뇌와 감각 - 시각 : 빛의 흡수

우리가 보는 세계는 망막에 형성된 정지된 2차원 영상으로 시작됩니다. 이 영상을 생동감 넘치는 3차원 세계로 변환시키는 것이 바로 시각 피질의 주된 역할입니다. 후두 피질에 위치한 30개 이상의 시각 처리 센터들은 이 과정을 통해 우리 앞에 펼쳐진 세계를 구성합니다. 빛은 동공을 통과해 신경절세포로 이동하고, 여기서 원추세포와 간상세포로 향하는 여정을 시작합니다. 이들 세포의 외절에서 빛은 최종적으로 흡수되며, 이 과정에서 빛 에너지는 전압 펄스로 변환됩니다. 간상세포와 원추세포는 그 구조상 바깥 부분을 외절, 안쪽 부분을 내절로 구분짓습니다. 이 놀라운 과정을 통해 우리는 정지된 이미지를 넘어 움직임과 깊이를 느낄 수 있는 시각적 경험을 하게 됩니다.

뇌와 감각_시각: 빛의 흡수

 

간상세포의 구조적 이해

 

간상세포의 외부 구조인 외절은 마치 책의 페이지처럼 여러 겹의 디스크가 포개진 독특한 구조로 이루어져 있습니다. 이러한 구조는 간상세포가 빛의 신호를 효과적으로 포착하고 변환하는 데 핵심적인 역할을 합니다. 각각의 디스크는 빛을 흡수하고, 이를 전기 신호로 변환하는 과정에서 중요한 기능을 수행합니다. 간상세포 자체도 세포의 기본 단위로서, 그 구조는 생명과학에서 배우는 세포의 일반적인 구조와 맥을 같이합니다. 세포 원형질막처럼, 간상세포의 막도 인지질로 이루어진 2중 막 구조를 갖추고 있습니다. 이 2중 막은 세포 내부의 환경과 외부의 환경을 분리하며, 세포 내부에서 일어나는 다양한 생화학적 반응에 필수적인 역할을 합니다. 이 입체적 구조와 구성은 간상세포가 시각 정보를 처리하는 데 있어서 매우 중요하며, 우리가 보는 세계를 인식하는 데 기본이 되는 과정입니다.

 

로돕신: 빛의 신호를 전기 신호로 변환

 

간상세포 외절의 디스크 구조 내부에는 로돕신이라는 매우 중요한 막 단백질이 존재합니다. 이 로돕신은 빛을 포착하고 시각 신호로 변환하는 데 핵심적인 역할을 수행합니다. 로돕신의 구조는 옵신이라는 막 단백질과 레티날이라는 화학 분자로 이루어져 있으며, 이들의 결합은 빛을 받아들일 준비가 되어 있는 복합체를 형성합니다.

빛이 로돕신에 도달하면, 특히 레티날 분자가 변형을 겪습니다. 이 변형 과정은 레티날이 두 가지 구조적 형태인 11-cis-레티날에서 all-trans-레티날로 변화하는 것을 포함합니다. 이러한 구조적 변화는 레티날 분자 사슬의 배열을 바꾸어, 궁극적으로 간상세포 내에서 전압 펄스로의 신호 변환 과정을 시작합니다.

이 과정은 시각 정보가 우리 뇌로 전달되기 시작하는 첫 단계를 대표합니다. 로돕신에 의한 빛의 포착과 변형은 매우 빠르게 발생하여, 우리가 주변 환경을 거의 실시간으로 인식할 수 있게 합니다. 이러한 복잡한 생화학적 반응은 시각 시스템의 효율성과 정확성을 높이는 데 결정적인 역할을 하며, 간상세포와 전체 시각 경로에서 중요한 역할을 수행합니다.

 

간상세포 디스크의 기원과 구조 (세포막의 변형)

 

간상세포의 외절에 위치한 디스크들은 세포의 놀라운 변형 능력을 드러내는 예시 중 하나입니다. 이 디스크들은 세포막이 다중으로 접히고, 그 접힌 부분들이 내부로 함입되며 마침내 독립된 구조물로 분리되어 형성됩니다. 이 과정은 세포가 보유한 무한한 변형 가능성을 잘 보여주며, 결국 디스크의 기원은 세포막 자체에서 찾을 수 있습니다.

진핵세포의 원형질막은 유동적인 성질을 가지고 있으며, 이는 세포 내 골격의 운동성과 결합하여 동물 세포들이 형태를 무한히 변형할 수 있는 기반을 제공합니다. 간상세포 내의 디스크 구조 역시 이러한 변형 과정의 결과물로, 특히 시각적 정보를 처리하는 데 있어 중요한 역할을 수행합니다. 디스크 내부의 2중 막에 박혀 있는 막 단백질, 특히 로돕신은 빛을 흡수하고 이를 전기 신호로 변환하는 데 필수적인 역할을 합니다. 로돕신의 활성 부위인 레티날 분자는 빛을 받아 변형되며, 이 변형 과정이 시각 신호의 최초 단계를 구성합니다.

