Jinsook Roh, William Z. Rymer and Randall F. Beer(2015)
Evidence for altered upper extremity muscle synergies in chronic stroke survivors with mild and moderate impairment
이전 연구들에서 운동 협응은 (본 연구에서 일련의 근육들 간의 고정된 활성패턴이라고 정의된) 과제에 따라 몇 가지 근육 시너지형태의 연동된 조화에 의해서 완수된다고 주장해왔다. 중증 만성뇌졸중 환자를 대상으로 한 우리의 최근 연구는 등척성 근력발생에 기반한 실험을 통하여 환측팔 손에서의 몇 가지 근육 시너지형태가 변환된다는 것을 보여주었다. 그러나 같은 변환이 손상정도가 적은 뇌졸중환자에게도 해당되는 지에 대해 분명하지 않다. 따라서 우리는 경증 손상수준과 중등도 손상수준으로 나누어진 16명의 만성 뇌졸중 환자들에 의해 수행된 등척성 수축으로 목표물 맞추기 실험동안 기록된 팔꿈치 근육과 어깨 근육 활성의 공간적 패턴에 기반한 근육 시너지를 검증하였다. 우리는 근육 시너지형태를 확인하기 위해 비음수 행렬인수분해(NMF)를 적용하였고, 6명의 동일한 나이의 비교 대상자들과 8명의 중증 뇌졸중 환자에서 이전 수집된 것을 포함시켜 그룹들 간 구조를 비교하였다. 모든 그룹에서 EMG 공간패턴은 단지 몇 가지(대체적으로 4가지) 근육 시너지형태가 과제에 따라 연동되어 나타났다. 대체적으로, 팔꿈치 관련된 시너지형태는 손상수준과 상관없이 뇌졸중 환자들 모두에 남아있었다. 대조적으로, 경증 손상수준 환자와 중등도 손상수준 환자의 어깨관련 시너지형태는 중증 손상 대상자와 같은 형태로 대조군과 달랐다. 30명 대상자에 대하여 수집된 시너지형태의 군집분석은 7가지로 나누어진 군집(시너지)을 식별하였다. 이어진 분석을 통하여 4가지 어깨관련 시너지형태의 발생은 손상수준에 상관관계가 있었던 반면, 3가지 팔꿈치 관련 시너지형태의 발생은 손상수준과 상관없었다는 것을 확인해 주었다. 전체적으로 우리의 결과는 등척성 근력 발생에 기반한 어깨 근육 시너지형태에서 변환이 대부분 중증 뇌졸중에서와 같이,손상 수준에 따라 경증 손상과 중등도 손상에서도 현저하게 나타난다는 것을 제시해 준다.
뇌졸중 이후 운동기능 장애는 세 가지 일차적 손상의 원인이 될 수 있다: 1) 주동근을 움직이는 피질척수로 작동의 감소(weakness), 2) 반사활동의 변환(spasticity), 3) 운동협응의 손상
대체로 경증손상의 만성 뇌졸중 환자 그룹을 대상으로 한 팔뻗기 운동에 초점을 맞춘 우리의 이전 연구는 뇌졸중이 시너지의 내부적 구조를 변환시킨다기보다 정상 근육 시너지의 동원 패턴을 변환시켰다고 결론 내었다.
전체적으로 이들 연구들은 근육시너지 구조에서 변환이 중증 뇌졸중에서 주 증거이다는 것을 제시한다.
근육 시너지는 확실하진 않지만 신경적 제한과는 상관없이 생체학적 제약이나 과제적 제약에 의해 형성될 수 있다. 따라서 뇌졸중 환자와 건강한 사람들 사이의 과제 수행에서 차이는 수의적 사지운동에 기반한 근육 시너지의 수나 구조를 비교할 때 교란변수이다.
중증 운동손상이 있는 만성 뇌졸중 환자를 대상으로 했던 우리의 초기 연구는 손에서 등척성 근력발생을 기반으로 실험을 통하여 근육 시너지형태를 검증하였다.
우리는 근육 시너지형태에서 변환이 경증 손상과 중등도 손상 뇌졸중 환자에서도 증거가 될 것이라 가정한다.
