๋ด๋ฐ(neuron)์ ์ถ์ญ๋๊ธฐ(axon; ์ถ์ญ)๋ฅผ ๋ฐ๋ผ ์ ํ๋๋ ์ ๊ธฐํํ์ ์ ํธ์ธ ํ๋์ ์(action potential)๋ฅผ ๋ฐํํ๋ฉฐ ์ํตํฉ๋๋ค. ์ด ์ ํธ๋ ์ถ์ญ๋๊ธฐ ๋์์ ์ ๊ฒฝ์ ๋ฌ๋ฌผ์ง(neurotransmitter)์ ๋ฐฉ์ถ์ ์ด๋ํ์ฌ ์ ๊ฒฝ๊ณ(nervous system)์ ์ ๋ณด๋ฅผ ์ ์กํฉ๋๋ค. ํ๋์ ์๋ ๊ธ๊ฒฉํ ์ ์์ ์์น์ ์ด๋ํ๋ ๋ง์ ์(membrane potential)์ ํน์ ํ “์ค๋ฌด์จ (all-or-none)”๋ณํ์ ๋๋ค.
๋ด๋ฐ์ ์ผ๋ฐ์ ์ผ๋ก ์ฝ -70mV(๋ฐ๋ฆฌ๋ณผํธ)์ ํด์ง๋ง์ ์(resting membrane potential)๋ฅผ ๊ฐ์ง๊ณ ์์ต๋๋ค. ์๋ฅผ ๋ค์ด ์ ๊ฒฝ์ ๋ฌ๋ฌผ์ง์ด๋ ๊ฐ๊ฐ ์๊ทน์ผ๋ก๋ถํฐ ์ ํธ๋ฅผ ๋ฐ์ผ๋ฉด ๋ง์ ์๋ ์๊ทน์ ํน์ฑ์ ๋ฐ๋ผ ๊ณผ๋ถ๊ทน(hyperpolarization; ๋ ์์ ํ๋ฅผ ๋ฐ) ๋๋ ํ๋ถ๊ทน(depolarization; ๋ ์์ ํ๋ฅผ ๋ฐ)์ด ์ผ์ด๋ ์ ์์ต๋๋ค.
๋ง์ด ํน์ ์ญ์น์ ์(threshold potential)๊น์ง ํ๋ถ๊ทนํ๋ฉด ์ ์์์กด์ฑ ๋ํธ๋ฅจ ์ฑ๋(voltage-gated sodium, ์ดํ Na+ ์ฑ๋)์ด ๋ฐ์ํ์ฌ ์ด๋ฆฝ๋๋ค. Na+๋ ์ธํฌ ๋ด๋ถ๋ณด๋ค ์ธํฌ ์ธ๋ถ์ ๋๋๊ฐ ๋๊ธฐ ๋๋ฌธ์ ์ฑ๋์ด ์ด๋ฆฌ๋ฉด ์ ๊ธฐํํ์ ๊ตฌ๋ฐฐ(electrochemical gradient)๋ฅผ ๋ฐ๋ผ ์ธํฌ ๋ด๋ถ๋ก ๋์งํฉ๋๋ค. ์์ ํ๊ฐ ์ ์ ๋๋ฉด์ ๋ง์ ์๋ ๋์ฑ ํ๋ถ๊ทนํด ๋ ๋ง์ ์ฑ๋์ ์ฝ๋๋ค. ๊ทธ ๊ฒฐ๊ณผ, ๋ง์ ์๋ ์ฝ +40mV์ ์ ์๊น์ง ๋น ๋ฅด๊ฒ ์์นํฉ๋๋ค.
