We investigated the activation of the cerebral cortex during active movement, passive movement, and functional electrical stimulation (FES), which was provided on wrist extensor muscles. A functional magnetic resonance imaging study was performed on 5 healthy volunteers. Tasks were the extension of ...
We investigated the activation of the cerebral cortex during active movement, passive movement, and functional electrical stimulation (FES), which was provided on wrist extensor muscles. A functional magnetic resonance imaging study was performed on 5 healthy volunteers. Tasks were the extension of right wrist by active movement, passive movement, and FES at the rate of .5 Hz. The regions of interest were measured in primary motor cortex (M1), primary somatosensory cortex (SI), secondary somatosensory cortex (SII), and supplementary motor area (SMA). We found that the contralateral SI and SII were significantly activated by all of three tasks. The additional activation was shown in the areas of ipsilateral S1 (n=2), and contralateral (n=1) or ipsilateral (n=2) SII, and bilateral SMA (n=3) by FES. Ipsilateral M1 (n=1), and contralateral (n=1) or ipsilateral SII (n=1), and contralateral SMA (n=1) were activated by active movement. Also, Contralateral SMA (n=3) was activated by passive movement. The number of activated pixels on SM1 by FES ($12{\pm}4$ pixels) was smaller than that by active movement ($18{\pm}4$ pixels) and nearly the same as that by passive movement ($13{\pm}4$ pixels). Findings reveal that active movement, passive movement, and FES had a direct effect on cerebral cortex. It suggests that above modalities may have the potential to facilitate brain plasticity, if applied with the refined-specific therapeutic intervention for brain-injured patients.
We investigated the activation of the cerebral cortex during active movement, passive movement, and functional electrical stimulation (FES), which was provided on wrist extensor muscles. A functional magnetic resonance imaging study was performed on 5 healthy volunteers. Tasks were the extension of right wrist by active movement, passive movement, and FES at the rate of .5 Hz. The regions of interest were measured in primary motor cortex (M1), primary somatosensory cortex (SI), secondary somatosensory cortex (SII), and supplementary motor area (SMA). We found that the contralateral SI and SII were significantly activated by all of three tasks. The additional activation was shown in the areas of ipsilateral S1 (n=2), and contralateral (n=1) or ipsilateral (n=2) SII, and bilateral SMA (n=3) by FES. Ipsilateral M1 (n=1), and contralateral (n=1) or ipsilateral SII (n=1), and contralateral SMA (n=1) were activated by active movement. Also, Contralateral SMA (n=3) was activated by passive movement. The number of activated pixels on SM1 by FES ($12{\pm}4$ pixels) was smaller than that by active movement ($18{\pm}4$ pixels) and nearly the same as that by passive movement ($13{\pm}4$ pixels). Findings reveal that active movement, passive movement, and FES had a direct effect on cerebral cortex. It suggests that above modalities may have the potential to facilitate brain plasticity, if applied with the refined-specific therapeutic intervention for brain-injured patients.
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문제 정의
따라서 본 연구는 정상인을 대상으로 오른쪽 상지의 손목관절 신전근에 능동운동과 외부적 자극인 수동운동 및 기능적 전기자극을 적용하여 대뇌 피질이 활성화되는 양상을 분석하여 뇌손상 환자에게 가장 많이 적용되는 이들 각각의 자극이 대뇌피질에 어떤 영향을 미치는지 규명하고자 하였다.
제안 방법
5 ㎐의 빈도로 연구대상자에 따라 서로 다른 순서로 시행하였다. 각 과제는 5분 이상의 간격을 두고 시행하였으며 모든 과제에서 손목관절 신전이 60˚, 굴곡이 30˚가 되도록 하였다. 전기자극은 2채널의 기능적 전기자극기1)를 이용하여 단상 구형파를 200 ㎲의 펄스폭과 30 ㎐의 주파수로 오른쪽 손목관절 신전근을 자극하였고 음극은 항상 근위부에 부착하였다.
기능적 자기공명 실험은 15초 동안의 휴식기와 같은 시간의 자극기가 3번 되풀이되는 블록 패러다임(block paradigm)으로 고안하였다. 실험이 진행되는 동안 각 연구대상자들의 움직임을 최소화하기 위하여 특수 제작된 몸통 고정틀에 의하여 연구대상자의 몸통을 스캐너(scanner)의 침상에 단단히 고정시켰고 머리를 접착테이프로 실험에 방해가 되지 않는 범위 내에서 단단히 고정시켰으며 눈가리개를 이용하여 눈을 가렸다.
