신경관의 형성 과정
외배엽 신경판에서 만들어지는 신경관을 다시 한번 보자. 신경판이 등쪽 한가운데에서 안을 향해 말려들어가면서 신경고랑이 생기고, 신경고랑 바깥으로 신경주름이 만들어진 후, 등쪽의 좌우 신경주름이 중앙으로 이동해 합쳐지면서 신경판에서 떨어져 나와 신경관이 만들어진다. 신경관은 가운데부터 합쳐지며 머리 쪽과 꼬리 쪽으로 봉합이 진행된다. 뇌간 뒤편 가운데를 보면 솔기핵이 있다. 이 부분이 바로 발생 과정에서 생긴 봉합선 부분의 신경핵이다.
신경관을 앞뒤로 척추를 따라 연장해보자. 그러면 신경관이 머리 쪽 끝에서 꼬리 쪽 끝까지 이어진다. 이때 머리 쪽에 있는 구멍은 전신경공(anterior neuropore – 앞신경구멍)이라 하고, 꼬리 쪽에 생긴 구멍은 후신경공(posterior neuropore – 뒤신경구멍)이라 한다. 전신경공이 봉합되고 후신경공까지 봉합되면 신경관은 완전한 모습을 갖추게 된다.
여기서 신경관이 완전히 닫히지 않으면 어떻게 될까? 신경관의 머리 쪽이 닫히지 않을 경우에는 무뇌증(anencephaly)이 나타난다. 무뇌증, 즉 뇌가 없는 아기는 태어날 수는 있지만 거의 대부분 태아기에 사망한다. 신경관의 꼬리 쪽이 닫히지 않으면 척수갈림증 (spina bifida) 같은 기형이 나타난다. 신경관의 꼬리 쪽이 머리쪽보다 봉합되지 않는 사례가 더 많다. 신경관이 다 봉합된 후에는 신경관의 꼬리 쪽으로 척수가 형성되고 머리 쪽은 여러 번 변형되면서 뇌가 만들어진다.
그런데 신경관의 형성 과정을 보면, 시냅스 막에서 신경전달물질을 분비하는 과정과 비슷하다. 3차원 공간에서 세포막이 접히고 접촉해 융합하고 나서 분리된다. 이런 ‘세포막 변형의 무한한 춤’은 신경관이 생길 때만이 아니라 발생 과정에서 몸의 어디에서든 일어난다. 동물 세포인 경우 세포막은 원형질막이다. 또한 세포막의 다양한 변형은 음식물을 섭취하고 소화하여 노폐물을 배출하고, 시냅스전신경세포가 신경전달물질을 분비해 신경신호를 전달하는 것처럼 발생 후에도 세포와 세포 사이에서 일어난다.
신경관 바깥으로는 신경능(neural crest)이 있다. 신경능은 신경관을 형성하는 과정에서 외배성 세포 일부가 떨어져 나와 언덕 모양으로 배열되어 만들어진 세포 집합이다. 이 신경능은 ‘제4의 배엽’이라고 일컬어질 정도로 발생 과정에서 매우 중요하다. 신경능세포들은 이동을 잘한다. 신경세포가 이동해 신경원으로 분화하여 척수신경절 원기(primordium)를 만들고, 또 이동을 해서 교감신경절 원기를 형성한다. 원기는 ‘기원이 되는 덩어리’라는 뜻이다. 해부학은 용어에 답이 다 있다. 용어를 그냥 넘겨버리면 의미를 놓친다. 척수신경절에서는 척수 등쪽의 날개판(alar lamina)으로 축삭을 낸다. 이 축삭들이 모여 후근이 만들어진다. 후근은 날개판이 분화되어 만들어진 후각으로 들어가 뇌간, 소뇌, 시상, 대뇌피질로 감각신호를 전달한다.
척수 단면에서 감각은 등쪽, 운동은 배쪽이다. 체절마다 존재하는 교감신경절은 상호연결되어 교감신경기둥을 형성한다. 교감신경기둥은 척수와 나란한 좌우의 두 기둥 형태이며 교감신경기둥에서 내부 장기를 조절하는 신경이 출력한다.
동물신경계는 구성세포들의 대부분이 신경능세포에서 기원한다. 신경능세포에서 분화되는 세포들을 자세히 살펴보자. 신경능세포에서 신경아교세포(neuroglial cell), 피부의 멜라닌세포(melanocyte), 치아모세포(odontoblast)가 생성된다.
