YIN FANG, VLODEK SIEMIONOW, VINOD SAHGAL, FUQIN XIONG, AND GUANG H. YUE
Department of Biomedical Engineering, Lerner Research Institute;
Department of Physical Medicine and Rehabilitation,
The Cleveland Clinic Foundation, Cleveland 44195;
Program of Applied Biomedical Engineering, Fenn College of
Engineering, Cleveland State University, Cleveland, Ohio 44114
Received 19 January 2001; accepted in final form 22 June 2001
Greater Movement-Related Cortical Potential During Human
Eccentric Versus Concentric Muscle Contractions
본 연구의 목적은 MRCP를 검사하고 원심성 구심성 근육 활성 간의 MRCP의 차이를 확인 두피 EEG 신호는 감각운동 피질과 두정엽에서 측정하고 kinetic, kinematic 정보도 같이 수집되었다. EMG가 원심성 운동에서 더 적은 활성을 보였지만, 두 가지 주요 MRCP 구성요소는 원심성 과제에서 유의하게 더 큰 전위를 나타내었다. 원심성 과제의 MRCP 시작시간이 더 빨리 발생했다. 원심성 근 활성에서 더 큰 피질 신호는 뇌가 구심성 운동과 다른 원심성 운동을 계획하고 프로그램한다는 것을 제시한다.
골격근 활성을 포함한 모든 운동 행위는 근육수축의 3가지 유형을 동반한다; 구심성 수축, 원심성 수축, 등척성 수축.
원심성 근육 행위는 많은 의학적 재활 프로그램에서 이용된다.
원심성 수축은 더 적은 에너지 소비를 요구하고 그런 에너지 효율성은 신체적 제한을 가진 사람의 기능적 능력을 향상시킬 수도 있다. 아직 원심성 훈련 또는 운동이 CNS에 영향을 주는 방법에 대해서 알려진 바가 없다.
그 활성은 원심성 수축이 수행되었을 때 느린근육(soleus)에서 빠른근육(gastrocnemius)으로 변환되었다
(Nardone and Schieppati 1988).
근육의 운동단위 집합은 구심성 수축동안 모든 운동단위가 활성하는 반면에 최대 수의적 원심성 수축동안 완진히 활성될 수 없다.
원심성 근육활성은 독특한 신경학적 조절 전략을 가진다. 그러나 원심성 근육수축을 조절하는 동안 CNA 신호는 구심성활성을 조절하는 동안에 나타나는 신호와 다르다는 것을 직접적으로 지적해 주는 증거가 없다. 본 연구의 목적은 두 유형의 근 활성동안 EEG에서 파생된 MRCP를 측정하고 원심성 주관절 굴곡수축과 구심성 수축 사이의 서로다른 피질 활성의 타이밍과 수준을 확인하기 위함이다.
몸무게의 10%에 해당하는 무게를 이용한 원심성 과제에서 구심성 과제와 비교해서 MRCP는 더 높게, EMG와 근력은 더 낮게 나타났고 NP의 시작 시간은 더 빠르게 나타났다.
Discussion
Possible explanations for greater MRCP NP during eccentric muscle actions
어려움 정도. 원심성 수축은 구심성 수축보다 수행하는 것이 더 어렵다. 이것은 구심성 힘 변동 보다 더 높은 원심성 힘 변동의 결과로 알 수 있다. 더 높은 원심성 근력 변동은 높은 역치의 운동단위가 선택저긍로 동원되는 것과 일치해 보이고 최대하 원심성 수축 동안 낮은 활성전위를 방출하는 것과도 비슷해 보인다(Howell et al. 1995; Nardone et al. 1989). 높은 역치의 운동단위가 더 큰 연축 힘을 나타내고 더 낮은 방출성이 완전하지 않게 결합된 운동단위 힘을 만들기 때문에 힘 변동이 구심성 수축에서 보다 원심성 수축에서 더 높다는 것은 놀라운 것이 아니다. 구심성 슬관절 신전 수축에서 보다 원심성 수축을 조절하는 것이 더 많은 오류를 범하였다. 어려운 운동을 조절하기 위히여, 뇌는 더 많은 노력을 해야하거나 더 넓은 신경 네트워크가 처리를 조절하는 것에 필요로 할 것이다. 신경 영상학 연구들에서 어려운 운동과제가 수행될 때 뇌 활성이 더 높다고 나타났다.
근 손상 예방. 원심성 근 수축은 구심성 수축과 비교해 봤을 때 더 큰 조직 손상의 특지이 있다. 조직학과 초미세구조학적 근 손상이 원심성 운동 이후 보고되고 있다. 원심성 수축으로부터 오는 조직 손상의 높은 감수성 때문에 CNS는 손상을 제한하는 구심성 명령을 수정하는 계획이 필요할 것이다. "손상 감소"를 위한 피질에서 추가적 계획 활성은 더 큰 NP신호를 만들 것이다.
