Cheung, V. C., Piron, L., Agostini, M., Silvoni, S., Turolla, A., & Bizzi, E. (2009). Stability of muscle synergies for voluntary actions after cortical stroke in humans. Proceedings of the National Academy of Sciences, 106(46), 19563-19568.
Stability of muscle synergies for voluntary actions after cortical stroke in humans
수의적인 운동을 만들어내는 것은 결정적으로 일차운동피질과 같은 몇몇 운동 피질과 척수 회로의 기능적인 통합에 의해서 일어난다. 놀랍게도, 거의 40년 연구 동안, 운동피질이 하향하는 개재신경과 운동신경으로 가는 원심성 신경신호를 구체화시키는 방법이 명확히 알려지지 않았다. 운동시스템이 근육 시너지의 선형적인 조합을 통하여 근육 활성을 협응할 것이라는 많은 최근의 실험적 증명들에 비추어, 우리는 운동 피질이 척수 또는 뇌간의 네트워크에 의해서 구체화된 근육의 고정된 시너지를 활성하고 선택하는 기능을 할 것이라 가정한다. 이 가설을 검증하기 위하여, 우리는 전두 운동피질 영역에 편측 허혈성 손상을 입은 중증도에서 중증의 뇌졸중환자의 마비측 팔과 정상측 팔의 12-16개의 상지근육으로 부터 근전도(EMG)를 기록하였다. Non-nagative matrix factorization(비음수 행렬인수분해) 알고리듬을 이용한 EMG 분석을 한 결과 환자들 사이에서 대뇌 손상 크기와 위치에서의 차이와 양 팔사이의 운동 수행에서의 차이에도 불구하고 8명 환자 중 7명에서 마비측 팔과 정상측 팔에 대한 시너지의 근육 구성요소가 각각 매우 유사하게 나타났다. 우리가 관찰했던 근육 시너지의 이런 강건성(robustness)은 척수와/또는 뇌간에 위치한 네트워크에 의하여 구체화된 근육 시너지를 유연하게 조합, 선택, 활성하는 신경학적 작용을 나타내준다는 우리의 개념을 지지해준다. 우리의 결론은 또한 뇌졸중 이후 이런 시너지의 변환된 활성에 초점을 맞추는 뇌졸중 재활의 접근을 제시한다.
의도된 운동의 성공적인 수행은 CNS의 아주 다양한 부분들의 기능적인 통합에 의존한다. 일차운동피질(M1), 대상회(cingulate), 전운동영역, 보조운동영역을 포함한 대뇌 전두엽에서 다양한 운동피질영역들은 척수 개재신경과 운동신경으로 이어지는 원심성 신경신호를 만들어낸다. 그것은 목적이 있는 운동행동의 결과를 만들어 내는 다양한 근육들을 활성시킨다. 운동조절에서 이들 피질영역들의 중요한 역할은 허혈성 또는 출혈성 사고이후 전두엽의 손상이 의도적인 운동의 생성에 영향을 미친다는 임상적 관찰에 기반이 된다. 운동피질영역들이 부분적인 의도적 행위에 대한 적절한 원심성 명령을 어떻게 구체화 시키는 지에 대해서 명확하지가 않다. 운동의 몇가지 변수를 가진 그 활성에 대한 상관관계에 기반을 둔 M1 신경들과 피질신경의 기능을 밝혀낼 수 있을 것이라는 가정이 40년 넘게 이어지고 있다. Evarts의 초기 연구를 시작으로 신경학적 상관관계가 운동의 힘, 방향, 속도, 자세의 마지막 지점, 관절운동, 근육 활성과 같은 가상의 모든 변수의 검증이 이어지고 있다. 최근, 늘어만 가는 실험가들은 이런 과다한 상관관계들이 척수회로가 다양한 운동과제에 대한 이런 복합적인 원심성 피질신호를 어떻게 통합처리 할 수 있는지 이해하는 것을 어렵게 만든다는 점을 알아차리고 있다.