손목관절에 능동운동, 수동운동 및 기능적 전기자극의 세 가지 자극을 적용할 때 대뇌피질 활성화 정도를 비교하기 위해 자극 빈도, 운동 각도를 동일하게 하여 일차 운동피질과 일차 체성감각피질의 활성화를 비교하였다. 세 가지 자극을 적용할 때 반대측 일차 감각운동피질의 활성화가 모두 관찰되었는데, 활성화 정도는 능동운동을 시행하였을 때 가장 많이 활성화되었고, 수동운동과 기능적 전기자극을 시행하였을 때 대뇌피질 활성화 정도는 비슷하게 관찰되었다.
기능적 자기공명 실험은 15초 동안의 휴식기와 같은 시간의 자극기가 3번 되풀이되는 블록 패러다임(block paradigm)으로 고안하였다. 실험이 진행되는 동안 각 연구대상자들의 움직임을 최소화하기 위하여 특수 제작된 몸통 고정틀에 의하여 연구대상자의 몸통을 스캐너(scanner)의 침상에 단단히 고정시켰고 머리를 접착테이프로 실험에 방해가 되지 않는 범위 내에서 단단히 고정시켰으며 눈가리개를 이용하여 눈을 가렸다. 오른쪽 상완은 상완 고정틀로 고정하였고 손에는 수술용 고무장갑을 착용시킨 후 접착테이프를 연결하여 손에 감각자극 없이 수동운동이 가능하도록 장치하였다.
얻어진 데이터는 STMULATE3)를 이용하여 일차 감각운동피질(primary sensorimotor cortex, SM1), 전운동영역(premotor area), 보조운동영역(supplementary motor area, SMA)과 이차 체성감각피질 (secondary somatosensory cortex, SII)로 설정한 관심영역(region of interest)을 중심으로 분석하였다. 기능적 자기공명영상 중에서 수직자화가 안정적인 부분 포화에 도달하기 전에 얻어지는 영상의 영향을 제거하기 위하여 60개의 입체영상 중 처음 3개의 입체 영상은 분석에서 제외하였다.
실험이 진행되는 동안 각 연구대상자들의 움직임을 최소화하기 위하여 특수 제작된 몸통 고정틀에 의하여 연구대상자의 몸통을 스캐너(scanner)의 침상에 단단히 고정시켰고 머리를 접착테이프로 실험에 방해가 되지 않는 범위 내에서 단단히 고정시켰으며 눈가리개를 이용하여 눈을 가렸다. 오른쪽 상완은 상완 고정틀로 고정하였고 손에는 수술용 고무장갑을 착용시킨 후 접착테이프를 연결하여 손에 감각자극 없이 수동운동이 가능하도록 장치하였다.
이렇게 선택한 각 연구대상자의 결과에서 관심영역 안에서 활성화된 최소 클러스터(≥4화소) 미만의 클러스터들은 제외하여도 본 논문의 결과에 영향을 주지 않기 때문에 이들은 뇌지도화 그림에서 제외하였다. 이 결과를 이용하여 오른쪽 손목관절 신전에 대한 능동운동, 수동운동 및 기능적 전기자극에 의한 대뇌피질의 활성화 위치를 알아보고 활성화 정도를 화소수를 측정하여 서로 비교하였다.
5 s)으로 각 휴식기와 과제수행기에 10개의 입체영상을 획득하는 본 연구에서는 결과에 많은 영향을 주었다. 이를 개선하기 위해서 각 epoch당 얻어진 10개의 영상에서 처음 2~3개를 분석에서 제외하는 대신, 다음 epoch의 첫 번째나 두 번째 영상을 포함시키거나 제외하면서 분석하여 원래 과제에 따라 10개 영상을 모두 포함하여 분석한 결과와 비교하여 좋은 것을 선택하였다. 통계처리는 Student t-test(p<.
각 과제는 5분 이상의 간격을 두고 시행하였으며 모든 과제에서 손목관절 신전이 60˚, 굴곡이 30˚가 되도록 하였다. 전기자극은 2채널의 기능적 전기자극기1)를 이용하여 단상 구형파를 200 ㎲의 펄스폭과 30 ㎐의 주파수로 오른쪽 손목관절 신전근을 자극하였고 음극은 항상 근위부에 부착하였다. 각 연구대상자의 자극 강도는 자기공명 스캐너(MR scanner) 밖에서 결정하였다.
정상인 5명을 대상으로 손목관절 신전근에 능동운동, 수동운동 및 기능적 전기자극을 시행하며 대뇌피질의 활성화 정도를 기능적 자기공명영상을 이용하여 연구한 결론은 다음과 같다.