CNS에 의한 한 가지 특정한 손상감소 계획은 척수수준에서 유발되는 원하지 않는 신장반사를 감소 시키기 위하여, 늘어난 근육에서 오는 Ia 입력을 동시에 조절 할지도 모른다. 이런 결론은 양쪽 상지와 하지 근육의 원심성 수축 동안 단일 시냅스 흥분성이 감소된다는 결과로 지지된다. 반사흥분석이 감소되지 않을 때, 원심성 수축동안 근력은 더 증가되고 더 많은 근육손상을 초래할 수 있다.
다양한 조절 전략. 운동단위를 동원하는 유형은 원심성 수축과 구심성 수축이 서로 다르다는 것으로 보고되고 있다(Hoffer et al. 1980; Moritani et al. 1988; Schieppati et al. 1987). 원심성 수축동안, 높은 역치 운동단위들은 낮은 역치의 운동단위들이 먼저 동원되는 구심성 또는 등척성 수축과 비교했을 때 선택적으로 동원된다(Howell et al. 1995; Nardone et al. 1989). 전환된 원동단위 동원명령은 원심성 활동에 대한 독특한 신경 시스템 조절전략을 반영할 것이다. 그리고 그 전략은 그것을 수행하는 것에 더 큰 피질활성을 필요로 할 것이다. 그러나 최근 연구는(Bawa and Jones 1999) 높은 역치의 운동단위의 선택적 동원이 인간의 손목관절 굴곡근의 원심성 수축동안 발생하지 않는다고 제시하였다. 운동단위의 동원명령에서 역전되는 것이 원심성 근 활성동안 반드시 나타나는 현상인지를 확인하는 더 많은 연구들이 필요하다.
Influence of speed of movement on MRCP NP
MRCP NP의 전위크기는 더 빠른 속도로 같은 무게를 움직이는 것에 더 큰 근 활성이 필요하기 때문에 운동의 스피드 또는 운동률에 따라 달라진다는 것이 예상된다. 본 연구에서 운동의 속도는 원심성 수축 Vs 구심성 수축 동안 같았다. 따라서 본 연구에서 원심성 과제에서 더 큰 NP는 운동의 속도에 어떤 영향도 받지 않았다.
MRCP PP
MRCP PP는 구심성 수축보다 원심성 수축에서 더 크게 나타났다. PP는 NP나 기저선의 정점에서 운동이 완료되는 시점에 해당하는 값까지의 전위크기라고 정의된다. NP의 정점이 EMG 개시 이후 -350ms 에서 발생했고 PP의 전체주기가 이 정점 이후 이었기 때문에 이 신호(PP)는 운동계획 그리고 실행과 관련 있다기 보다 뇌에서 처리되어지는 피드백 신호와 더 밀접한 관계가 있을 것이다. 힘 변동 데이터가 가리키는 것처럼, 원심성 운동은 운동이 조절하기 더 어렵다는 것으로 알 수 있듯이 더욱 큰 힘의 변동성을 가질 것이다. 결과적으로 변동성이 있는 원심성 행위와 관련된 많은 감각정보는 뇡 ㅔ전달되어질 수 있다. 더 높은 수준의 PP는 원심성 관련 감각정보를 처리하는 결과일 것이다. 구심성 근육수축보다 원심성 수축동안 더 커지는 것으로 보이는 감각정보의 한 가지 근원은 근 방추 수용기에서 신장되어 나타나는 Ia 구심성 활성이다.
실험적 증거는 인간의 신장반사가 경피질 반사인 지연된 "long latency" 반응을 가진다는 관점을 지지하고 있다. 경피질 반사의 개념은 신장되고 있는 근육이 활성해서 결과적으로 신장으로 유발된 Ia 구심성정보가 피질 신경원의 점화를 야기한다는 것을 의미한다. 이런 반사로 유발된 피질 활성은 그것이 운동 시작 이후에 발생하지 때문에 PP에 기여하는 것으로 보인다. 대조적으로, 구심성 근육활성은 근육이 신장되지 않기때문에 신장반사와 관련된 피질 활성이 일어나지 않는다.
Onset of NP
평균적으로, 원심성 과제에서 NP의 시작은 구심성 수축에서보다 -100ms 더 일찍 일어난다. 더 빠른 NP 개시 시간은 뇌가 구심성 과제에서 보다 구심성 운동에서 더 빠른 준비를 시작한다는 것을 제시한다. 더 빠른 개시 시간은 원심성 활동에서 운동이 더 복잡한 것, 단일시냅스 반사 흥분성의 조절, 다른 조절전략(운동단위 동원)을 수행하는 것에 대한 추가적인 피질 계획으로 설명되어질 수 있다.
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