[논문]기능적 자기공명영상을 이용한 구심성 및 원심성 근 수축에 따른 뇌 활성도 분석

김중선; 김중휘; 박민규; 박지원

기능적 자기공명영상을 이용한 구심성 및 원심성 근 수축에 따른 뇌 활성도 분석
Comparison of Cortical Activation between Concentric and Eccentric Exercise: A Pilot fMRI Study 원문보기

대한물리치료학회지 = The journal of Korean Society of Physical Therapy, v.22 no.2, 2010년, pp.25 - 30

김중선 (대구대학교 재활과학대학 물리치료학과) , 김중휘 (강병원 물리치료실) , 박민규 (영남이공대학 기계.자동차학부) , 박지원 (대구가톨릭대학교 보건과학대학 물리치료학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Purpose: Behavior and movement are accomplished by voluntary contractions of skeletal muscles. There are three types of muscle contractions: concentric, isometric and eccentric. The aim of our study was to determine whether there is a difference in the cortical activation pattern between concentric contraction and eccentric contraction of the wrist extensor muscle. Methods: Four healthy right-handed volunteers without any previous history of physical or neurological illness were recruited. fMRI scanning was done during 4 repeated blocks of concentric and eccentric exercise of the wrist joint. Subjects exercised for 12 seconds and then rested for 12 seconds before beginning the second set of exercises. To determine the excitability of cortical neurons during exercise, voxel count and intensity index were analyzed. Results: For right hand movements, when concentric contractions of the right wrist were done, only the left primary motor area was activated. In contrast, during eccentric contraction, both the primary motor area and secondary motor area were activated. For left hand movements, both concentric and eccentric contractions induced only the supplementary motor cortex and the contralateral primary motor cortex. Conclusion: During eccentric contractions, both the primary motor area and secondary motor area are activated in ipsilateral and contralateral brain areas. Thus, eccentric contractions require more complex and difficult movements than concentric contractions do.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

따라서 본 연구에서는 기능적 자기공명 영상 기법을 이용하여 골격근이 수의적인 원심성 수축과 구심성 수축을 할 때 각각의 방법에서 나타나는 뇌 활성도를 규명하여 그 차이를 비교하고자 하였다.
본 연구는 기능적 자기공명 영상 기법을 이용하여 손목의 신전에서 구심성 수축과 원심성 수축 사이의 운동 수행에 따른 차이점이 나타나는지를 알아보고자 하였다. 운동 수행에 있어 근육의 원심성 수축과 구심성 수축은 인간의 행동과 움직임을 위한 필수적인 요소이며, 기능적 자기공명 영상 기법은 뇌 혈류량의 미세한 변화를 감지할 수 있는 시공간적 해상도가 우수한 측정 도구로써 운동학습, 뇌 손상후의 재조직화, 언어의 발달, 심리 및 인지 기능 등의 다양한 분야에서 인간의 뇌의 활성도를 측정하는데 많이 사용되고 있다.
본 연구는 기능적 자기공명 영상 기법을 통하여 손목 신전근의 구심성 수축 운동과 원심성 수축 운동시 뇌 활성도의 차이를 알아보고자 하였다. 그 결과 우성인 오른손의 운동 수행 시 구심성 수축 운동에서는 오른손의 운동 영역인 좌측의 일차운동영역에서만 활성도가 나타난 반면, 원심성 수축 운동에서는 양측의 일차운동영역과 보조운동영역에서 활성도가 나타났다.

가설 설정

05보다 낮은 수준에서, 범위역치(extent threshold)는 부피소 5개를 기준으로 활성 지도를 얻었다. 이는 생리학적으로 유의미한 결과를 적어도 유의미한 부피소가 5개 이상 있을 경우 활성이 된 것으로 가정하고 통계적 유의성을 검증한 것으로, 각 활성의 p 값은 부피소의 높이역치와 범위역치의 상호작용에 의하여 계산하였다.