ํ๋์ ์๊ฐ ์ต๊ณ ์กฐ์ ๋ฌํ์ ๋, ๋ช ๊ฐ์ง ์์ธ์ด ์ ์๋ฅผ ๋ค์ ๋์ด๋ด๋ฆฝ๋๋ค. ์ผ๋จ Na+ ์ฑ๋์ด ๋นํ์ฑํํ๊ธฐ ์์ํด Na+์ ์ ์ ์ด ๋๋ ค์ง๋๋ค. ์ธํฌ ๋ด๋ถ๊ฐ ๋ ์์ ํ๋ฅผ ๋จ์๋ก Na+์ ๋ด๋ถ๋ก ์์ง์ด๋ ์ ๊ธฐ ์ธ๋ ฅ์ด ์ค์ด๋ญ๋๋ค. ์ด๊ธฐ ํ๋ถ๊ทน์ ๋ํ ์ ์์์กด์ฑ ์นผ๋ฅจ ์ฑ๋(voltage-gated potassium channel, ์ดํ K+ ์ฑ๋)์ ๊ฐ๋ฐฉ์ ์ด๋ํ์ง๋ง Na+ ์ฑ๋๋ณด๋ค ์ฒ์ฒํ ์ด๋ฆฝ๋๋ค. ์ผ๋จ ์ด K+ ์ฑ๋์ด ํ๋์ ์์ ์ ์ ๊ฐ๊น์ด ์ด๋ฆฌ๋ฉด K+๊ฐ ์ธํฌ ๋ฐ์ผ๋ก ํ์ด๋์ ์ ๊ธฐํํ์ ๊ตฌ๋ฐฐ๋ฅผ ๋ฐ๋ผ ๋ด๋ ค๊ฐ๋๋ค. Na+๋ฅผ ํตํ ์์ ํ ์ ์ ๊ฐ์์ K+์ ๋ฐ๋ฅธ ์์ ํ ์ ์ถ์ ๋ง์ ์๋ฅผ ๋น ๋ฅด๊ฒ ๋ฎ์ถฅ๋๋ค.
ํ๋์ ์ ํ ์งง์ ๊ธฐ๊ฐ ๋์ ๋ง์ ํด์ง์ ์(resting potential)์ ๋นํด ๊ณผ๋ถ๊ทน๋ฉ๋๋ค. ์ด ๊ธฐ๊ฐ์ ๋ถ์๊ธฐ(refractory period)๋ผ๊ณ ๋ถ๋ฅด๋ฉฐ, ์ด๋ ์ธํฌ๋ ์๋ก์ด ํ๋์ ์๋ฅผ ์์ฑํ ์ ์๊ณ , ๋ฐ๋ผ์ ์ธํฌ์์ ํ๋์ ์๊ฐ ์ญ์ผ๋ก ์ด๋ํ๋ ๊ฒ์ ๋ฐฉ์งํฉ๋๋ค.
ํน์ ์ ๊ฒฝ๊ต์ธํฌ(glial cell; ๊ต์ธํฌ; ์ ๊ฒฝ์๊ต์ธํฌ), ์ฆ ์ค์ถ์ ๊ฒฝ๊ณ์ ํฌ์๋๊ธฐ์๊ต์ธํฌ(oligodendrocyte)์ ๋ง์ด์ ๊ฒฝ๊ณ์ ์๋ฐ์ธํฌ(Schwann cell)๋ ๊ธด ๋๊ธฐ(process)๋ฅผ ์ฐ์ฅํ์ฌ ๋ด๋ฐ ์ถ์ญ๋๊ธฐ๋ฅผ ๊ฐ์๋๋ค. ์ด๋ฐ ํฌ์ฅ์ ์ ์ฐ์ฑ์ ์ ๊ณตํด ์ ๋ฅ๊ฐ ์ถ์ญ๋๊ธฐ๋ฅผ ๋ฐ๋ผ ์ด๋ํ ๋ ๋์ถ๋๋ ๊ฒ์ ๋ฐฉ์งํฉ๋๋ค. ๋ํ, ์ ๊ธฐ ์ ํธ๋ ์์ดํ(myelination; ๋ฏธ์๋ฆฐํ)๋ ์์ญ์์ ์๋์ ์ธ ์์ ๋ฅ ํ๋ฆ์ ์ํด ์์ดํ๋ ์ถ์ญ๋๊ธฐ๋ฅผ ๋ฐ๋ผ ์ ํ๋ฉ๋๋ค. ์ ์์์กด์ฑ Na+ ์ฑ๋๊ณผ K+ ์ฑ๋์ ๋๋น์๊ฒฐ์ (node of Ranvier)์ ์๋ ๋ฏธ์๋ฆฐ(myelin) ์ฌ์ด์ ํ์์์๋ง ๋ณผ ์ ์์ผ๋ฉฐ, ์ด๋ฐ ๊ฒฐ์ (node)์์ ํ๋์ ์์ ์ฌ์์ ์ผ์ผํต๋๋ค. ๋ฐ๋ผ์ ํ๋์ ์๊ฐ ์ถ์ญ๋๊ธฐ๋ฅผ ๋ฐ๋ผ ์ด๋ํ ๋ ๊ฒฐ์ ๊ณผ ๊ฒฐ์ ์ฌ์ด๋ฅผ “์ ํ”ํ๋ ๊ฒ์ฒ๋ผ ๋ณด์ด๋๋ฐ, ์ด๋ฅผ ๋์ฝ์ ๋๋ผ๊ณ ํฉ๋๋ค(saltatory conduction).