대상 데이터
5T MR scanner2)에서 두부코일을 사용하여 single-shot Echo Planar Imaging(EPI)으로 Blood Oxygen Level-Dependent(BOLD) 기법을 적용하였다. 각 연구대상자의 오른쪽 손을 대상으로 위에서 언급한 세 가지 과제에 대하여 휴식기와 운동수행기에 각각 10개의 횡단면 EPI-BOLD mosaic 영상(TR/TE/α 1500 msec/6 msec/90˚, Field Of View 210 ㎜, matrix 64×64 ㎜, 절편 수 10, 절편두께 5 ㎜)을 획득하였다. 따라서 각 과제에 대하여 60개의 입체영상을 획득하였다.
각 연구대상자의 오른쪽 손을 대상으로 위에서 언급한 세 가지 과제에 대하여 휴식기와 운동수행기에 각각 10개의 횡단면 EPI-BOLD mosaic 영상(TR/TE/α 1500 msec/6 msec/90˚, Field Of View 210 ㎜, matrix 64×64 ㎜, 절편 수 10, 절편두께 5 ㎜)을 획득하였다. 따라서 각 과제에 대하여 60개의 입체영상을 획득하였다. 해부학적 영상은 고식적 스핀반향기법을 사용하여 T1 강조영상을 얻었다.
데이터처리
이를 개선하기 위해서 각 epoch당 얻어진 10개의 영상에서 처음 2~3개를 분석에서 제외하는 대신, 다음 epoch의 첫 번째나 두 번째 영상을 포함시키거나 제외하면서 분석하여 원래 과제에 따라 10개 영상을 모두 포함하여 분석한 결과와 비교하여 좋은 것을 선택하였다. 통계처리는 Student t-test(p<.001)를 이용하였으며 화소의 활성도는 2% 이상으로 하였다(Bandettini 등, 1993; Friston 등, 1995). 또한 본 연구에서는 활성화된 클러스터 중 크기가 4화소 이상인 것만을 뇌지도에 나타내어 활성화에 대한 공간적 확실성을 높였다.
이론/모형
기능적 자기공명영상은 1.5T MR scanner2)에서 두부코일을 사용하여 single-shot Echo Planar Imaging(EPI)으로 Blood Oxygen Level-Dependent(BOLD) 기법을 적용하였다. 각 연구대상자의 오른쪽 손을 대상으로 위에서 언급한 세 가지 과제에 대하여 휴식기와 운동수행기에 각각 10개의 횡단면 EPI-BOLD mosaic 영상(TR/TE/α 1500 msec/6 msec/90˚, Field Of View 210 ㎜, matrix 64×64 ㎜, 절편 수 10, 절편두께 5 ㎜)을 획득하였다.
따라서 각 과제에 대하여 60개의 입체영상을 획득하였다. 해부학적 영상은 고식적 스핀반향기법을 사용하여 T1 강조영상을 얻었다. 해부학적 영상의 절편수, 절편의 위치와 두께, Field Of View는 EPI 영상과 동일하게 하였으며, matrix는 128×128로 하였다.
성능/효과
능동 및 수동 운동, 기능적 전기자극 모두 통계학적 유의도(p<.001)와 활성도(>2%)에서 반대측 일차 감각운동피질의 활성화를 보였고 각각 18±4 화소, 13±4 화소, 12±4 화소를 보였다. 일차 감각운동피질의 활성화는 상위로부터 3번째에서 5번째 영상절편까지 중 전부 또는 일부에서 관측되었다.
우측 손목관절 신전근에 대한 기능적 전기자극에 의해 3, 4, 5번째 영상절편 모두에서 일차 감각운동피질이 활성화되었다. 능동운동과 수동운동에 비해 기능적 전기자극을 적용한 결과 더 많은 영상절편에 걸쳐 대뇌피질의 활성화가 관찰되었으나, 능동운동과 수동운동을 시행한 결과 각각 5번째와 3번째 영상절편에서 대뇌피질의 활성화가 관찰되지 않았다.
그림 1은 연구대상자 3의 우측 손목관절에 능동운동(A), 수동운동(B) 및 기능적 전기자극(C)을 적용한 후 좌측 대뇌피질이 활성화되는 양상을 보여주고 있다. 능동운동에서는 3번째와 4번째의 영상절편에서, 수동운동에서는 4번째와 5번째 영상절편에서 일차 감각운동피질이 활성화됨을 관찰하였다. 우측 손목관절 신전근에 대한 기능적 전기자극에 의해 3, 4, 5번째 영상절편 모두에서 일차 감각운동피질이 활성화되었다.