8개의 팔꿈치와 어깨 근육이 연구되었다: 1) brachioradialisa(BRD), 2) biceps brachii(BI), 3) triceps brachii, long and lateral heads(TRI_long and TRI_lat), deltoid, anterior, medial and posterior fibers(AD, MD, PD), 4) pectoralis major(clavicular fibers; PECT_clav). 전극은 Hermens et al. (1999)의 연구와 Perotto et al. (1980)의 연구를 참조하였다.
Discussion
본 연구에서 우리는 뇌졸중이 나이에 맞춰진 대조군과 중증 손상을 가진 뇌졸중 환자와 비교한 것과 같이 경증손상과 중등도 손상을 가진 뇌졸중 환자의 상지에서 등척성 근력발생에 기반한 근육 시너지형태의 구조에 어떻게 영향을 미치는 지를 계량화 하였다. 우리는 근력을 발생하는 모듈의 조직화가 심각한 손상수준 뿐만 아니라 경증 손상과 중등도 손상 수준에 남아있다는 것을 알아내었다. 뇌졸중 이후 환자들에게서, 4가지 근육의 시너지형태는 나이가 맞춰진 대조군과 심각한 손상의 뇌졸중 그룹의 경우에서 팔꿈치와 어깨 근육에서 수집된 EMG 패턴 전체 변수의 90% 이상을 설명해주었다. 식별된 4가지 시너지형태 중 팔꿈치 굴곡근과 신전근의 비교적 분리된 활성을 가진 시너지형태는 뇌졸중 이후 손상된 수준과 상관없이 유지되었다. 그러나 어깨 근육의 활성에서 현저하게 나타난 2가지 시너지형태는 뇌졸중 이후 심각한 손상을 가진 대상자들에서 대부분 관찰된 것과 같이 경증손상과 중등도 손상의 뇌졸중 환자들에게서 변환되었다. 어깨관절 시너지형태의 구조변환은 삼각근의 3가지 섬유를 각기 다르게 활성시키는 능력의 손상을 반영한 것일 수 있다. 군집 분석은 손상된 어깨 관절의 시너지형태와 손상받지 않은 어깨관절의 시너지형태의 발생량이 손상 수준과 각각 정의 상관관계와 부의 상관관계였다는 것을 보여주었다. 종합적으로 우리의 결과는 근위부 근육 시너지 구조에서 변환이 경증 뇌졸중과 중등도 뇌졸중에서 나타날 수 있으나 심각한 손상을 입은 편마비 환자에게서는 확연하게 나타났다는 것을 보여주고 있다.
Mechanisms of abnormal post-stroke muscle coordination in various motor behaviors
뇌졸중 이후, 상지와 하지 모두에서 그리고 손에서도 또한 근육협응 조직 모듈이 낮은 차원으로 남아있다고 지속적으로 보고되고 있다. 뇌졸중 후 근육 활성패턴의 초기 연구들은 잔존하는 근육 시너지형태의 비정상적인 활성(또는 동원)이 협응장애의 원인이라 하였다. 예를 들어, Clark 등(2010)은 보행동안 확인된 근육 시너지형태가 건강한 그룹과 뇌졸중 이후 그룹 사이에서 유사하였다는 것을 보여주었다. 그러나 정상 근육 시너지형태가 독립적으로 동원되는 능력의 손상이 심각한 손상을 입은 환자에서 보행결과의 복잡성을 감소시키는 것으로 보였다. 이와 유사하게도, 심각한 손상의 경우에서 더 적은 시너지형태는 다양한 정상적 근육의 시너지형태의 집합을 반영하는 팔뻗기 동안 마비측 사지에서 기록된 EMG의 변수를 설명하는 것이 요구되었다(cheung 등. 2012).
이들 결과는 시너지 활성은 뇌졸중에 의해서 직접적으로 영향을 받을 수 있는 상위중추에 의해서 조절되어질 수 있는(Lee 등. 2013; Roh 등. 2013) 반면, 시너지 구조는 하위 신경중추(척수와 뇌간)에 주로 국한 되어 질 수 있다(Roh 등. 2011)는 관점에 일치한다. 그러나 이런 관점은 시너지형태가 나타나는 상위중추 부위(피질영향)의 어떤 잠재적인 원인이 될 수 없다는 것은 아니다.
