Sjoerd de Vries and Theo Mulder
MOTOR IMAGERY AND STROKE REHABILITATION: A CRITICAL DISCUSSION(2006)
뇌졸중으로 운동장애가 빈번히 발생하며 운동조절 능력을 다시 획득하기 위해서 많은 노력이 필요하다. 환자들이 치료 이후에 잃었던 기능을 회복하기는 하지만 만성적 장애가 대부분 남게 된다. 기능회복은 손상된 뇌에서 재조직 과정을 거쳐 이루어진다. 신경 재조직은 감각운동 구심-원심 피드백에 의한 정보에 의존한다. 그러나 운동시스템은 또한 운동상상과 운동관찰을 통한 "off-line"으로 활성될 수 있다. 행위가 수행될 때 뿐 아니라 다른 사람을 관찰할 때 발화하는 '거울신경'의 발견은 우리행위가 off-line 뿐 아니라 on-line으로도 사용될 수 있다는 것을 보여준다. 운동상상 또는 운동관찰에 의한 정보가 뇌졸중 환자에서 기능적 회복과 신경 가소성을 일으킬 수 있는가는 매우 흥미로운 문제이다. 본 연구는 뇌졸중 재활의 새로운 방법으로 운동상상과 운동관찰에 대한 증거를 고찰한다.
뇌졸중은 세계적으로 수백만 사람들에서 손상과 기능장애의 주요원인이된다. 세계인구의 연령이 증가함에따라 뇌졸중의 침범을 받은 사람들이 점차적으로 많이 증가할 것이다. 뇌졸중은 다른 여러종류의 결과들과 함께 신경학적 정보를 처리하는 것에서 뇌의 능력에 대한 광범위하고도 왜곡된 변화로 볼 수 있다. 뇌졸중 이후 운동시스템이 침범을 받을 수 있을 뿐 아니라 인지시스템과 정서시스템도 심각한 손상을 받을 수 있다. 비록 우리가 뇌졸중의 다면적인 특징을 잘 알고 있다고는 하지만, 본 논문에서 우리는 운동기술의 회복에 주로 초점을 맞추고있다.
대체로 뇌졸중 이후 운동손상이 발생한다. 급성 뇌졸중 환자에서 거의 80%는 운동손상을 가진다고 추정된다. 이들 환자들 중 약 20%는 몇 달 후 적어도 자신의 잃어버렸던 운동기능의 일부를 다시 획득하게 된다; 따라서 뇌졸중 이후 생존한 환자의 50-60%는 만성 운동장애가 남게된다. 이들 장애는 종종 균형, 타이밍, 협응운동에 관련된 그리고 침범된 사지에서 근력의 소실과/또는 강직과 관련된 것이다. 뇌졸중이후 이들 운동 손상들은 대체적으로 삶의 질을 절충할 것이다. 예를 들면, 뇌졸중 이후 환자들 중 50%에서 독립보행이 손상을 입는 것으로 추정된다. 따라서 뇌졸중 이후 많은 치료적인 노력은 운동기술의 기능적 회복에 투자하게 된다.
기능적회복은 손상을 받은 뇌의 재조직화 처리를 통해 이루어진다. 시스템내에서 재조직화(자가-조직화)는 기능시스템에서 손상이 부분적일 때 가능할 것이다. 그러나 기능시스템이 완전히 손상을 입게되었을 때, 회복은 보완적인 처리에 의해 대부분 이루어진다. 즉, 뇌졸중으로 인해 손상을 받은 영역들의 기능을 극복하기위해 다른 뇌영역들이 동원되어진다.
(운동)회복처리의 효율성과 속도는 운동활동에 의해서 제공되는 (감각)정보의 효용성에 따라 부분적으로 달라진다. 전통적으로 5가지 정보자원이 운동학습과 관련해서 구분되어진다; 1) 고유수용성 감각정보 2) 촉각정보 3) 전정정보 4) 시각정보 5) (조금 더 확장하자면)청각정보. 심상(운동상상)과 관찰에 의해서 제공된 정보가 재학습처리에 역할을 할 수 있을 것인가 하는 흥미로운 문제가 있다.
정말로 최근 논문들은 운동 상상과 운동관찰에 의해서 제공된 정보가 뇌졸중이후 운동 재활에 있어서 유용하게 사용될 수 있는 정보로 추가적인 자원을 형성할 수 있을지 모른다고 제시하고 있다(Jackson PL. et al., 2001; Jeannerod & Frak V., 1999; Page SJ, 2001; Sharma N, Pomeroy VM, Baron JC, 2006). 이것의 근거는 운동계획과 수행에 정상적으로 포함되는 뇌영역들이 또한 운동의 심상과정에서도 활성된다는 것이다. 운동의 심상이 실제 운동수행에서와 같은 뇌영역들을 어느정도 활성시킨다는 것은 이미 잘알려져있다. 뇌국소화 기술을 사용한 몇몇 연구들에서 운동상상과정 동안 운동수행에 관련된 뇌영역들이 활성되었다는 것을 발견하였다(Decety et al., 1994; Stephan et al., 1995; Grafton et al., 1996; Samuael et al., 2001; Malouin et al., 2003; Porro et al., 1996; Roth et al., 1996; Lotze et al., 1999; Gerardin et al., 2000; Porro et al., 2000; Parsons et al., 1995; Hanakawa et al., 2003; de Lange et al., 2005). 운동상상과정에서 뿐만아니라 운동수행과정에서 활성된 영역들은 전전두피질(prefrontal cortex), 전운동피질(pre-motor cortex), 보조운동영역(supplementary motor area), 대상피질(cingulate cortex), 두정피질(parietal cortex), 소뇌(cerebellum)이다. 또한 몇몇 기능적자기공명영상 실험에서 비록 다른 연구들에서는 일차운동피질(primary motor cortex)의 활성이 나타나지 않았지만 이영역에서의 활성을 보고하였다.