제안 방법

운동 수행에 영향을 미치는 시각적 되먹임은 종이를 통하여 제거하였으며, 대상자의 운동 수행을 잘 유지하기 위하여 탁구공만한 크기의 종이로 만든 공을 제공하여 손과 손가락으로 쥐게 하였다.
21 우리는 이러한 기능적 자기공명 영상을 통하여 손목 신전근의 구심성 수축 운동과 원심성 수축 운동을 수행하는 동안 뇌 활성도의 차이를 알아보았다.
조건 간의 비교 시에는 반복제시에 따른 과제 효과와 혈역학반응함수(hemodynamic response function: hrf)에 대한 선형모델을 적용하였으며, 이렇게 구성된 모델과 영상 처리된 결과는 ANOVA를 이용하여 통계 분석하였다. 관심 영역은 일차감각운동피질(primary sensory-motor cortex, SMI1), 전운동영역(premotor area), 보조운동영역(supplementary motor area, SMA), 전두엽(frontal lobe), 두정엽(parietal lobe)으로 설정하였다. 본 연구의 결과 분석은 고정효과모델(fixed effect model)을 이용하여 통계 역치를 부피소 수준에서 정하였으며, 높이역치(height threshold)를 corrected p 값이 0.
운동 수행의 한 주기는 시작 전 준비 구간 3초, 구심성 운동 구간 12초, 휴식 구간 12초, 원심성 운동 구간 12초로 구성하였으며, 손목 신전근의 구심성 운동과 원심성 운동 시 손목 외의 대상작용을 방지하기 위하여 상완을 스트랩으로 체간 옆에 고정시켰다. 구심성 수축 운동을 하기 전의 준비 자세는 손과 손목의 편안한 상태를 유지한 채 손바닥이 바닥에 닿은 자세를 취하도록 하였으며, 준비기간 3초 후, 손목 신전근의 구심성 수축 운동 구간에서 2초에 한 번씩 최대한 빠른 속도로 수축하도록 손목의 신전을 유발하였으며, 총6회 반복하였다. 휴식 구간 이후 시행되는 원심성 수축 운동의 시작 자세는 구심성 수축 운동과 같은 자세에서 손목만 90° 신전한 자세를 유지한 채 시행하도록 하였으며, 원심성 수축 운동 구간에서 ‘시작’이라는 구두 신호와 함께 6초 동안 같은 속도를 유지하면서 손목의 굴곡이 일어나게 원심성 수축을 유발시켰으며, 총2회 반복하였다.
대상자는 MRI scanner 안에서 바로 누운 자세로 오른쪽 손목의 구심성 수축 운동과 원심성 수축 운동을 수행하는 동안 체간의 움직임을 없애기 위해 vacuum beandage pillows (Olympic Medical, 미국) 로 머리와 목, 어깨, 팔을 수평면 상에 고정시켰다.
미국) 환경에서 구현되는 SPM 8(Statistical Param1etric Mapping 8 version, Wellcome Department of Cognitive Neurology, 영국) soft ware로 분석하였다. 모든 fMRI 자료를 재배열(realign)하였으며, mean-image와 EPI 영상은 상관정렬(coregister) 하였으며, 이어서 EPI 영상과 T1 영상을 T1 template에 맞추는 공간표준화(normalize) 작업을 하였다. 표준화된 영상은 8mm의 FWHM(full width of half maximum)을 갖는 Gaussian kernel filter를 적용하여 편평화(smoothing) 하였다.