대조적으로, 최근 연구들은 뇌졸중 환자가 등척성 과제를 수행하는 동안 나타나는 근육활성에 기반한 시너지형태의 구성에 대해서 보고하고 있다. Lee 등은 뇌졸중 이후 손과 손목 근육의 시너지형태가 근육 시너지 구조에서 유의한 변화를 가리키는 건강한 대상자에서 기록된 근육 시너지형태의 간단한 통합으로 잘 나타나지 않는다는 것을 알아내었다. 더욱 흥미롭게도, 뇌졸중 환자에 대한 손과 상지 연구(특히, 심각한 손상의 뇌졸중 환자)는 근육들 사이의 더 큰 공동 활성을 보여준다(즉, 손에서 extensor digitorumcommunis-extensor carpi radialis and first dorsal interosseous-extensor digitorumcommunis의 높은 상관관계와 팔에서 삼각근 세 섬유의 공동활성). 우리는 건강한 단계에서 개별적인 근육조절 능력의 결핍이 인간의 손과 팔에서 근육 시너지형태의 구조에 있어서 변환의 기반이 될 수 있다고 추론한다.
우리의 정적(등척성) 근력발생 프로토콜을 수행하는 동안 확인된 근육 시너지형태들 사이에서 근위부 근육의 활성에 기반한 시너지형태가 뇌졸중 이후 변환되었다. 대조군에 대한 어깨의 외전/굴곡 시너지형태를 비교해 볼 때, 삼각근의 전부와 후부섬유의 활성이 대흉근의 쇄골부 섬유의 활성과 분리되었다. 삼각근의 두 섬유는 뇌졸중 환자의 전반적인 삼각근 시너지형태를 형성하는 후부섬유의 활성과 결합되어 나타났다.
주동근과 길항근의 부적절한 공동활성은 뇌졸중의 결과로 빈번히 보고되고 있다. 예를 들어, 마비측 팔을 이용하여 수행된 팔 뻗기 운동은 신경학적 장애를 가지지 않은 대조군과 비교해보면 다양한 부하형태들에 대하여 삼각근 전부와 후부 섬유의 높은 수준의 공동활성을 보여준다. 이와 유사하게도 삼각근 전부섬유와 함께 외측섬유의 증가된 활성은 마비측 팔의 팔 뻗기 과정에서 관찰되었다(McCrea et al., 2005). McCrea 등은 공동활성이 활성의 포화상태를 나타내는 것으로 삼각근 전부섬유의 약증에 대한 보상반응과 관련있다고 결론내렸다. 대조적으로 우리의 연구는 대부분 낮은수준의 힘을 발생 유도하였고 근육활성은 최대치보다 훨씬 이하였다. 따라서 우리는 뇌졸중 이후 삼각근 각 섬유의 활성을 분리시키는 능력의 상실은 팔 뻗기 과정에서 어깨 근육의 공동활성을 설명해주는 기전으로 변환될 것이라 추론한다.
The usefulness of the isometric protocol to dissociate the motor performance in control and stroke
groups
뇌졸중 환자에서 운동조절 모듈의 영햐을 검증하기 위하여, 우리는 등척성으로 상지의 근력을 발생시키는 과제에 초점을 맞추었다. 과제수행에서 그룹간 차이가 역동적 과제 결과의 해석이 틀렸다고 할 수 있는반면, 등척성으로 진행된 실험은 건강한 대상자와 편마비 환자들 간의 과제변수를 더욱 밀접하게 적용하는 기회를 제공하였다. 근육의 적절한 활성은 역동적인 과제 동안 대상자들 간(특히, 손상정도가 다양한)에 다양할 수 있는 변수인 관절의 각도와 속도에 의존한다. 우리의 등척성 실험은 또한 과제수행에서 약증의 잠재적인 영향을 더욱 잘 제어할 수 있게 해준다. 우리는 각 그룹들 내에서 대상자들 간에 관찰된 근육 시너지형태의 전반적인 유사상이 과제수행 동안 생체학적 요소의 더 좋은 제어를 반영했다고 추론한다.