운동관찰에서도 마찬가지이다. 운동관찰동안, 전운동피질(pre-motor cortex)에서 활성된 영역들은 운동이 수행될 때 또한 활성되었다. 거울신경에 대한 개념은 이들 결과들에서 중심적인 역할을 한다. 이 개념은 원숭이가 운동을 수행할 때 뿐 아니라, 누군가가 운동을 수행할 때 그리고 그 수행을 원숭이가 관찰할 때에도 발화하는 신경으로 간주한다. Fadiga et al. (1995)은 운동의 관찰이 운동 촉진의 결과를 가져온다는 것을 보여줌으로써, 인간에서 거울시스템의 존재에 대한 유리한 증거를 처음으로 제공하였다. 그러나 지금까지 신경학적 재활의 분야에서 운동조절의 재학습에 대한 관찰에 기반을 둔 활성을 이용한 어떤 체계적인 연구들도 존재하지 않는다. 운동선수들에게서 운동상상이 운동수행을 최적화시키는 것에 있어서 효과적일 수 있다는 것은 알려져오고 있다. Feltz & Landers (1983)에 의해서 시행된 메타분석에서 운동상상을 사용한 훈련이 훈련을 전혀 하지 않은 것보다 더 좋았다는 것을 보여주었다. 특정과제를 정신적으로 훈련받은 대상자가 신체적으로 훈련을 받은 대상자보다 일반적으로 더 적은 향상을 나타내었다는 것을 그들은 보여주었다. 그러나 훈련을 전혀 받지 않은 대조군과 비교하였을 때, 운동상상이 수행을 촉진시켰다는 것을 알 수 있었다. 몇몇 연구들에서 운동상상훈련이후 신경학적 재조직화가 실제 신체훈련의 결과로 나타난 변화와 같았다는 것을 보여주었다.
그러나 지금까지 그 원인기전이 "움직임 없는 움직임을 학습하는 것."의 이면에 있다는 것이 명확하지 않다. 위에서 지적했던 것처럼, 일차운동피질은 운동상상과정에서 활성되는 것이 일관되게 나타나지 않았다. 이것은 많은 연구들이 운동회복과 관련된 신경학적 재조직화가 일차운동피질에서 나타난다는 것을 많은 연구들에서 보여주었기 때문에 중요한 구조물이다(Hlustik & Mayer, 2006). 더군다나 많은 비슷한 연구들이 상상과 관찰, 수행들에 끌릴 수 있는 반면, 이들 처리과정 사이의 정확한 상관관계와 특히 거울신경의 역할에있어서 아직 많은 것을 이해하지 못하고 있다. 본 논문은 이들 문제를 논의하고 운동상상훈련과 관찰기반 학습에 대한 유용한 증거를 고찰할 것이다. 우리는 이들 새로운 신경과학적 결과들에 대한 더 좋은 이해가 신경학적 재활을 향상시키는 가치를 줄 수 있을거라 주장한다.
A Definition of motor imagery
정신적 상상은 거기에 있지 않은 사물 그리고/또는 사건을 상상하는 능력이고, 가장 흥미로운 인간의 인지능력 중 하나이다. 우리는 우리가 비행기를 타고 하늘을 나는 상상 또는 우리가 프로축구선수이거나 락가수라는 것을 상상할 수 있다. 우리는 우리가 사물앞에 아무런 움직임 없이 앉아 있을 때 사물의 반대쪽이 어떻게 보일것인지를 상상할 수 있다. 우리는 사물을 집어들었을 때 어떤 느낌인지 상상할 수 있고, 실제 그것을 만지지 않아도 기본적인 특징을 설명할 수 있다. 이것들은 모두가 각각이 다른 정신적 상상이다. 전통적으로 시각적상상이 인지과학에서 가장 주목을 받아오고 있지만, 최근 10년동안 운동감각상상에 대한 관심이 급격히 많아지고 있다.
운동감각상상은 자신 신체(일부)의 실제 움직임없이 그 신체(일부)의 운동을 상상하는 암묵적 인지과정으로 정의될 수 있다. Kosslyn et al.은 시각적상상과 운동감각상상이 서로 다른 신경처리에 의존한다는 것을 보여주었다. 그들의 실험에서, 손의 사진에 대해서 정신적 회전을 하는 동안 뇌운동영역이 활성이 나타났지만, 3차원 큐브의 정신적 회전과정에서는 활성이 나타나지 않았다는 것을 알게되었다. 3차원 큐브의 정신적 회전은 시각피질영역의 일차적인 활성과 관련되었다.
운동감각상상은 정신적 운동관련상상의 또 다른 형태와는 식별되어야 한다; 동작상상(motion imagery). 동작상상은 공간에서 비신체적인 사물의 운동 방향과 경로를 예측하는 것과 관련된다; 예를 들면, 공의 괘도. 또 다른 중요한 구분은 1인칭관점 상상과 3인칭관점 상상을 구별하는 것이다. 한 개인은 공간에서 자신팔이 있는 위치를 알고 또한 다른 사람들에게 어떻게 보일지도 안다. 그러나 이것들은 정신적 상상에 대하여 다양한 차이가있고, 그것들은 또한 다양한 신경 하위시스템과 관련된다고 제시하고 있다. 첫 번째, 자신의 팔의 위치를 아는 것은(즉, 자신의 신체에 대하여 팔의 위치느낌) 1인칭관점 시각 또는 운동감각(kinetic)적 상상으로 정의된다. 반면에 한 사람이 자신이 아니라 또 다른 사람을 바라보는 것 처럼 3자 입장에서 자신의 팔을 바라보는 관점은 3인칭관점 시각이라 불리고 일반적으로 더 자연스러운 시각이다. 본 논문에서 우리는 1인칭관점시각, 또는 운동감각 관점과 신경학적인 운동재활에서의 가능성에 관해서 다루는 운동상상에 관한 연구에 일차적인 흥미를 가지고 있다.