본 실험을 통하여 얻어진 자료는 MATLAB(Mathworks Inc. 미국) 환경에서 구현되는 SPM 8(Statistical Param1etric Mapping 8 version, Wellcome Department of Cognitive Neurology, 영국) soft ware로 분석하였다. 모든 fMRI 자료를 재배열(realign)하였으며, mean-image와 EPI 영상은 상관정렬(coregister) 하였으며, 이어서 EPI 영상과 T1 영상을 T1 template에 맞추는 공간표준화(normalize) 작업을 하였다.
운동 수행은 fMRI scanner 안에서 두부와 체간이 고정된 자세로 실시하였다. 운동 수행은 오른쪽, 왼쪽 손목 신전근의 구심성 수축과 원심성 수축 운동을 각각 실시하였으며, 총 4회 반복 측정을 시행하였다.
운동 수행은 fMRI scanner 안에서 두부와 체간이 고정된 자세로 실시하였다. 운동 수행은 오른쪽, 왼쪽 손목 신전근의 구심성 수축과 원심성 수축 운동을 각각 실시하였으며, 총 4회 반복 측정을 시행하였다. 운동 수행의 한 주기는 시작 전 준비 구간 3초, 구심성 운동 구간 12초, 휴식 구간 12초, 원심성 운동 구간 12초로 구성하였으며, 손목 신전근의 구심성 운동과 원심성 운동 시 손목 외의 대상작용을 방지하기 위하여 상완을 스트랩으로 체간 옆에 고정시켰다.
운동 수행은 오른쪽, 왼쪽 손목 신전근의 구심성 수축과 원심성 수축 운동을 각각 실시하였으며, 총 4회 반복 측정을 시행하였다. 운동 수행의 한 주기는 시작 전 준비 구간 3초, 구심성 운동 구간 12초, 휴식 구간 12초, 원심성 운동 구간 12초로 구성하였으며, 손목 신전근의 구심성 운동과 원심성 운동 시 손목 외의 대상작용을 방지하기 위하여 상완을 스트랩으로 체간 옆에 고정시켰다. 구심성 수축 운동을 하기 전의 준비 자세는 손과 손목의 편안한 상태를 유지한 채 손바닥이 바닥에 닿은 자세를 취하도록 하였으며, 준비기간 3초 후, 손목 신전근의 구심성 수축 운동 구간에서 2초에 한 번씩 최대한 빠른 속도로 수축하도록 손목의 신전을 유발하였으며, 총6회 반복하였다.
표준화된 영상은 8mm의 FWHM(full width of half maximum)을 갖는 Gaussian kernel filter를 적용하여 편평화(smoothing) 하였다. 이렇게 처리된 결과를 바탕으로 BOLD(Blood oxygen level dependent) 신호의 변화를 얻기 위하여 실험조건과 비교조건을 감산(subtraction)하였으며, 분석에서 실험조건은 구심성 수축운동 과제, 원심성 수축 운동과제 구획(수행기)으로 하였고, 비교조건은 대조과제(휴식기) 구획으로 하였다. 조건 간의 비교 시에는 반복제시에 따른 과제 효과와 혈역학반응함수(hemodynamic response function: hrf)에 대한 선형모델을 적용하였으며, 이렇게 구성된 모델과 영상 처리된 결과는 ANOVA를 이용하여 통계 분석하였다.
휴식 구간 이후 시행되는 원심성 수축 운동의 시작 자세는 구심성 수축 운동과 같은 자세에서 손목만 90° 신전한 자세를 유지한 채 시행하도록 하였으며, 원심성 수축 운동 구간에서 ‘시작’이라는 구두 신호와 함께 6초 동안 같은 속도를 유지하면서 손목의 굴곡이 일어나게 원심성 수축을 유발시켰으며, 총2회 반복하였다.

