신경계의 모든 작용이 신경세포와 신경세포 간의 상호작용으로 인해 이루어진다. 예를 들어, 우리 몸의 내부와 외부에 자극을 가하게 되면 일련의 과정을 통해 뉴런은 자극을 전달하게 되며, 최종적으로척수와뇌등의 중추신경계로 도달하여 중추신경계에서 처리한 정보를 다시 우리몸으로 전달해 명령을 수행한다.
구심성 뉴런(감각 뉴런, Sensory Neuron):감각기관[5][6]의 감각기(receptor)에서 자극을 가장 먼저 수용해뇌와척수에 전달해주는 세포. 우리가 보통 상상하는 뉴런의 구조와는 조금 다른데, 일단 작고, 기관은 모두 같지만 수상돌기가 길고 축삭돌기가 짧다.
원심성 뉴런(운동 뉴런, Motor Neuron): 중추신경계로부터 신호를 받아서 근육과 분비샘 등의 반응기(effector)에 전달해주는, 다시 말해 운동 명령을 전달하는 뉴런.[7]축삭 줄기가 엄청 길고 신경세포체가 거대한 등 위의 구조도에 나온 전형적인 뉴런의 형태를 가지고 있다.[8]
연합 뉴런(Interneuron): 중추신경계, 다시 말해뇌와 척수의 대부분을 이루는 뉴런. 감각 뉴런과 운동 뉴런을 연결할 뿐만 아니라 연합뉴런끼리도 연결되어 있어 그 자체가 거대한 네트워크이다. 축삭 돌기가 길지 않아미엘린수초가 없다. Interneuron이라는 용어는 다른 맥락에서는 다소 다른 의미로 사용되니, 혼동하지 말 것.
기본적으로 뉴런의 안에는칼륨이온이 더 많고 뉴런 밖에는나트륨이온이 더 많다. 이러하여 농도상으로는 항상 나트륨이온이 안으로 들어오고 싶어 하는 상태이며, 일정 정도 이상 들어올시 이온이 차서 같은 극이 되어 전위적으로는 멀어지려 하게 된다. 이것을 해결하기 위해 에너지를 사용하여 나트륨 이온을 다시 밖으로 방출하는 펌프가 따로 있다.
뉴런에는 역치 값이 존재한다. 역치는 Bias로, 편향이라고도 한다. 뉴런이 신호를 받지 않거나, 신호를 받을 때도 그 강도가 역치에 도달하지 않으면 뉴런은 휴지상태[9]를 유지한다. 하지만 일정 강도 이상의 신호[10]가 발생하면 신경세포체에서 축삭으로 넘어가는 곳에서나트륨채널이 열리며 이온들이 몰려와 급격한 전위차가 생긴다. 이 신호를 따른 채널들도 전위차를 감지해 잇달아칼륨채널이나염소채널이 쫘르륵 열린다. 이때 이온이 교환되어 활동 전위가 생긴다. 즉전기 신호가 발생하고[11], 이런 식으로 말단까지 전위가 전달되면 말단 안의 작은 알 같은 소포체(vesicle)들이 끝쪽으로 붙어 터지면서신경전달물질이시냅스틈(synaptic cleft)[12]으로 방출된다. 왜냐하면 시냅스 사이로는 전기차를 전달할 센서가 없기에 화학적인 형태로 신호를 보내야 하기 때문이다. 즉 시냅스는 다음 뉴런으로 신경전달물질을 보낸다. 시냅스 후 뉴런의 가지 돌기에서 이 전달물질을 받아들이면 다음 세포로 신호가 전달된다.
