가	혈당량 감소
피부 혈관 수축, 근육 혈관 확장	피부 혈관, 근육 혈관 작용 없음
기관지 이완	기관지 수축
땀 나게 함	땀샘 없음

[4] 신경근의 연접(neuromuscular)

운동 신경의 말단 부분은 근육 섬유에 연결되어 대뇌로부터의 운동명령을 근육에 전달한다. 그렇게 운동신경과 근육섬유가 연결된 부분을 신경근의 연접 또는 운동종판이라고 한다.

* 신경근 연접(운동종판)의 기능
  - 운동 신경의 말단과 근육 섬유를 접합함
  - 신경에서 오는 자극을 근육에 전달함