대상 데이터

본 연구는 근수축과 관련된 과거의 신경외과학적 제한이나 정형외과학적 제한이 없으며, 운동 수행과 관련된 인지적, 정신적 이상 소견이 없는 오른손이 우성인 건강한 3명의 정상 성인을 대상으로 하였다. 모든 대상자는 Modified Edinburgh Inventory20(mean: +95.

데이터처리

관심 영역은 일차감각운동피질(primary sensory-motor cortex, SMI1), 전운동영역(premotor area), 보조운동영역(supplementary motor area, SMA), 전두엽(frontal lobe), 두정엽(parietal lobe)으로 설정하였다. 본 연구의 결과 분석은 고정효과모델(fixed effect model)을 이용하여 통계 역치를 부피소 수준에서 정하였으며, 높이역치(height threshold)를 corrected p 값이 0.05보다 낮은 수준에서, 범위역치(extent threshold)는 부피소 5개를 기준으로 활성 지도를 얻었다. 이는 생리학적으로 유의미한 결과를 적어도 유의미한 부피소가 5개 이상 있을 경우 활성이 된 것으로 가정하고 통계적 유의성을 검증한 것으로, 각 활성의 p 값은 부피소의 높이역치와 범위역치의 상호작용에 의하여 계산하였다.
이렇게 처리된 결과를 바탕으로 BOLD(Blood oxygen level dependent) 신호의 변화를 얻기 위하여 실험조건과 비교조건을 감산(subtraction)하였으며, 분석에서 실험조건은 구심성 수축운동 과제, 원심성 수축 운동과제 구획(수행기)으로 하였고, 비교조건은 대조과제(휴식기) 구획으로 하였다. 조건 간의 비교 시에는 반복제시에 따른 과제 효과와 혈역학반응함수(hemodynamic response function: hrf)에 대한 선형모델을 적용하였으며, 이렇게 구성된 모델과 영상 처리된 결과는 ANOVA를 이용하여 통계 분석하였다. 관심 영역은 일차감각운동피질(primary sensory-motor cortex, SMI1), 전운동영역(premotor area), 보조운동영역(supplementary motor area, SMA), 전두엽(frontal lobe), 두정엽(parietal lobe)으로 설정하였다.

이론/모형

모든 대상자는 Modified Edinburgh Inventory20(mean: +95.2, range: 70∼100)를 통하여 오른손이 우성임인 확인하였으며, 본 연구의 목적과 실험의 절차에 대하여 충분히 이해하였고, 자발적인 동의 하에 연구에 참여하였다.
모든 fMRI 자료를 재배열(realign)하였으며, mean-image와 EPI 영상은 상관정렬(coregister) 하였으며, 이어서 EPI 영상과 T1 영상을 T1 template에 맞추는 공간표준화(normalize) 작업을 하였다. 표준화된 영상은 8mm의 FWHM(full width of half maximum)을 갖는 Gaussian kernel filter를 적용하여 편평화(smoothing) 하였다. 이렇게 처리된 결과를 바탕으로 BOLD(Blood oxygen level dependent) 신호의 변화를 얻기 위하여 실험조건과 비교조건을 감산(subtraction)하였으며, 분석에서 실험조건은 구심성 수축운동 과제, 원심성 수축 운동과제 구획(수행기)으로 하였고, 비교조건은 대조과제(휴식기) 구획으로 하였다.