SIMILARITIES BETWEEN EXECUTION AND MOTOR IMAGERY
지난 10년간, 운동조절에 대한 신경영상학적 연구와 심리물리학적 연구는 실제운동과 상상된 운동 사이에 유사성이 있다는 것을 현저하게 드러내주었다. 이들 결과들은 "모사가설"이라는 이론적 입장을 이끌어왔다. 이런 가설은 외현적 운동과 운동상상(암묵적 운동)을 근본적으로 같은 처리과정을 가진다는 것이다. 운동수행, 운동상상, 행위관찰은 같은 신경기전에 의해서 모두 작동된다. 운동상상과 행위관찰은 뇌의 운동영역에서 "off-line"으로 작용한다는 입장을 취하고있다. 유사한 가설은 2가지 다른 증거에 기반을 둔다.
첫 번째, 그것은 행동적 영역(behavioral domain)에서 유사성이 있다는 것을 보여준다(행동반응연구). 예를 들면, 상상된 운동을 완료하는 시간이 그 운동을 실제수행하는 것에 필요한 시간과 유사하다는 것이 잘 알려지고 있다; 이런 현상은 정신적 동시성으로 알려져있다. Parsons 는 손이 회전된 그림이 왼손인지 오른손인지를 판단하는 것에 필요한 시간이 그 그림의 회전정도와 관련있다는 것을 보여주었다. 더욱 주목할 만한 것은, 묘사된 손의 위치가 상상된 회전을 수행하기에 불편하거나 생체역학적으로 어려울 때 생체역학적으로 쉬운 위치에 동일하게 회전된 그림에서 보다 시간이 더 증가하였다는 것을 그의 연구에서 보여주었다. 그리고 회전시간은 이들 위치에서 실제 손의 회전시간과 동일하였다. 운동상상이 실제 on-line운동의 정상적 생체역학적인 제약을 준수하는 것으로 보인다는 사실은 이 과제들이 단지 시각적 상상에 의해서만 수반되는 것이 아니라 자신의 팔과 손의 운동을 상상하는 것에 의해서 해결되어야 한다는 것을 가리킨다.
이들 결과들은 Frak et al. 에 의한 실험에 의해서 확인되었다. 대상자들은 다양한 위치에 있는 유리실린더가 잡을수 있는 것인지 아닌지를 판단하였다. 판단을 하던 대상자가 걸렸던 시간이 그들이 실제 유리 실린더를 잡는 데 걸렸던 시간과 같았다. 여기서도 역시 실행하기 어려운 운동은 생체역학적으로 쉬운 운동보다 상상하는 시간이 더 걸렸다. 따라서 상상된 운동이 실제운동과 같은 생체역학적인 법칙을 따른다고 할경우 그들이 같은 뇌영역에 의존한다는 것을 의미하는 것일까?
모사가설에 대한 두 번째 증거는 행위조절에 사용된 신경시스템이 정말 이들행위의 상상과정에서 활성된다는 것이다(신경학적연구). 늘어가고 있는 뇌영상 연구들은 같은 수준에서 이런 유사성을 보여주고있다. 운동상상에 포함되는 것으로 대부분 보고되는 신경시스템의 일부는 전운동영역(premotor cortex), 배외측전전두피질(DLPFC), 하전두피질(IFC), 후두정피질(PPC), 소뇌(cerebellum), 기저핵(basal ganglia)를 포함하는 운동의 계획과 조절에 관계된 뇌영역이다. 그러나 지적했던 것처럼, 일차운동피질과 같은 중추신경시스템의 수행과 관계가 깊은 영역을 포함하는 것에 대해서는 아직 논란이 있다.
THE PRIMARY MOTOR CORTEX
운동상상에 대해서 위에서 언급했던 정의에서, 핵심적인 부분은 어떤 상상과 관련된 운동출력이 없다는 것이다. 만약 일차운동피질이 전통적인 관점에서처럼, 행위의 수행단계에 일차적으로 포함된다고 할 경우 운동상상과정 동안 어떤 활성도 기대할 수 없을 것이다. 왜냐하면, 상상과정에서 어떤 실제 운동도 행해지지 않았기 때문이다. 그러나, 몇몇 연구에서 상상관련 운동피질활성이 나타나고 있다.
예를 들면, Ehrsson et al.은 일차운동피질에서 특정 사지관련 영역의 활성이 나타났다. 그들은 상상된 발가락 운동이 상상된 손가락과 혀의 움직임과 구별될 수 있다는 것을 보여주었다. 손가락 운동상상은 일차운동피질에서 손가락영역에 관련된 활성이 나타난 반면 발가락과 혀의 움직임의 상상은 각각 발가락과 혀와 관련된 영역을 활성시켰다.
그러나 다른 연구들은 일차운동피질에서 운동상상관련 활성을 보고하지 않고있다. 예를 들면, de Lange et al. 은 정신적(운동) 회전과제에서 전운동영역의 활성에 대한 명확한 증거를 보여주었지만, 일차운동피질에서는 어떤 활성되 보여주지않았다. 그것은 운동상상이 운동조절의 수행단계보다는 계획단계와 일차적으로 관련이 있다는 것을 제시한다.
이들 차이는 연구설계에서 방법론적인 차이때문일 것이다. 예를 들면, 일차운동피질 활성을 보고하는 몇몇 연구들은 스캔과정에서 작은 근육의 움직임을 조절하지 않았다. 더불어서 사용된 스캔 기술과 운동상상과제는 연구들간에 차이가 있었다. 이런 논쟁을 해결할 가능성은 최근 Ganis et al.에 의한 TMS연구에서 보여주고있다. 그들은 왼쪽 일차운동피질이 오른손잡이 대상자들에게서 정신적 운동회전에서 나타났다는 것을 보여주었다. 그들은 일차운동피질의 손관련된 영역에 short magnetic pulse를 적용했을 때, 손의 정신적회전에서 반응시간이 증가되게하였으나 발의 정신적회전에서는 그렇지 않았다는 것을 보여주었다. 이들 결과들은 Tomasino et al.에 의한 실험을 통해서 확인되었다. 그 실험에서 신경학적 환자는 그의 운동피질에 심어져 있는 전극을 통하여 전기 자극글 받았다. 반응시간은 정신적 운동회전과제에서 상당히 손상을 입었지만 시각적 회전과제에서는 그렇지 않았다. 이들 자극실험에 기반을 두고 이들 저자들은 일차운동피질이 과거에 확인되어온 단순히 수행적 역할을 가진다는 것과 함께 off-line 운동표상과정 동안 더 많은 인지적인 역할을 한다는 것에 동의하였다.