둘째, 반대측 일차 감각운동피질은 능동운동에 의해 가장 많이 활성화되었으며, 수동운동과 기능적 전기자극 시에는 비슷한 정도로 활성화되었다.
또한 연구대상자들에게 보내는 운동의 시작과 끝을 알리는 신호시간의 불일치, 연구대상자가 신호에 반응하기까지의 시간 지연, 생리학적인 원인 등의 이유 때문에 대뇌피질 활성화의 시작점과 끝점이 패러다임에 의해 정해진 시간과 0~3개의 입체영상을 얻는데 걸리는 시간만큼 차이를 나타낸다. 따라서 이러한 영향을 고려하지 않을 경우 비교적 짧은 반복시간(TR=1.5 s)으로 각 휴식기와 과제수행기에 10개의 입체영상을 획득하는 본 연구에서는 결과에 많은 영향을 주었다. 이를 개선하기 위해서 각 epoch당 얻어진 10개의 영상에서 처음 2~3개를 분석에서 제외하는 대신, 다음 epoch의 첫 번째나 두 번째 영상을 포함시키거나 제외하면서 분석하여 원래 과제에 따라 10개 영상을 모두 포함하여 분석한 결과와 비교하여 좋은 것을 선택하였다.
001)를 이용하였으며 화소의 활성도는 2% 이상으로 하였다(Bandettini 등, 1993; Friston 등, 1995). 또한 본 연구에서는 활성화된 클러스터 중 크기가 4화소 이상인 것만을 뇌지도에 나타내어 활성화에 대한 공간적 확실성을 높였다. 이렇게 선택한 각 연구대상자의 결과에서 관심영역 안에서 활성화된 최소 클러스터(≥4화소) 미만의 클러스터들은 제외하여도 본 논문의 결과에 영향을 주지 않기 때문에 이들은 뇌지도화 그림에서 제외하였다.
손목관절에 능동운동, 수동운동 및 기능적 전기자극의 세 가지 자극을 적용할 때 대뇌피질 활성화 정도를 비교하기 위해 자극 빈도, 운동 각도를 동일하게 하여 일차 운동피질과 일차 체성감각피질의 활성화를 비교하였다. 세 가지 자극을 적용할 때 반대측 일차 감각운동피질의 활성화가 모두 관찰되었는데, 활성화 정도는 능동운동을 시행하였을 때 가장 많이 활성화되었고, 수동운동과 기능적 전기자극을 시행하였을 때 대뇌피질 활성화 정도는 비슷하게 관찰되었다. 본 연구결과는 기능적 신경영상기법(functional neuroimaging studies)을 이용하여 전기자극 또는 고유수용성 감각자극(proprioceptive input)과 같은 감각자극에 의해 일차 체성감각피질뿐만 아니라 일차 운동피질도 활성화됨을 보고한 연구(Alary 등, 1998; Spiegel 등, 1999; Weiller 등, 1996) 결과와 일치하고 있다.
능동운동에서는 3번째와 4번째의 영상절편에서, 수동운동에서는 4번째와 5번째 영상절편에서 일차 감각운동피질이 활성화됨을 관찰하였다. 우측 손목관절 신전근에 대한 기능적 전기자극에 의해 3, 4, 5번째 영상절편 모두에서 일차 감각운동피질이 활성화되었다. 능동운동과 수동운동에 비해 기능적 전기자극을 적용한 결과 더 많은 영상절편에 걸쳐 대뇌피질의 활성화가 관찰되었으나, 능동운동과 수동운동을 시행한 결과 각각 5번째와 3번째 영상절편에서 대뇌피질의 활성화가 관찰되지 않았다.
첫째, 손목관절 신전근에 적용한 능동운동, 수동운동 및 기능적 전기자극을 통해 반대측 대뇌피질의 일차 감각운동피질이 활성화되었다.
후속연구
또한 최근 적용되는 치료 프로그램의 효과와 필요성이 과학적인 증거를 요구하는 시대에서 더욱 필요하다고 생각된다. 따라서 본 연구 결과에서 보여주는 바와 같이 능동 운동과 더불어 수동 운동과 전기자극은 관절 가동 범위의 유지, 근육의 강화와 재교육 뿐 만 아니라 운동신경계와 관여된 대뇌 피질을 자극할 수 있기 때문에 자발적인 근 수축이 일어나지 않은 상태에 있는 뇌손상 환자에게 적용할 때 보다 정확하고 섬세한 정제된 감각 자극을 제공해야 될 것으로 보인다.
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