원심성 운동활성의 본질을 해석하는 것에 대한 어려움을 더욱 가중시키는 추가적인 요소는 운동피질영역이 아주 단순한 운동에서 조차 사지에서 수천개의 운동 단위를 가진 많은 근육의 활성을 협응할 필요가 있다는 사실이다. 어떤 관절운동과 그에 요구되는 관절토크 사이의 역동적인 상관관계에 대한 복잡성이 있다고 할 때, 그리고 근육들 간의 관절활성에서 상당히 불필요한 중복을 고려해 볼 때, 운동 시스템이 매우 많은 자유도의 활성을 어떻게 협조하는 지에 대해서 알려지지 않았다. 짐작컨데, CNS는 조절전략을 아주 단순화시키는 협응의 두드러지게 나타나는 어려움을 해결해줄 것이다. 그것이 어떻게 운동피질과 척수에 의해서 시행될수 있는지에 대한 전략과 그것을 이해하는 것의 본질을 밝히는 것은 신경과학분야에서 중요한 두 가지 질문이 남아있다.
최근 CNS가 단일 단위로써 근육그룹을 각각 활성하는 운동시너지의 선형적인 조합을 통하여 운동 명령을 발생시키는 것으로 운동조절의 계산적인 복잡성을 회피할 수 있다는 것을 제시해 주는 몇몇 실험적 증거들이 있다. 그런 근육 공동활성은 개별적 근육활성을 구체화시키는 것에 필요한 자유도 수를 감소시키는 것으로 조절을 촉진시킨다. 여기서 우리는 피질활성을 특정 운동에 대한 변수들을 입력하는 것으로 보는 것 대신에, 피질신호들이 척수와/또는 뇌간에서 네트워크에 의해서 구체화된 유연한 방식의 근육시너지를 선택, 활성, 조합하는 신경학적 작용을 나타내는지 아닌지에 대한 질문을 할 것이다. 우리는 전두엽에서 편측 손상을 가진 뇌졸중 환자에게서 기록된 근육활성을 가지고 이 문제를 검증하였다. 전두엽 편측 손상은 척수 또는 뇌간에서 원심성 신경명령을 간섭하는 것으로 운동수행을 심각하게 손상시킨다. 우리는 뇌졸중으로 마비된 팔과 정상측 팔의 다양한 근육들에서 근전도(EMG)를 기록하였고 두 팔의 시너지를 비교하는 것과 EMG로부터 근육 시너지를 추출하는 것에 대한 적절한 수학적 방법을 사용하였다.
대상자
전두엽에 편측 허혈성 뇌졸중환자 8명이 참가하였다. Fugle-Meyer scale, Ashworth scale 평가
건강한 대상자 6명
과제와 EMG 기록
뇌졸중환자와 대조군은 각 팔을 이용하여 7가지 운동과제를 수행하였다.
1) 단순히 팔을 위로 뻗기, 2) 어깨 외전, 3) 단일한 방향에 제한된 앞으로 팔뻗기, 4) 두 방향에 제한된 위로 팔뻗기,
5) 상완의 회내(pronation), 6) 어깨 대회전(circumduction), 7) 상완의 회내 경로와 같은 경로를 따라 움직이기
양손에서 수행된 과제는 동일하였고 각 팔의 경로는 거울이미지와 같은 형태였다.
기록된 근육은 triceps lateral/medial head, biceps short/long head, deltoid ant/medial/post part,
superior trapezius, rhomboid major, brachioradialis, supinator, brachialis, pronator teres, pectoralis major calvicular head, infraspinatus, teres major.