그러나 Sirigu et al.에 의한 연구는 일차운동피질 손상을 입은 편마비 뇌졸중 환자가 운동상상과제에서 조절하는 것에 있어서 정확하였다는 것을 보여주었다. 환자군의 정확도가 대조군의 정확도 만큼 높았다는 사실은 일차운동피질이 운동 그 자체의 표상을 포함할 뿐 아니라 뇌의 다른 영역에 위치하는 표상에 기반을 둔 조절 그리고 운동계획과 관련된 다른 정보처리과제에 포함될 것이라는 것을 제시한다. 정말 그것이 운동표상에 포함된다면 이 환자는 운동상상과제에서 완벽하게 정확도를 보여줄 수 없을 것이다. Ganis et al. 과 Tomassino et al. 의 연구는 자극이후 손상된 반응시간을 보여주었지만 정확한 점수에서 어떤 감소도 나타나지 않았다는 것을 보여주었다. 그것은 대상자들이 여전히 운동상상을 완벽하게 할 수 있다는 것과 자극은 단지 그들의 반응시간을 느리게 만들어 주었다는 것을 제시한다. 종합적으로, 이들 결과들은 일차운동피질이 반드시 운동상상에 포함될 필요는 없다는 것이며, 그것은 몇몇 신경영상 연구들에서 보여진 것처럼 운동상상에 의해서 활성될 수 있지만 그 활성이 정확한 운동표상에 필수적이진 않다는 것을 제시하는 것으로 보인다.
그러나 운동상상에서 일차운동피질의 정확한 역할에 대한 세세한 논의는 본 연구의 범위밖이므로 우리는 운동상상에서 일차운동피질의 역할이 추후연구를 요구하는 많은 논란이 있다는 것으로 결론내린다.
OBSERVATION AND IMITATION
운동관찰은 다른 사람의 행위를 지각하는 것으로 정의될 수 있다. 운동상상에 관하여 위에서 설명했던 것과 마찬가지로, 같은 현상이 운동관찰동안 발견되었다. Grezes & Decety는 수행, 관찰, 운동상상의 활성패턴과 행위의 언어화에 대한 메타분석을 수행하였다. 30개의 신경영상학 연구분석에서 그들은 전운동피질, 측두회(temporal gyrus), 후두영역, 두정피질이 운동관찰에 의해서 모두 일관되게 활성되었다는 것을 보여주었다. 운동상상에서 처럼, 일차운동피질의 활성은 행위관찰과정에서도 일관되게 발견되지 않았다. 그러나 최근에 Maeda et al.에 의한 TMS연구에서 행위관찰 동안 일차운동피질이 포함되는 것을 보여주었다.
Maeda et al.은 손의 운동을 관찰하는 과정과 휴식과정에서 일차운동피질에 short magnetic pulse를 적용하였다. 그들은 손의 운동관찰과정이 휴식과정에서 보다 더 유의하게 큰 운동유발전위가 발생하였다는 것을 보여주었다. 신경영상연구와는 대조적으로, 이들 결과들은 운동관찰 동안 운동-척수 활성이 증가한다는 것을 제시한다. 그러나 운동상상에서와 마찬가지로 운동관찰에서도 같은 논쟁이 존재한다.
종합해보면, 이들결과들은 행위와 운동상상사이에서 유사성이 존재할 뿐 아니라, 행위와 관찰사이에서도 유사성이 존재한다는 것을 보여준다. Jeanerod & Decety가 10여년 전에 이와 같이 주장했다; 운동상상은 누군가가 최소한의 훈련을 가상으로 받음으로써 경험되어질 수 있는 인지적 상태이다. 그것은 일상생활에서 경험되어지는 많은 상황들에 해당한다; 누군가의 행위를 모방하기 위하여 그 행위를 주시하는 것, 행위의 영향을 기대하는 것, 움직이기 위하여 준비하고, 의도하는 것, 움직임을 유지하기, 또는 행위를 기억하기.
또한 Maeda et al.에 의한 연구에서 "모방하기 위한 의도"를 가지고 관찰하는 것과 반대되는 "수동적인" 운동관찰은 운동계획과 운동수행에 일반적으로 포함되는 뇌구조물들을 활성시킨다는 것을 보여주었다. 따라서 모방하기 위한 능동적인 의도는 운동영역에서 신경활성과 관련된 운동관찰동안에는 중요한 것으로 보여지지 않는다. 다른 연구들은 그 운동시스템이 "수동적인" 운동관찰동안 사용될 수 있다는 것을 보여주었다. 최근 Brass et al. 에 의한 연구에서, 대상자글은 위로 손가락을 들어올리는 운동을 하거나 손가락을 밑으로 두드리는 운동을 해야만 했다. 그들이 이 운동 중 하나를 수행하는 동안 같은 손가락 운동을 수행하는 손의 비디오를 보여주었다. 이 비디오는 일치된 조건이다. 즉, 관찰된 손가락은 그들이 수행하는 운동과 같은 방향으로 움직였다. 불일치 조건은 그들이 실제 손가락을 움직였던 방향과 관찰된 손가락의 움직임이 반대방향이었다.