뇌졸중 이후 운동의 모듈방식 조절의 이전 연구들은 운동 손상의 수준과 상관관계가 있는 근육 시너지형태가 감소되었다고 보고하였다(Bowden et al., 2010; Clark et al., 2010). 그러나 우리의 연구에서는 뇌졸중환자에게서 등척성 근력 발생에 기반한 실험을 통하여 그 같은 시너지 수의 감소가 나타나지 않았다. 근육 시너지의 수를 확인하는 수학적인 분석방법이 없기 때문에 연구자들은 적절한 시너지의 수를 추정하는 다양한 방법을 사용해왔다. 시너지 수의 확인을 객관적으로 하기위하여, 우리는 대조군과 뇌졸중 그룹 간에 대체적으로 4가지 정도 시너지형태의 결과를 만들어낸 두 가지 방법을 적용하였다. 전체 방향의 범위 간에 삼차원 근력발생 장치는 우리의 분석결과와 일치하는 적어도 4 가지 시너지형태를 요구한다. 따라서 우리의 연구에서 그룹들 간의 잔존하는 근육 시너지 수는 본 과제의 제약과 관련되었을 것이다.
Implications for neurorehabilitation
우리의 연구는 경도손상의 뇌졸중환자와 중등도손상의 뇌졸중환자에서 근육의 시너지형태에서 변환이 분명하고, 손상된 시너지형태의 발생량과 임상적 손상수준과 정적인 관련이 있다는 것을 보여준다. 이와 유사하게도, 인간의 팔 뻗기, 이동, 등척성 손과제에 대한 연구들은 (경도손상에서 중등도 손상의 대상자들에서 약간 더 확장하여) 손상정도가 심각한 뇌졸중환자에서 근육의 시너지형태의 변환 또는 현저하게 나타나는 활성의 변환을 보여주고 있다. 근육 시너지형태 또는 활성에서 더 큰 변화는 EMG 반응 또는 운동조절의 복잡성에서 전반적인 감소에 부합한다. 따라서 근육 시너지 분석은 근육 시너지의 변환된 수, 구조, 활성이라는 부분에서 비정상적인 근육 협응을 확인하는 것에 있어서 유용하게 보인다.손상수준들 간의 시너지형태 비정상성의 본질이라는 측면에서 양적인 차이는 대상자에 따른 재활접근 개발의 필요성을 강조해 준다.
최근 연구들은 목표가 있는 운동 훈련 과제가 운동학적인 시너지형태와 비정상적인 등척성 토크 패턴을 수정할 수 있을 것이라 보여준다. 이들 결과들은 정상 근육 시너지 구조와 동원의 재건에 목표를 가진 새로운 치료프로그램 개발의 가능성을 지지해준다. 예를 들면, 정상 근육 시너지의 비정상적인 동원과 관련된 운동 장애를 가진 뇌졸중 환자에게서 한 가지 중요한 접근은 건강한 시너지와 비정상적 시너지 동원 사이의 차이에 기반을 둔 시각적 또는 고유수용성 바이오피드백을 제공하는 것이다. 특히, 시너지 활성의 기능장애 계수와 직접적으로 관련된 피드백은 정상적인 근육활성 패턴을 발생시키는 것에서 뇌졸중 환자들을 도와줄 수 있다. 그것은 훈련과정에서 과제 수행을 촉진시킬 것이다. 시너지 구조를 정상화 하는 치료의 설계는 더 많은 문제가 있어 보인다. 그러나 근육 시너지 분석은 요구되는 시너지 구조를 촉진하기 위하여 근육그룹을 자극하기 위한 대상자에 따른 FES접근법에 참고가 될 수 있다. 따라서 근육 시너지 분석은 뇌졸중 이후 운동 손상을 확인, 임상적 치료를 설계, 재활 진행과정을 추적하는 것에 틀을 제공할 수 있다.
근육 시너지가 다양한 운동행위들 간에 유사한 정도를 결정하는 것은 훈련되지 않은 과제에서 기능적 획득의 잠재적인 일반화로의 통찰력을 제공할 것이다. 건강한 대상자들에서, 등척성 근력 발생과 팔 뻗기 운동에 기반한 시너지형태는 비교해 볼 만하다. 이것은 몇가지 시너지형태가 다양한 운동과제들 간에 활용될 수 있을 것이라 제시한다. 건강한 대상자와 뇌졸중 환자 모두에서, 근육 시너지의 일반화에 대한 추후 연구가 이루어져야 한다. 이것은 뇌졸중환자들의 치료적 중재에서 잘조절된 등척성 훈련 프로그램의 개발을 위한 치료적 토대를 제공할 것이다.
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