Result
본 연구를 위하여 우리는 대조군으로 6명의 건강한 대상자와 전두엽의 중등도에서 극심한 허혈성 뇌졸중을 입은 8명의 환자를 모집하였다. 환자들의 Fugl-Meyer 점수와 Ashworth 점수(table 1)를 검증하였을 때, 모든 환자들의 마비된 팔에서 운동기능은 다양한 등급의 손상이 있었다. 우리가 실험한 7 과제의 대부분에서 마비측 팔의 궤적은 운동속도와 관절가동범위와 같은 운동학적 특징에서 다른 팔의 궤적과 현저하게 달랐다. 우리는 대상자들의 양팔에서 12-16개의 상완과 어깨 근육의 EMG를 기록한 이후, 우리가 모집한 환자들의 마비측 팔과 정상측 팔에서 나타난 근육 시너지형태를 체계적으로 비교하기 위하여 연속된 EMG 분석을 수행하였다. NMF 방법이 비음수적 시너지형태의 선형조합으로 기록된 EMG를 분석하는 것에 사용되었다. 우리의 초기 연구이후, 근육 시너지형태의 추출은 두 단계로 수행되었다. 1단계에서 시너지형태는 각 팔의 데이터를 만드는 시너지의 수에 대한 첫 추정을 위하여 양 팔 각각의 EMG로부터 추출되었다. 2단계에서 시너지형태는, 두 팔 사이에서 공유된 시너지형태와 각 팔에서 그 지정은 양팔로부너 기록된 데이터를 만드는 합쳐진 데이터 세트로부터 동시에 추출되었다; 이 합쳐진 데이터는 시너지를 추출하는 동안 사용된 데이터 가변성을 최대화 함에 따라서 추가적으로 고유된 시너지형태의 잠재적인 발견을 가능하게 해준다. 두 팔의 시너지형태 사이에서 유사성은 주요각도의 코사인을 이용하여 계량화 되었다. 그것은 두 팔의 시너지 세트에 의해서 포괄된 공간들 사이에서 공유된 부분공간(subspace)의 차원수를 가리킨다.
Interarm similarity of muscle synergies
우리 분석의 두 단계에서 우리는 대부분 환자들에서 정상측 팔과 뇌졸중으로 인해 마비된 팔에 대한 근육 시너지형태가 매우 유사했다. 예를 들면, 그림 2는 일차운동피질과 기저핵을 포함하는 fronto-temporo-parietal 뇌졸중환자인 환자2의 각 팔로부터 각각 추출된 근육 시너지 형태를 보여준다. 이 환자의 양팔에서 5개의 시너지형태의 선형적인 조합이 기록된 12개 근육에서 데이터 편차의 적절한 부분(fraction)을 설명하기에 충분했다. 정상측 팔과 대부분 유사한 마비측 팔을 각각 짝짓기 한 이후, 두 시너지형태 세트가 극도로 부합되는 것으로 나타났다. 범위가 0.804에서 0.958에 이르는 범위의 시너지 쌍들 사이에서 스칼라 곱(scalar product) 값은 매우 같은 시너지들 간에서 벡터요소를 섞는 것으로 만들어지는 확률벡터(random vector) 사이에 기준치 평균 스칼라 곱의 이상이었다. 이들 두 개의 시너지세트 사이에서 5가지 주요 각도 중에서, 4의 코사인은 우리가 차원수 결정을 위하여 선택했던 문턱값 보다 더 크게 나타났다. 그것은 부분공간이 양 팔에서 적어도 4가지 공통된 시너지에 의해서 포괄될 수 있다.
대상자
- 편측 전두엽의 허혈성 뇌졸중 환자 8명(Fugle-Meyer scale, Ashworth scale과 6명의 건강한 비교 대상자
과제
- 모든 뇌졸중 환자와 대조군은 어깨와 팔꿈치 관절을 포함하는 7가지 운동과제를 수행하였다.
; 1) 단순히 위로 팔뻗기, 2) 어깨관절 외전. 3) 하나의 공간제한에서 앞으로 팔뻗기, 4) 두 개의 공간제한에서 위로 팔뻗기, 5) 손의 회내(pronation), 6) 어깨관절 대회전(circumduction), 7) 손의 회내와 같은 동작을 따라 움직이기.