그들은 손가락 운동수행이 비디오가 일치된 조건을 보여주었을 때 향상되었던 반면, 그 비디오가 불일치된 조건을 보여주었을 때는 그 운동이 간섭을 받았다는 것을 보여주었다. 대상자들이 어떤 모방하기 위한 의도를 가지지 않고 수동적으로 관찰했다는 사실과 이 관찰이 그 수행을 간섭시켰다는 사실은 모방이 우리 행위시스템의 자동적으로 사용된다는 것에 기초한다. 그것은 우리가 사람의 운동을 주시할 때 또한 우리자신의 운동표상을 암묵적으로 사용한다는 것으로 보여진다. 이들 결과들은 잘 알려진 "반향효과(echo effect)"를 확인해준다. 그것은 두 사람이 각각 서로의 움직임을 반영(mirror)할 때 관찰되어질 수 있다. 다른 사람이 그의 다리를 꼬고 앉을 때 그렇게 할려는 의도가 없음에도 불구하고 자신의 다리를 꼬게되는 것을 예로 들수 있다. 그것은 수행과 관찰사이의 이런 커플링이 일상생활에서 중요한 결과를 가진다는 것을 주장할 수 있다.
첫 번째, 이들 결과들은 우리가 다른 사람행동의 의미를 이해하기 위하여 우리자신의 행위시스템을 사용할 수 있다는 것을 제시한다. 또 다른 사람에 의해서 수행된 것과 같은 지각된 행위를 모사함으로써, 그것은 그 행위의 잠재적인 결과를 예측하고 그에 따른 자신의 행동을 변화시킬려는 가능성이 있다. 이런 관점에서 행위관찰은 우리에게 다른 사람과 상호작용을 할 수 있게 해줌에 따라 명확한 사회적 기능을 가진다. 두 번째, 우리는 새로운 행위를 배우는 것에 이런 공유된 행위시스템을 사용할 수 있다. 더군다나 연구는 매우 어린 아이들이 자신의 부모가 하는 방식을 관찰하는 것으로 학습을 한다는 것과 다른 사람의 관찰된 행위와 자신의 행위시스템을 비교분석할 수 있다는 것을 보여주었다. 따라서 행위지각은 새로운 운동의 학습을 가능하게 한다.
MIRROR NEURONES
위에서 언급된 결과들은 운동상상, 운동관찰, 운동수행이 신경조절처리를 공유하는 현상과 밀접하게 관련된다는 것을 보여주고있다. 비록 수행, 관찰 운동상상 사이의 차이가 존재하긴 하지만, 이들 결과들은 행위조절에서의 역할 뿐 아니라 상상과 관찰에서도 역할을 하는 자기 자신의 신체적 행위의 표상에 포함되는 전체시스템이 존재한다는 것을 제시해준다. 거울신경이 이런 처리에서 중요한 역할을 할 것이라 주장되어왔다.
거울신경은 원숭이에서 처음 발견되었다. Rizzolatti et al.은 전운동피질에 해당하는 원숭이의 F5영역에 있는 세포군이 원숭이가 땅콩으로 팔을 뻗을 때 발화했다는 것을 발견하였다. 또한 이 신경세포는 실험자가 땅콩으로 빨을 뻗는 것을 원숭이가 보았을 때 조차 발화하였다. 땅콩이 스크린 뒤로 감춰지고 실험자가 그 스크린 뒤의 사물로 팔을 뻗었을 때에도 같은 신경이 발화하였다. 그러나 스크린이 설치되기전에 땅콩이 제거되었을 경우 이들 신경은 발화하지 않았다. 이들 결과들은 거울신경이 행위목적을 부호화하는 것에 포함된다는 것을 제시한다. 다시 말하면, 거울신경은 의도적인 행동과 관련되고 다른 사람의 행위를 이해하는 것에 포함되는 것으로 보인다. 거울신경이 인간에게도 존재한다는 것을 보여주었고 비록 지금까지 거울신경이 이들처리과정에서 작용하는 정확한 역할이 완전히 밝혀지지는 않았지만 많은 연구자들은 거울신경이 (운동)학습에 작용할 것이라고 믿고있다.
REHABILITATION: CLINICAL EVIDENCE
지금까지 운동상상 이면에 있는 신경기전은 완전히 이해되지는 않았지만 우리는 우리의 행위시스템을 on-
line 행위(실행) 뿐 아니라 off-line 행위(상상, 관찰)도 사용한다는 것은 확실하다. 더군다나 그것은 우리가 이런 off-line 행위 시스템을 사용하여 우리 운동을 향상시킬 수 있다는 것을 보여주고 있다. 스포츠과학에서 특히 1인칭관점으로 상상할 때 반복된 운동상상은 운동의 학습을 촉진할 수 있다는 것을 보여주고있다. 운동상상훈련의 긍정적인 효과는 스포츠영역 이외에서도 설명되고있다. 예를 들면, Yue & Cole은 운동상상훈련 이후 근력이 증가되었다는 것을 보여주었다.
더 최근에는, Mulder et al.은 실험 참가자들이 다른 발가락의 움직임 없는 모지 외전을 운동상상을 통하여 학습할 수 있다는 것을 보여주었다. 이 실험에서 대상자들은 운동상상을 훈련하는 그룹, 신체적인 훈련을 하는 그룹과 아무런 훈련도 하지않은 대조군에 무작위로 배치되었다. 그 실험에서 운동상상이 발가락을 외전시키는 능력을 유의하게 향상시켰던 반면, 대조군은 어떤 향상도 보이지 않았다고 나타났다. 더군다나, 운동상상은 실험을 시작할 때 이미 발가락을 외전시킬 수 있는 능력이 조금이나마 있었던 대상자에서만 발가락 운동의 향상을 보였고 발가락을 외전시키기가 불가능했던 대상자들에게서는 향상을 보이지 않았다. 이들 결과들은 운동의 표상이 효과적인 운동상상훈련을 위해서는 꼭 존재하고 있어야 한다는 것을 제시한다.