개인 뉴런이 이 자극을 얼마나 빨리 전달하는지는 측정불가며, 뉴런 종류마다도 다르지만[13], 뇌 내에 자극이 전달 되는 속도는 최대 초속 120m(시속 432km) 정도이므로 대충 그 정도를 뉴런의 처리 속도로 생각하면 된다. 재밌게도 이 신호는 확률적으로 전달되기도 전달되지 않기도 하는데 이는 GABA와 연관이 깊다. 단, 운동 뉴런 같이 신속히 결정을 내려야 할 경우에는 무조건 전달된다. 자극의 전달 속도가 빠르다는 것이다.[14]
신경전달물질(neurotransmitter)[15]라는 알갱이 같은 화학물질이 시냅스간에서 신호를 전달해주는데, 이 신호가 뉴런 끝, 축삭 돌기에 도달하면 그 신호로 인해 신경전달물질을 해방하게 되고, 이것을 가지 돌기 첨단에 있는 수용기에서 받아간다. 그리고 신경전달물질이 전달되는 순간 나트륨 이온이나 억제를 알리는 염소 이온이 세포막 안으로 돌진해 새로운 자극 사이클이 시작된다. 이런 식으로 신호가 필요한 곳까지 전달된다.
신경전달물질의 분해, 결합방지는 신경작용제에만 쓰이는것이 아니라, 일반 의약품에도 쓰이고 있다.도파민의 시냅스간 결합 방지로 쓰이는 게리스페리돈같은 항정신병제, 신경전달물질에 덤으로 끼어드는벤조디아제핀등의 신경안정제,세로토닌분해방지를 통한 재흡수를 돕는[16]항우울제등이 이 역할을 한다.
다만 곤충은 나트륨 채널 뿐만 아니라 염소 이온 채널 또한 큰 비중을 담당하고 있다. 이 때문에 현재 시판되는 살충제는 VX와 달리 염소 이온 채널만 교란시켜 척추 동물에는 영향이 거의 없게 만들고 있다. 집안에 에프킬라 같은 살충제를 뿌려도 곤충에겐 치명적이지만 사람이나 애완동물은 덜 치명적인 이유가 이 때문이다.
임신 5주부터 분당 25만 개씩 뉴런이 생성되며 일반적인 성인보다 더 많은 수의 뉴런을 가질 수도 있다. 그러나 이런 과다 생성된 뉴런들은 임신 8개월경 뇌가 거의 완성될 때부터 세포사멸로 자연스럽게 제거된다.
일반적으로 태내에서 생성된 뉴런은1000억 개 이상으로, 태어난 뒤로부터는 더 이상 늘어나지 않는다. 살아가면서 점점 줄어들지만 애초에 수가 워낙 많아서 100살이 넘게 살아도 1~2% 밖에 줄어들지 않는 수준이라고 한다.[17]다만 이 때문에 충격이나 질병으로 뉴런이 손상되게 되면, 회복이 상당히 어렵다.
자극이 많이 들어오거나 장기기억을 저장할 때 뉴런끼리 회로 구성을 위해서 필요한 부분에시냅스가 늘어난다. 접시에다 놓고 가만히 둬도 자기 혼자 줄기를 뻗으면서 시냅스를 생성할 정도로 왕성하게 회로를 구성한다. 따라서 학습과 성장을 하면서 뉴런 수는 크게 변하지 않지만 시냅스 수가 늘어난다. 하지만 대부분 시냅스들은 쓸모 없는 부분에 연결이 되어 있기 때문에, 시냅스가 많을수록 좋다는 일반적인 생각과 달리 숙달된 신경망은 시냅스가 적은 편이다. 이는 불필요한 시냅스 연결 부위를 제거하고 중요한 시냅스 연결 부위는 강화[18]되는 연결망 최적화 때문이라고 한다.[19]
일반적으로 시냅스는 5 ~ 7살 등 유아기에 급속도로 발달되며, 청소년기에 불필요한 시냅스가 제거되는 최적화를 거치게 된다. 이 때문에 성장기 시절에는 학습은 빠르지만 숙달되기 힘들고 중장년기엔 기존의 숙달된 행동, 연산 등은 빠르지만 학습능력이 떨어지는 이유로 보고 있다. 다만 소수의 사람들은 불필요한 시냅스가 제거되지 않고 성인이 되어서도 여전히 남아있는 경우가 있다.[20]
이러한 뉴런과 뉴런 사이에 연결된 시냅스 회로가 모여서 뇌에커넥톰이 구성되며, 이 커넥톰으로 동물 개체의 기억과 성격 등이 저장되고 사고를 결정한다.