기록된 근육 활성
- 1) triceps brachii, lateral and 2) medial heads; 3) biceps brachii, short and 4) long heads; 5) deltoid,
anterior, 6) medial, and 7) posterior parts; 8) superior trapezius; 9) rhomboid major; 10) brachioradialis;
11) supinator; 12) brachialis; 13) pronator teres; 14) pectoralis major, clavicular head; 15) infraspinatus;
16) teres major
Extracting muscle synergies
근육 시너지와 그에 해당하는 활성계수는 NMF 알고리듬을 이용하여 EMG로부터 추출되었다. NMF는 시간에 따른 활성계수에 의해서 각 활성된 몇몇 근육 시너지의 선형조합으로써 기록된 근육의 활성을 모델링한다(그림1). 정상측 팔의 근육 시너지형태와 마비측 팔의 근육 시너지를 비교하기 위하여 우리는 앞에서 제시한 2 단계의 분석을 실시하였다. 간단히, 1단계에서 시너지는 각 팔의 EMG로부터 각각 추출되었다. 각 팔에 기반하는 시너지의 수를 처음 추정하는 것은 교차타당화 절차에 기반을 두고 획득되었다. 그리고 두 팔의 시너지사이의 유사성은 주입사을 사용하여 측정되었다. 2단계에서 우리는 정상측 팔과 마비측팔의 데이터를 합쳤다. 그리고 두 팔에서 공유된 시너지를 찾기위한 cheung et al., (2005)에서 설명한 방법(합쳐진 데이터 세트에서 동시에 정상측 팔에서 구체화된 시너지와 마비측 팔에서 구체화된 시너지)을 사용하였다. 2단계 분석은 추출된 시너지를 팔에 구체화 할 수 있음과 동시에 공유된 시너지의 최대수를 발견하는 것에 대해 양팔의 EMG에서 나타나는 데이터 가변성을 완전히 사용하는 NMF를 가능하게 한다.
Discussion
우리는 뇌졸중환자의 EMG를 분석하여 획득한 결과들이 의도된 운동을 만들어내는 것에서 원심성 피질신호의 본질에 대해 다루는 중요한 단서를 제공할 것이라 생각한다. 우리가 확인한 근육 시너지는 정상팔과 마비된 팔 사이에서 같을 뿐 아니라 대상자들 간에도 같았다. 이것은 우리가 연구했던 환자들이 다양한 피질부위에 걸진 손상을 가졌었기 때문에 중요한 결과이다. 팔과 피질손상 유형 간의 근육 시너지의 그런 강건함은 이들 시너지형태들이 뇌간의 핵에 존재하는 척추 개재신경 회로와/또는 신경원과 같은 신피질의 신경학적 하향 네트워크에 의해서 대부분 이루어질 것이라는 점을 제시한다. 운동피질영역으로부터 내려가는 원심성 신호는 각 시너지를 조직하는 이들 네트워크를 활성시킨다. 그것은 결국 부분적인 근육활성의 균형적인 윤각을 드러내는 일련의 근육에 대한 운동신경원들을 활성시킨다. ; 그런 다음 시너지형태로써 출현하는 다양한 운동이 다양하게 동원된다.
