장기강화

장기강화(long-term potentiation, 줄여서 LTP; 장기 상승 작용)는 시냅스 가소성(synaptic plasticity; 화학 시냅스의 강도 변화)이 뇌에서 발생할 수 있는 방법의 하나입니다. LTP는 시냅스 전후의 신경 연결 사이에 시간이 지남에 따라 발생하는 시냅스 강화 과정입니다. LTP의 시냅스 강화는 장기저하(long-term depression, 줄여서 LTD; 장기 억압 작용)의 시냅스 약화에 반대하여 작용하며 함께 학습과 기억의 기초가 되는 주요 기작입니다.

헵 LTP

LTP는 시냅스이전 뉴런(presynaptic neuron)이 반복적으로 발화해 시냅스이후 뉴런(postsynaptic neuron)을 자극할 때 발생할 수 있습니다. 이것은 도널드 헵(Donald Hebb)의 1949년 논문에서 “함께 발화하는 뉴런은 같이 연결되어있다”라고 가정하기 때문에 헵 LTP(Hebbian LTP)라고도 합니다. 시냅스이전 뉴런에서 반복되는 자극은 시냅스이후 막의 이온 채널의 종류와 수에 변화를 유도합니다.

LTP에는 다음과 같은 흥분성 신경전달물질(neurotransmitter)인 글루탐산(glutamate; 글루타메이트)의 두 가지 유형의 시냅스후 수용체(postsynaptic receptor)가 관여합니다: (1) NMDA 수용체 (N-methyl-D-aspartate receptor, 줄여서 NMDA receptor), (2) AMPA 수용체 (α-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazolepropionic acid receptor, 줄여서 AMPA receptor). NMDA 수용체는 글루탐산 결합 시 열리지만, 수용체의 구멍은 일반적으로 다른 양전하 이온이 뉴런에 들어가는 것을 막는 마그네슘 이온에 의해 차단됩니다. 한편 시냅스이전 뉴런에서 방출된 글루탐산은 시냅스후 AMPA 수용체에 결합하여 막의 탈분극(depolarization)을 일으키는 나트륨 이온의 유입을 일으킬 수 있습니다. 시냅스후 막이 여러 번의 시냅스전 입력에 의해 탈분극될 때, NMDA 수용체 구멍을 막는 마그네슘 이온이 변위되어 나트륨과 칼슘 이온이 뉴런으로 흘러 들어갈 수 있습니다.

칼슘 이온 유입이 증가하면 원형질막(plasma membrane)에 더 많은 AMPA 수용체가 삽입되는 신호의 연쇄반응(signaling cascade)이 시작되거나, 신호의 연쇄반응이 글루탐산 수용체를 인산화(phosphorylation)하여 더 긴 기간 동안 개방 상태를 유지하게 만들어 세포 내 양전하 이온의 전도성을 향상할 수 있습니다. 결과적으로, 동일한 양의 시냅스전 자극은 반복적으로 발화될 시 더 많은 글루탐산 수용체가 활성화되고 더 많은 양전하 이온이 시냅스이후 뉴런에 들어간다는 점에서 더 강한 시냅스후 반응을 유발합니다. 이렇게 발생하는 증폭을 시냅스 강화(synaptic strengthening) 또는 강화(potentiation)라고 합니다.

“연습이 완벽을 만든다”는 격언은 LTP를 통해 부분적으로 설명될 수 있습니다. 새로운 일이 학습되고 있을 때 새로운 신경 회로가 LTP를 통해 강화됩니다. 연습을 반복할 때마다 신경 회로의 시냅스 강도가 강해지며 곧 작업이 정확하고 효율적으로 수행될 수 있게 만듭니다. 새로 강화된 연결은 시냅스전 자극이 지속되면 몇 분에서 몇 주 또는 그 이상 지속될 수 있으며, 이는 작업이 수행될 때마다 LTP가 유지된다는 것을 의미합니다.

LTP와 질병

LTP가 정상적으로 기능할 때 쉽게 배우고 기억을 형성할 수 있습니다. 그러나 LTP의 이상은 알츠하이머병, 자폐증, 중독, 정신분열증, 다발성 경화증과 같은 많은 신경인지장애와 관련이 있습니다. LTP 뒤에 숨겨진 기작에 대한 더 나은 이해는 치료로 이어질 수 있습니다.