신경능세포에서 생성되는 세포는 성상세포, 희소돌기세포, 뇌실막층세포, 슈반세포, 미소신경교세포, 거막층세포, 연막층세포, 부신수질세포, 자율신경절세포, 양극세포, 그리고 배측신경절세포가 있다. 결국 신경능에서 분화되는 세포들이 중추신경계와 말초신경계를 만든다. 이처럼 뇌 신경시스템의 형성 과정을 항상세포 수준에서 이해하려는 관점이 중요하다. 신경세포의 분화와 증식 그리고 이동은 발생생물학의 핵심 내용이다. 신경세포가 다양한 기능의 세포로 분화되고 증식되어 신체 여러 부위로 이동하여 신경시스템을 구성한다. 신경능세포에 대한 상세한 공부는 뇌의 구조와 기능을 이해하는 데 많은 도움이 된다.
신경능세포가 생성되는 과정은, 신경판이 신경구를 형성하면서 도랑 형태를 만든다. 신경구의 양쪽 봉우리가 서로 접촉하는 부위의 세포들이 신경능세포로 바뀐다. 신경능세포가 생성되면 신경관이 형성되고 신경능세포는 외배엽과 신경관 사이에 존재한다. 그리고 신경능세포는 이동하여 신경계를 형성하는 다양한 세포로 분화된다. 신경능에서 생성되는 주요한 세포는 성상세포, 희소돌기세포, 슈반세포, 신경교세포, 연막층세포, 부신수질세포, 자율신경절, 양극세포, 그리고 배측신경절 세포가 있다.
신경능세포는 이동하여 피부의 색소세포, 척수신경절, 그리고 교감신경절을 형성한다. 또한 교감신경절세포는 이동하여 발생중인 부신수질 속으로 들어가서 크롬친화성세포가 되며 척추 앞쪽으로 이동하여 추전총을 형성하며 창자벽으로 이동하여 창자점막 아래의 부교감신경이 된다.
상피세포는 피부, 소장, 대장 표면을 덮고 있는 세포이다. 코 점막에도 상피세포가 있다. 이 상피세포는 활동성이 아주 강하다. 알레르기 비염이 있는 사람이면 쉽게 이해할 것이다. 송홧가루 날리는 5월이면 알레르기 비염이 더 심해진다. 물을 잔뜩 머금은 스펀지처럼 코의 점막에서 점액을 계속 만들어낸다. 그 정도로 활동성이 강하다. 척수의 뇌실막층에서 날개판과 기저판이 생성된다. 인간 뇌의 경우 성장 후에도 뇌실막 세포, 해마 치상회, 그리고 척수의 중심관에서 줄기세포가 활동하여 새로운 세포를 생성하기도 한다.
척수는 신경관의 가장 안쪽 세포층인 뇌실막층(ependymal layer)에서 빠른 속도로 세포가 분열하여 세포 수가 증가하면서 다양한 세포가 만들어진다. 신경관은 형성될 초기에는 신경수관을 둘러싼 한 층의 신경상피(neuroepithelium) 층인 뇌실막층에서 생겨난다.
뇌실에 인접한 세포층에서 줄기세포가 Shh에 의해 회돌기세포, 레티노산에 의해 신경세포, 그리고 BMP에 의해 신경교세포로 분화되어 이동한다. 해마의 치상영역에서도 줄기세포가 증식하고 이동한다. 이러한 치상회의 과립세포들의 수상돌기는 내후각피질세포와 시냅스하여 흥분신호를 해마 암몬각의 CA3세포로 전달한다.
신경 상피세포는 내강을 마주하는 부분에서 세포분열을 하고 일부 세포는 신경모세포(neuroblast)가 된다. 신경모세포는 분열해서 뇌실막층 바깥쪽에서 외투층(mantle layer)을 형성한다. 이 외투층이 날개판과 기저판(basal lamina)으로 분화된다. 외투층의 신경모세포는 아래쪽으로 축삭을 낸다. 그래서 외투층 바깥쪽에 축삭으로 구성된 변연층(marginal layer)이 형성된다. 이때 축삭은 아직 수초에 싸이지 않은 무수축삭이다. 그런데 신기하게도 변연층 밖으로 뚫고 나가는 부위부터 축삭이 수초로 싸이고, 나중에는 신경세포체에서 축삭이 시작되는 영역을 제외한 축삭의 대부분이 수초화된다. 무수축삭이었던 것이 유수축이 된다. 이런 과정을 거치며 변연층은 백색질이 된다. 반면 외투층 부위는 신경세포체가 많은 회색질이다. 그러니까 바깥은 백색질, 안쪽은 회색질이다. 그래서 척수는 안쪽이 주로 세포체로 구성된 회색질이고, 바깥은 수초화된 축삭으로 구성된 백색질이다. 그러나 대뇌는 반대로 되어 있다. 대뇌의 바깥은 회색질, 안쪽은 백색질이다.
축삭다발로 이루어진 백색질의 흰색은 미엘린 수초를 형성하는 세포들의 색깔로 희게 보인다.