운동 구성을 위한 모듈로써 근육 시너지의 개념을 지지하는 증거는 행위의 다양성에 관한 근육의 패턴을 검증한 연구, 척수손상의 개구리에서 반사행동과 문지르기, 개구리의 자연적 행동, 고양이에서 자세유지과제와 이동, 원숭이에서 쥐기, 인간에게서 운동과제에 관한 연구들로부터 수집되었다. 이들 연구들은 아주 적은수의 기저벡터를 확인하기 위하여 다양한 인수분해를 사용한다. 그것의 선형조합은 EMG를 잘 설명해준다. 흥미롭게도 Tresch et al., (2006)은 시뮬레이션된 데이터세트와 실험적 데이터세트에서 유사한 시너지를 상이한 가정과 제약들을 가진 다양한 인수분해 알고리듬을 통하여 확인하였다. 이들 결과들은 알고리듬을 선택하는 것에 있어서 불확실한 몇몇 전산적인 방법을 사용하는 것 보다 본 연구에서 보고되었던 추출된 근육 시너지가 인간의 운동시스템에 대한 기본적인 모듈조직화를 반영한다고 강력히 주장한다. 모듈로 이루어진 척수 운동시스템에 대한 생리학적 증거는 개구리, 쥐, 고양이의 요추 척수의 개재신경 시스템을 직접 자극하는 것으로 수집되었다. 척수-전운동 신경 회로의 다양한 위치에 대한 전기자극 또는 화학적 자극은 작업공간을 넘어서는 힘의 영역으로써 설명할 수 있는 끝 지점의 힘에 대한 다양한 패턴을 발생시키는 근육활성의 다양한 균형을 부과한다. 척수가 절단된 개구리에서 두 가지 다른 척수 부위에 대한 공통적인 자극은 각 국소 부위를 자극하는 것으로 유발된 힘의 장에 대한 벡터합과 유사한 힘의 장을 만들었다. 이들 결과는 척수내에서 조직된 모듈의 조합을 통한 운동발생에 대한 실험적 성향을 제공해 준다. 본 연구에서 뇌졸중 환자에 대한 결과들은 인간에서 척수 또는 뇌간 모듈이 목적 있는 행위를 완수하는 것에 대한 원심성 피질신호에 의해서 조합되고 활성 될 수 있을 것이라는 점을 증명해 준다. 모듈 조합을 통한 운동구성의 이런 기전이 앞서 제시되어왔던 것으로써, 두 가지 이동행위에 대한 운동 출력 발생에 기반이 될 것이다. 우리가 연구했던 8명의 환자 중에 한명(환자6)은 우리가 다른 환자에게서 공통적으로 나타났던 시너지를 보여주지 못했다. 환자6에서, 2단계 추출을 통하여 마비된 팔에서 구체화된 3가지 시너지와 정상측 팔에서 구체화된 3가지 시너지가 공통적으로 나타났다(표 2). 흥미롭게도, 이 환자는 상지에서 가장 낮은 Fugl-Meyer 점수를 보였다(66점 중 18점). 우리는 이 환자에서 마비측 사지의 보상운동 전략이 정상측 팔을 움직이는 것과 다른 마비측 팔을 활성시키는 시너지결과로써 생존한 신경원의 가소성으로부터 나타난 것이라 추측한다.양팔에서 근육 시너지의 유사성이 관찰됨에도 불구하고, 양팔에서 나타난 EMG는 매우 차이가 있었다(그림 4). 그런 EMG 차이는 환자의 임상점수에 반영된 것처럼 마비측 팔의 운동손실에 기반이 된다(표 1). 양팔에서 많은 근육들 간의 복잡한 EMG차이는 몇몇 고정된 시너지의 시공간적 동원패턴에서 차이점으로써 설명될 수 있을 것이다(그림 4). 이렇게 관찰된 것은 뇌졸중 이후 신경학적 손실이 마비측 팔에서 운동기능 이상을 이끄는 하향식 근육 시너지의 피질활성 패턴을 변환시킨다는 것을 암시한다. 뇌졸중 손상이 시너지활성을 간섭하는 것으로 운동을 손상시킬 것이라는 위의 결론은 뇌졸중 환자의 재활에 있어서 뇌졸중 이후 변환되는 근육 시너지의 활성패턴에 초점을 맞춘 접근법을 재시 해준다. 시너지에 대한 신경학적 작용을 제시해 주는 것으로써 피질신호를 바라보는 것은 인공보조장치(보조기)를 조절하는 것에 있어서 피질신호를 사용하는 것에 대한 진행 중인 연구의 새로운 길을 열어줄 수 있다.
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