비록 스포츠과학 분야에서 운동상상훈련에 대한 많은 보고들이 있긴하지만, 재활분야에서 운동상상을 사용하는 임상연구들은 아주 부족하다. 관찰과 모방의 치료적 사용에서도 이와 마찬가지이다. 우리는 재활을 위한 이들 처리를 사용한 어떤 연구도 알지못한다. 진행중인 Buccino et al.의 연구에서는 뇌졸중재활에서 관찰치료를 하여 어느정도 향상된 결과를 보여주었다. 그러나 이들 결과들은 예비결과이고 실험이 완료되었을 때 확인되어져야할 필요가 있다. 따라서 다음 섹션에서 우리는 운동상상과 관련해서 존재하는 실증적인 결과들에 우선적으로 초점을 맞출것이다.
그러나 그 이전에 운동상상과 밀접한 Altschuler et al.의 연구를 살펴볼 것이다. 뇌졸중 환자들은 거울장치를 사용하여 자신의 마비된 팔을 사용하는 훈련을 받았다. 거울은 환자의 앞 신체 중앙선 근처 테이블 위에 놓여졌다. 거울치료에서 한쪽 사지의 반영은 다른 사지 움직임을 바라보는 것과 같은 환영을 준다. 사지운동의 이런 환영은 Ramachandran et al.이 환상지 통증을 치료하기 위하여 처음으로 사용되었고 편마비 뇌졸중환자를 훈련하기 위한 가치있는 도구로 사용될 수도 있을 것이다.
Althschuler et al.의 연구에서 뇌졸중환자들은 손상된 팔과 건강한 팔 모두 같은 방식으로 자신의 팔을 동시에 움직이라는 지시를 받았다. 자신들의 팔을 움직이는 동안 그들은 거울을 통하여 반영된 자신의 건강한 팔을 바라보았다. 이것은 정상적으로 움직이는 팔을 가지는 환영을 유발한다. 많은 환자들이 실제로 운동패턴에 문제가 있었던 손상된 팔이 정상적인 방식으로 느껴지는 환영을 보고하였다는 것은 흥미로운 일이다. 사실 엄밀한 의미에서 관찰연구나 운동상상연구는 아니지만 중요한 변화가 거울에 반영된 팔의 환영에 의해서 발생된 정보에 따라서 발생되었다는 것을 보여주었다. 이런 환영은 관찰 또는 운동상상에서와 같은 방식으로 행위시스템을 점화하는 것으로 보인다. Page et al.의 연구는 뇌졸중환자들이 운동상상 중재에 따라 영향을 받을 수 있다는 것을 보여준 최조의 무작위조절 연구이었다. 10명의 뇌졸중환자들은 6주간, 일주일에 3번씩, 한 시간의 물리치료를 받았다. 이들 중 8명은 추가적으로 운동상상훈련을 받았고, 5명은 뇌졸중에 대한 일반적인 중재를 받았다. 접촉시간은 양쪽 그룹에 동일하였다. 그들은 운동상상훈련을 받았던 환자들이 운동손상 검사에서 더 유의한 향상이 나타났다는 것을 보여주었다. 이 연구에서 환자들은 뇌졸중 이후 2개월에서 11개월까지 비교적 이른시기의 뇌졸중 환자들이었다. 그것은 정체된 운동상태를 가지는 만성 뇌졸중환자가 운동상상훈련 이후에도 향상될 수 있을지에 대한 의문을 제기한다.
또 다른 Page et al.의 연구는 이런 질문을 검증하였다. 1년된 6명의 뇌졸중환자들은 정신훈련(운동상상)과 결합된 물리치료를 6주 동안 받았고 이완운동과 결합된 물리치료를 받은 대조군의 손기능 향상과 비교하였다. 이완 훈련과 결합된 물리치료를 받은 그룹에 비해서 물리치료와 결합된 운동상상훈련을 받은 그룹에서 팔의 기능과 일상생활의 팔사용이 더 향상되었다는 것을 보여주었다. 이 연구는 환자들이 뇌졸중이후 일년이 지난 경우이거나 정체된 운동결손을 보일지라도 운동회복이 가능하다는 것을 보여준다.
Liu et al.은 3주 동안 하루에 한 시간씩 물리치료와 정신상상훈련을 받은 뇌졸중환자 26명의 그룹이 물리치료사로부터 추가적인 도움을 받은 20명의 뇌졸중환자 대조군보다 일상생활과 관계된 과제에서 보다 더 유의하게 향상되었다는 것을 보여주었다. 그러나 그들이 받았던 중재는 기본적인 운동기술을 재학습시키는 글을 목적으로 하지 않았다. 그들의 중재는 세탁물을 접어 넣는 것에 필요한 단계와 같은 일상생활 과제를 해결하는 동안 연속적인 운동을 학습하는 것을 강화했다. 이 연구에는 운동학적 이미지를 형성하거나 1인칭관점의 상상을 사용하는 특정한 지시가 없었다. 이것은 이들 환자들이 운동감각적 상상을 사용한 것이 아니라 3인칭관점 또는 시각적 상상으로 상상을 사용했다는 것을 제시한다. 비록 그들이 일상생활과제에서 유익한 효과를 보였지만 Fugl-Meyer 검사에서 그룹들 간 운동수행에서 유의한 차이는 보이지 않았다. 더욱이 정신상상 그룹 환자에게서 색깔 시행검사인 주의처리를 측정한 신경심리학적 과제에서 향상을 보였다. 또한 그것은 정신적 상상훈련 이후 주의처리 능력이 증가될 수 있다는 것을 제시한다. 이것은 시각적 상상이 운동의 인지적인 측면과 계획적인 측면을 재교육시키는 것에 더 많이 사용될 수 도 있는 반면, 운동감각적 상상은 기초적인 운동기술의 회복을 잠재적으로 이끌 수 있다는 것을 제시한다. 그러나 이런 주장은 단지 단일한 연구에서만 알려주는 것이다. 1인칭 운동상상과 3인칭 운동상상의 다양한 효과는 여전히 추후 연구에서 풀어야할 질문이다.