๋๋ฌผํ์์ด์ ์ ๊ฒฝ์๋ฆฌํ์์ธ ์กด ์(John Z. Young)์ ์ค์ง์ด๊ฐ ํฌ์ ๋ฅ ๋ด๋ฐ๋ณด๋ค ํจ์ฌ ๋์ ์ถ์ญ๋๊ธฐ๋ฅผ ๊ฐ์ง ์ ๊ฒฝ์ธํฌ๋ฅผ ๊ฐ์ง๊ณ ์์์ ๋ฐ๊ฒฌํ์ต๋๋ค. ์ด๋ฌํ ์ ๊ฒฝ์ ๋ ํฐ ์ถ์ญ๋๊ธฐ์์๋ง ๊ฐ๋ฅํ ๋ ๋น ๋ฅธ ํ๋์ ์์ ์ํด ์ด์ง๋๋ ๋น ๋ฅธ ํ์ถ ๊ธฐ๋ฅ์ ์กฐ์ ํฉ๋๋ค. ์ถ์ญ๋๊ธฐ์ ๋ ํฐ ์์ง๋ฆ์ ํ๋์ ์์ ๊ด๋ จ๋ ์ด์จ ๊ธฐ์์ ๋ํ ์ด๊ธฐ ์ฐ๊ตฌ์ ์ค๋ช ์ ๊ฐ๋ฅํ๊ฒ ํ์ต๋๋ค. ์ด๋ฐ ์ง์์ 1950๋ ๋ ์จ๋ฐ ํธ์งํจ(Alan Hodgkin)๊ณผ ์ค๋๋ฃจ ํ์ฌ๋ฆฌ(Andrew Huxley)๊ฐ ๋์์ ์ค์ง์ด์ ๊ฑฐ๋ํ ์ ๊ฒฝ์ ์ฐ๊ตฌํ๋ฉด์ ๊ฐ์ฒ๋์์ต๋๋ค. ๊ทธ๋ค์ ์ถ์ญ๋๊ธฐ ๋ง์ ๋ํธ๋ฅจ ์ด์จ๊ณผ ์นผ๋ฅจ ์ด์จ์ ๋ํ ํฌ๊ณผ์ฑ์ ์ค๋ช ํ์ผ๋ฉฐ ์ ๊ทน ๊ธฐ๋ก์ ๊ทผ๊ฑฐํด ํ๋์ ์๋ฅผ ์ ๋์ ์ผ๋ก ์ฌ๊ตฌ์ฑํ ์ ์์์ต๋๋ค.
Radivojevic, Milos, Felix Franke, Michael Altermatt, Jan Müller, Andreas Hierlemann, and Douglas J Bakkum. “Tracking Individual Action Potentials throughout Mammalian Axonal Arbors.” Edited by David Kleinfeld. ELife 6 (October 9, 2017): e30198. [Source]
Kress, Geraldine J., and Steven Mennerick. “Action Potential Initiation and Propagation: Upstream Influences on Neurotransmission.” Neuroscience 158, no. 1 (January 12, 2009): 211–22. [Source]