뉴런은 다른 세포에 비해 수명이 매우 길어서 거의 인간의 수명과 비슷하다. 그러나 다른 세포들은 수명이 매우 짧은 반면 재생이 매우 쉽다. 반면 뉴런의 재생은 매우 어려운 편이다.
기존의 통념으로는 뇌세포(뉴런)는 재생될 수 없다는 것이 일반적인 생각이었다. 그러나 최근 연구에 의하면, 일정 수준 이상의 유산소 운동은 해마 부분의 뇌세포 재생을 촉진할 수 있다는 가설이 점점 설득력을 얻어가고 있다고 한다. 이는 동물 실험을 통해 어느 정도 입증된 내용이다.
성인이 되면 성장이 멈추고 노쇠해가는 것만이 아니라, 살아가면서 받는 새로운 자극에 의해 시냅스를 만들고 쓰지 않은 시냅스를 정리하며 변해간다. 이에 관계된 곳이 해마이며, 해마는 새로 신경세포를 만들고 새 시냅스 연결에 관여한다. 또한 신경 손상에 의해 장애가 온 경우에도 새로운 시냅스를 만들고 기존 신경을 우회해 새로 처음부터 연결을 만들어 운동기능을 되찾는 사례도 이를 뒷받침한다.
이는 손상이 온 뇌세포에서 직접 재생을 한다던가 하는 것이 아님을 주의해야한다. 실제로 최근 연구결과에 따르면 외상성 뇌손상(Traumatic Brain Injury, TBI) 환자들의 경우 줄기 세포덩어리가 손상된 지역으로 이동, 세포 분열 및 소염 성분과 성장 인자를 배출해서 뇌의 "회복"을 돕는걸로 알려졌다. 일반적인 회복이라기 보단 고장난 레고 블럭을 새로 갈아끼우는 과정과 비슷하며, 따라서 두부 외상을 입은 환자가 다시 재활, 즉 새로 생성된 세포로 이전 기억과 비슷하게 새로운 기억을 생성해야하는 이유기도 하다.[21]
특히 유산소 운동과 식이요법, 금연은 해마에서의 시냅스 재생과 생성을 긍정적인 방향으로 이끈다. 신경세포의 재료인 오메가3, 6지방산의 꾸준한 섭취와 규칙적인 유산소 운동을 늘리고 그리고 일부 향정신성 약물과 담배등을 금하자 30대 이상의 표본에서도 유의미한 차이를 보였다. 하지만 앞서 말했듯 뇌의 가소성, 계속해서 변해가는 성질은 평생 계속되기에 이러한 노력들을 멈추게 되면 긍정적인 효과가 저하됨은 자명하다.
반대로 미국 UCSF의 알바레즈 부이야 교수 연구팀이 동물이 아닌 인간의 뇌를 가지고 한 연구에 의하면 제공받은 59개의 뇌에서는 인간 성인의 뇌가 13세 이후부터 새로운 뇌 신경세포를 만들지 않았다는 사실을 발견했다.[22]
CPU의 성능을 판단할 때트랜지스터가 몇백억개 있는지로 성능을 짐작하는 것과 마찬가지로, 동물의 지능은 뉴런의 숫자로 판단할 수 있다. 기술이 발달하지 않았을 때는 뇌의 크기로, 뇌의 크기가 다가 아니라는 것을 깨달았을때는 몸 전체에서 뇌가 차지하는 비율로, 뉴런 수를 셀수 있게 되자 대체로 뉴런의 수를 동물의 지능 판단 척도로 사용하게 되었다. 이렇게 되면서 재평가 된 것이 뇌가 몸에서 차지하는 비율이 매우 낮은조류이며, 특히까마귀와앵무새의 지능이 왜 높은지를 설명할 수 있게되었다.