몇몇 다른 연구들은 뇌졸중 이후 운동회복에서 운동 상상훈련의 유익한 효과를 보여주고있다. 그러나 사용된 방법과 연구설계는 연구들 간에 상당히 다양하고, 따라서 그것들을 비교하는 것은 극히 어렵고 위험스럽다. 지금까지 운동상상 연구들의 대부분은 사례연구 또는 통제되지 않은 적은 표본을 가진 연구들이라는 특징이 있다. 또한 사용된 훈련방법은 아주 다양하다. 몇몇 연구들은 병원에서 치료적 중재로 유도된 상상 세션을 사용했던 반면 다른 연구들에서 환자들은 작성된 지시의 도구를 사용하여 가정에서 훈련을 해야했다. 몇몇 연구들은 본 논문에서 우리에 의해서 정의된 운동상상을 사용하지 않았고 더 많은 시각적 상상훈련 전략을 사용한 것으로 보인다. Sharma et al.에 의한 고찰은 지금까지 단 5개 연구들 만이 방법론적으로 잘 설계되었다는 것을 보여주었다. 그들은 운동상상의 결과들이 뇌졸중 재활에서 상당히 낙관적이라는 것을 보여주었지만 아직 확정적인 결론을 지을 수 없다고 결론내렸다.
MEASURING MOTOR IMAGERY ABILITY
운동상상 능력을 정확하게 측정하는 것을 실패한 것은 모든 보고된 운동상상 연구들의 주요 제한점이다. Sirigu et al.의 연구는 왼쪽 두정엽의 손상이 운동상상 능력에 영향을 줄 수 있다고 제시하고 있다. 몇몇 임상연구들에서 운동상상 능력의 손상을 가진 환자들이 혼란스런 결과로 이어지는 것이 쉽게 나타났다. 뇌졸중 환자 40명을 대상으로 한 우리의 이전 연구결과들은 환자들 중 약 18%가 그들 자신의 운동능력에 선택적으로 손상을 받았던 반면, 약 40%는 운동상상과 시각적 상상에 동시에 손상을 받았다는 것을 보여주고있다. 더군다나 어떤 환자들이 운동상상훈련으로 가장 이익을 얻을 수 있고 몇몇 환자들은 왜 운동을 상상할 수 없는가 하는 것은 아직까지 명확하지 않다. 뇌졸중 환자에서 운동상상훈련의 결과와 상상능력 사이의 상관관계는 아직까지 연구되지 않고있다. 그러므로 뇌졸중 환자가 상상치료를 시작하기 이전에 운동을 상상할 수 있는지를 알아내는 것이 임상적으로 적절해 보인다. 운동상상 능력을 측정하는 것에 종종 사용된 3가지 방법이 있다; 설문지(Motor Imagery Questionnaire: MIQ, VIvidness of Movement Imagery Questionnaire: VMIQ), 심리시간 분석법, 컴퓨터 과제
Questionnaires
운동상상 능력은 Motor Imagery Questionnaire: MIQ 또는 VIvidness of Movement Imagery Questionnaire: VMIQ와 같은 설문지를 사용하여 종종 측정된다. VMIQ에서 대상자들은 걷기 또는 뛰어오르기와 같은 측정한 운동을 상상할수 있는가를 응답해야한다. 그들은 정신적 상상을 1에서 5점 사이 점수로 평정해야한다. 이들 설문지들은 1인칭관점, 운동감각적 상상, 3인칭관점이 나눠져 있다. 비록 자주 사용되긴 하지만, 그 점수는 주관적으로 추정된 능력을 반영한다. 결과들이 측정하기로 한 것을 해석하기 어렵고 그것을 항상 반영할지도 모른다는 것 때문에 뇌졸중 재활에서 이들 설문지를 사용하는 것은 뇌손상 바로 그 자체의 본성에 의해서 더 복잡해진다.
Mental chronometry
누군가의 운동상상 능력을 검사하는 또 다른 방법은 심리시간 분석법을 이용하는 것이다. 심리시간 분석법은 인지처리에 대한 지속시간을 측정하는 것으로 알려져있다. 심리시간 분석법은 정신적으로 수행된 운동의 지속시간이 실제 수행된 운동의 지속시간과 더 길거나 짧다는 것에 기반을 둔다. 예를 들면 Decety & Boisson은 편마비 뇌졸중 환자와 척수손상 환자에게서 사인하기, 정육면체 그리기, 뜀뛰기 운동의 상상시간과 실제시간을 측정하였다. 그들은 뇌졸중 환자의 비손상측으로 수행된 운동의 상상에서 보다 마비측으로 수행된 운동상상이 상당히 느렸다는 것을 보여주었다. 편마비측의 운동상상은 손상된 사지의 실제 운동과 마찬가지로 느려졌다. 비손상측의 운동상상은 전혀 느려지지 않았다. 상상된 운동시간과 실제 손상된 운동시간 사이의 비교는 실제 수행에서 on-line으로 사용된 운동시스템이 운동상상을 할 때도 사용되었다는 것을 제시한다. 또한 같은 운동에 대한 반복된 측정에서 일관된 지속시간은 운동상상에 대한 믿을만한 좋은 지표이다.