간상세포의 디스크 구조는 세포의 유연성과 변형 능력이 어떻게 복잡한 생물학적 기능을 수행하는 데 기여하는지를 보여주는 흥미로운 사례입니다. 이 구조를 통해 우리는 세포막의 기본 구성 요소가 어떻게 고도로 전문화된 기능을 위해 재구성될 수 있는지 이해할 수 있습니다.

 

빛의 알갱이에서 복잡한 이미지까지

 

우리가 세상을 바라볼 때, 눈 앞에 펼쳐진 풍경은 사실 수많은 포톤, 즉 빛의 알갱이들로부터 시작됩니다. 이 빛의 알갱이들이 어떻게 복잡한 이미지와 영상으로 변환되는지는 놀랍고도 신비로운 과정입니다. 외부 세계의 무한한 정보를 담고 있는 햇빛이 우리 눈에 들어와 이미지를 형성한다는 사실은 직관적으로 이해하기 어려운 면이 있습니다. 이러한 과정에서 뇌가 어떻게 빛의 포톤을 바탕으로 외부 세계를 묘사하고, 그것을 우리가 인식할 수 있는 이미지로 재구성하는지에 대한 탐구는 시각 과학의 중요한 주제입니다.

이 복잡한 과정의 시작은 단 하나의 세포에서 비롯됩니다. 이 세포는 우연히 빛을 흡수하는 능력을 갖게 되었고, 이는 시각 정보 처리의 기본 단위가 되었습니다. 세포막이 내부로 접히면서 다중 막 구조를 형성하고, 이러한 구조에서 디스크가 생성되어 외절을 만들게 됩니다. 이 외절의 2중 막 구조에는 로돕신과 같은 막 단백질이 삽입되어 있으며, 그 중 레티날 부위가 빛을 흡수하는 핵심 역할을 합니다.

이 과정을 거쳐 포톤은 시각적 신호로 변환되고, 이 신호는 다양한 신경세포층을 통해 처리되어 복잡한 움직임과 이미지를 생성합니다. 일곱 개의 세포층을 필요로 하는 이 복잡한 움직임 생성 과정은 우리가 외부 세계를 인식하는 데 필수적입니다. 이러한 시각적 정보의 처리 과정은 세포의 기본 구조에서부터 시작하여, 우리가 세상을 볼 때 경험하는 풍부하고 다채로운 시각적 인상에 이르기까지, 생명의 기본 단위가 어떻게 복잡한 인식과 경험을 가능하게 하는지를 보여줍니다.

 

레티날의 변화: 빛의 감지에서 신경 반응까지

 

우리 눈이 어떻게 빛을 감지하고, 이 정보를 신경 신호로 변환하는지는 레티날의 화학적 변화를 통해 이해할 수 있습니다. 어둠 속에서 레티날은 11-cis-레티날의 형태로 꺾여 있습니다. 하지만 빛이 들어오면 이 구조가 확 펴지며 all-trans-레티날로 변환되고, 이 과정에서 옵신 단백질에서 분리됩니다. 이 분리는 일련의 생화학적 반응의 시작을 알리는 신호가 됩니다.

이 생화학적 반응의 핵심은 CGMP라는 분자의 농도가 떨어지는 것에 있습니다. 이 변화로 인해 나트륨 채널이 닫히며, 결과적으로 세포는 과분극화됩니다. 과분극화란 세포 내 전압이 평소보다 더 낮아지는 상태를 의미합니다. 어둠 속에서 세포 내 전압이 약 -50mV였다면, 빛의 흡수 후에는 -70mV로 떨어집니다. 이러한 과분극화 상태는 신경세포가 활성 전위, 즉 전압 펄스를 생성하기 어렵게 만듭니다.

이 과정의 아이러니는 빛이 들어오면 실제로 신경 자극이 세포 단위에서 멈춘다는 것입니다. 하지만 이 억제 상태는 실제로 신경계 전체에서 억제의 탈억제 현상을 유발합니다. 즉, 억제를 받던 다른 신경세포들이 활성화되어 결국은 신경 충격이 전체적으로 일어나게 됩니다. 이러한 억제의 탈억제 메커니즘은 대뇌기저핵의 간접 회로에서도 관찰되는 현상으로, 신경계의 복잡한 상호작용을 잘 보여줍니다.

레티날의 이러한 변화와 이에 따른 신경세포의 반응 과정은 우리가 빛을 어떻게 인식하고, 이를 통해 외부 세계를 어떻게 해석하는지를 이해하는 데 중요한 열쇠를 제공합니다. 이 과정을 통해 우리는 복잡한 시각 정보를 처리하고, 의미 있는 이미지로 재구성할 수 있게 됩니다.