생물학적 관점에서 동물의 지능은뇌의 절대적 크기나 뇌가 몸에서 차지하는 비율보다는 뉴런의 수가많을수록 정비례하는 양상을 보인다. 현재 발견된 동물 중 가장 지능이 높은현생인류는 연구 결과에 따라 다르지만 최대 1000억개 이상에서 최소 26억 개의 뉴런을 뇌 속에 보유하고 있다.
다만 모든 동물 종을 통틀어서 가장 많은 것은 아니며 1위는아프리카코끼리로 약 2,000억 개 가량의 뉴런을 보유하고 있으며,돌고래나고래(참거두고래(Long-finned pilot whale)는 무려 372억개나 있다.)도 인간보다 많은 양의 뉴런을 보유하고 있다. 그러나 돌고래나 아프리카 코끼리의 지능이 인류보다 높다는 건 아니며, 단지 장기 기억력등 일부 분야 한정으로 인류보다 우세를 보이는 수준이며 사실인간보다 뉴런수가 적은침팬지도 단기 기억력은 인간보다 앞서고 있다.[23]절대적인 양이 아닌 체중 대비 무게나 체적 대비 부피로 따저도 포유류 중 뇌가 차지하는 비율이 가장 높은건양이며, 체질량 대비 뇌가 가장 큰것은투파이아이다. 사실 인간은 체중 대비 뉴런 수로도돌고래는 고사하고고양이보다도 떨어진다.#
이런 몇몇 예외를 제외한다면 대체적으로 뉴런의 수는 지능과 정비례하는 편이며, 무엇보다 같은 속 내에서는 이러한 비례가 거의 맞아 떨어진다. 예를 들면 인간 속에 동물들을 보아도, 가장 지능이 높을 것으로 추정되는 현생인류(호모 사피엔스 사피엔스)[24]는 현재까지 발견된 인간 속 동물 중 2위의 뇌 용량을 가지고 있으며, 1위인호모 네안데르탈렌시스[25]는 항목에서 보듯 현재 호모 사피엔스 종이라는 논란이 있다. 그리고 전체 뇌는 호모 네안데르탈렌시스가 크지만 소뇌 비율이 호모 사피엔스 사피엔스보다 8배나 작은데, 일반적으로 뉴런은대뇌보다소뇌에 2배 이상 더 많이 분포되어 있어서 전체 뇌세포 수는 호모 사피엔스 사피엔스보다 적었을 가능성도 있다.
현재지능은 단순 뇌세포 수에 비례할 뿐만 아니라 뇌에 어떤 부위에 어떤 밀도로커넥톰을 형성한지 여부도 매우 중요하게 여겨지는것으로 밝혀졌다. 가령개의 뉴런수는 5억 3천만 개로오징어의 뉴런수(5억 개)와 별로 차이나지 않지만#지능은개가 더 높은 편이다. 왜냐면 오징어는 뉴런의 3분의 2가 다리에 쏠려있고 그나마 3분의 1도 전부 뇌에 있지 않기 때문이다.[26]
흔히지능을 높다고 생각하는 이성적인 판단은 포유류에서는 신피질에서, 포유류 외의 척추동물들에서는 팔륨에서 일어난다. 가령 지능이 가장 높은 조류로 불리는까마귀는 팔륨에 뉴런이 3억개가 몰려있는데, 이는 소위 멍청한 조류라고 불리는 닭과 비둘기의 팔륨 내의 뉴런 수의 3배, 타조의 2배나 되며, 영장류의 평균적인 신피질 뉴런 분포도에 1.5배 가량된다. 인간은 이 신피질 크기인 대뇌화 비율이 포유류 평균의 7.5배로 동물중 가장 크고, 뇌세포 밀도 역시 신피질에 가장 높다. 따라서 현재 발견된 동물중 인간이 가장 지능이 높은 것으로 평가된다.