Computer tasks
촉망되는 세 번째 방법은 정신회전 패러다임에 기반을 둔 컴퓨터 과제를 이용하는 것이다. 정신회전 과제는 사진을 정신회전하는 시간이 그 사진의 각회전에 따라 달라진다는 것에 기반을 둔다. 본 논문에서 앞서서 논의했던 예는 손의 재인과제를 사용하는 것이다. 이 과제에서 다양한 방향을 가진 손의 사진들이 컴퓨터 스크린에 보여진다. 환자들은 그 사진이 오른손인지 아니면 왼손인지 둘 중 하나를 가능한한 빨리 눌러서 결정해야한다. 반응시간과 정확도는 이들 컴퓨터 키를 눌러서 수집된다. 본 논문에서 일찍 보여준 것처럼, 반응시간은 각도에 의존한다는 것을 보여주었지만 그 보다도 중요한 것은 비신체적 자극과 비교했을 때 반응시간이 생체역학적 제약에 따라 달라진다는 것이다. 즉 생체역학적으로 어려운 방향에 대한 반응이 생체역학적으로 쉬운 회전에 대한 반응시간보다 더 느려졌다는 것이다. 이런 사실은 운동시스템이 이 과제를 풀기위하여 암묵적으로 사용된다는 것을 가리킨다. 신경학적 환자를 대상으로 이런 종류 과제의 다양한 버전을 성공적으로 사용한 연구는 몇몇 되지 않는다.
MOTOR IMAGERY AND NEURAL REORGANIZATION
만약 운동상상훈련이 과제수행에서 유의한 변화를 가져온다면, 정상적(신체적) 훈련과 같은 신경학적 수준에서 재조직화가 일어난 것이라 추정해 볼 수 있겠다. 상상과 관련된 신경학적 재조직화를 보고하는 연구들은 정말 얼마되지 않는다. 유명한 Pascual-Leone et al.의 연구는 손가락 운동에 대한 운동상상이 실제 신체 훈련과 같은 재조직화의 변화를 가져왔다는 것을 보여주었다. 대상자들은 피아노 키보드에서 한손으로 5개 손가락의 연속적인 움직임을 배웠다. 한 그룹은 신체적으로 이 과제를 훈련하였고 또 다른 한 그룹은 운동상상으로 그 과제를 연습하였다. 대상자들은 하루에 2시간 씩 연속적으로 5일간 훈련받았다. 각 훈련세션 이후, 손가락의 운동피질 지도가 변화될 수 있는지를 알아보기 위하여 TMS를 사용하였다. 그 연구는 운동수행에서 획득된 향상이 손가락에 대한 피질 운동지도에서 변화를 반영한다는 것을 보여주었다.
유사한 결과들이 많은 최근 신경영상 연구들에서 보고되고 있다. Jackson et al.은 소뇌에서 같은 변화들이 정신훈련과 신체적 훈련에서 관찰되었다는 것을 보여주었다. 소뇌의 재조직화는 Lacourse et al.의 연구에서도 관찰되었다.
CONCLUSION
여기서 고찰된 문헌을 통하여 관찰-기반 훈련과 상상훈련은 뇌졸중이후 운동재활을 위한 새로운 방법으로 가치가 있다는 것을 보여주었다. 비록 기저에 있는 기전이 아직 명확하게 밝혀진 것을 아니지만 운동상상, 운동관찰, 운동수행이 같은 신경처리에 의존한다는 증거가 있다. 추후연구는 운동회복과 암시적 행위표상 처리에서 1차운동영역의 역할에 특히 주의를 귀울여야 할 것이다. 더군다나 신경 재조직화가 신체적 훈련에 따라 발생되어지는 것과 같은 방식으로 이루어 질 것이라는 것을 보여주고 있다.
첫 번째 임상연구들은 운동상상훈련이 긍정적인 방식으로 운동회복에 영향을 준다는 것을 제시하고 있다. 뇌졸중 이후 급성환자와 만성환자 모두 운동상상 훈련을 통하여 유익한 효과를 보여주었다.
지금까지, 뇌졸중 이후 운동회복에 대한 관찰에 기반을 둔 학습에 관한 보고는 부족하다. 운동상상에 관한 임상적 연구와 사용된 중재의 설계는 매우 각양각색이다. 뿐만 아니라 거의 모든 연구들이 매우 적은 표본크기를 가지고 있다. 따라서 뇌졸중 이후 운동상상에 대한 "가장 좋은 훈련의 가이드라인"에 대해서 어떤 전체적인 결론을 내리기가 불가능하다. 더군다나 상상능력과 운동회복과의 관계는 아직 보고되지 않고 있다.
Liu et al.의 연구는 다양한 상상훈련 전략들이 뇌졸중 이후 운동재활 분야에서 다양한 측면을 잠재적으로 향상시킬 수 있다는 것을 보여주었다. 시각적 전략인 3인칭관점이 새로운 기술의 재학습을 향상시키는 것에 중요할지도 모르는 반면, 운동감각적 상상이 실제 운동협응처리의 회복에 역할을 할 수 있을지도 모른다. 재활 상황 이외에서 오는 증거는 운동협응과 타이밍이 3인칭관점을 사용하는 것 보다 1인칭관점을 사용하는 것이 더 좋은 학습효과를 가져온다는 생각을 지지하는 것으로 보인다. 3인칭관점은 운동의 형태를 강조하는 운동과제의 수행을 더 좋게 할 것이다. 운동감각적 상상과 시각적 상상 사이의 해리와 다양한 신경처리가 이들 과정을 조절한다는 것을 알게된 사실은 이들 가설을 지지하는 것으로 보인다. 이것은 3인칭관점의 상상과 1인칭관점의 상상이 치료의 목적에 따라 재활 상황에서 다양하게 사용되어져야 한다는 것을 제시한다. 그러나 운동감각적 상상과 시각적 상상사이의 상관관계와 운동학습에서 그들의 관계는 아직 완전히 이해되지 않고있고 이들 모든 방법의 다양한 사용은 더 많은 연구를 요구한다.
따라서 본 논문에서 고찰된 증거들을 기반으로 운동상상과 운동관찰의 사용이 정당화 될 것으로 보인다. 이런 정당화는 강력한 증거기반의 임상적 결과들이 부족하기 때문에 일차적으로 이론적 근거에 기반을 둔다. 임상적 연구 결과들이 몇 년 이내에 나타날 것이라 기대해 본다. 우리는 본 논문이 신경과학에 기반을 둔 신경학적 재활의 더 많은 발전에 조금이나마 기여길 바란다.
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