성능/효과

오른손이 우성인 사람들만 실험에 참가하고 3명이라는 적은 수의 대상자로 제한하여 결과를 단정짓기는 어려우나 본 연구를 통하여 기능적 자기공명 영상에서 구심성 수축과 원심성 수축 시 다른 활성도를 나타내는 결과를 보였다.
본 연구는 기능적 자기공명 영상 기법을 통하여 손목 신전근의 구심성 수축 운동과 원심성 수축 운동시 뇌 활성도의 차이를 알아보고자 하였다. 그 결과 우성인 오른손의 운동 수행 시 구심성 수축 운동에서는 오른손의 운동 영역인 좌측의 일차운동영역에서만 활성도가 나타난 반면, 원심성 수축 운동에서는 양측의 일차운동영역과 보조운동영역에서 활성도가 나타났다. 이러한 뇌 활성도의 차이는 구심성 수축 운동보다 원심성 수축운동이 더 복잡하고 정교한 메커니즘을 통하여 일어나는 것으로 생각된다.
기능적 자기공명 영상을 분석한 결과, 오른손으로 구심성 수축운동을 수행하였을 때에는 왼쪽의 일차운동영역(primary motor area, PMA)에서만 활성도가 나타난 반면, 원심성 수축 시에는 왼쪽, 오른쪽 모두 일차운동영역의 활성화와 함께 보조운동영역에서도 활성화가 나타났다(Figure 1). 반면, 왼손에서는 구심성 수축 운동과 원심성 수축 운동하였을 때 모두 오른쪽의 일차운동영역에서만 활성화가 나타났다.
기능적 자기공명 영상을 분석한 결과, 오른손으로 구심성 수축운동을 수행하였을 때에는 왼쪽의 일차운동영역(primary motor area, PMA)에서만 활성도가 나타난 반면, 원심성 수축 시에는 왼쪽, 오른쪽 모두 일차운동영역의 활성화와 함께 보조운동영역에서도 활성화가 나타났다(Figure 1). 반면, 왼손에서는 구심성 수축 운동과 원심성 수축 운동하였을 때 모두 오른쪽의 일차운동영역에서만 활성화가 나타났다.

후속연구

본 연구는 기능적 자기공명 영상을 통하여 구심성 수축 운동과 원심성 수축 운동의 뇌 활성도를 연구한 최초의 보고라고 할 수 있으며, 비록 3명의 대상자를 이용한 파일럿 형태의 연구라는 제한점이 있지만, 앞으로의 연구에서 다수의 대상자를 통한 실험적 입증과 좀 더 다양하고 세분화된 과제를 개발하여 연구를 진행한다면 근육의 수축 방법에 따른 뇌 운동신경망의 활성기전을 밝힐 수 있을 것으로 생각된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	근수축은 어떻게 구분되는가?	신체의 모든 움직임은 골격근의 수의적인 수축을 통하여 이루어지며, 근수축은 작용하는 근육의 길이가 길어지는 원심성 수축(eccentric contraction)과 근육의 길이가 짧아지는 구심성 수축(concentric contraction), 근수축은 발생하지만 길이의 변화가 없는 등척성 수축(isometric contraction) 등으로 구분하고 있다. 이 중에서 원심성 수축은 수축하는 근육이 외력에 대항하는 힘으로서 작용하는 경우에 발생하며, 의자에 앉을 때의 대퇴사두근의 수축, 턱걸이에서 올라갔다 내려올 때의 상완이두근의 수축, 높이 뛰기 전 반동을 주기 위한 가자미근과 넙치근의 수축 등과 같이 일상생활의 모든 활동에서 중요하게 작용한다.
	기능적 자기공명 영상에서 왼손으로 운동 수행을 하였을 때 어떤 결과를 보였는가?	기능적 자기공명 영상에서 오른손의 구심성 운동 시에는 왼쪽 일차운동영역에서만 활성도가 나타난 반면 원심성 수축운동에서는 왼쪽 오른쪽 모두 일차운동영역에서 활성도가 나타났다. 또한 왼손으로 운동 수행을 하였을 때에는 구심성 수축과 원심성 수축 모두 오른쪽의 일차운동영역에서만 활성도가 나타난 결과를 보였다. 원심성 수축과 구심성 수축 사이에서의 뇌 활성도 차이뿐만 아니라 왼손과 오른손의 뇌 활성도가 다르게 나타난 것은 우성 손과 비우성 손의 차이 때문이다.
	원심성 수축은 어떤 경우에 발생하는가?	신체의 모든 움직임은 골격근의 수의적인 수축을 통하여 이루어지며, 근수축은 작용하는 근육의 길이가 길어지는 원심성 수축(eccentric contraction)과 근육의 길이가 짧아지는 구심성 수축(concentric contraction), 근수축은 발생하지만 길이의 변화가 없는 등척성 수축(isometric contraction) 등으로 구분하고 있다. 이 중에서 원심성 수축은 수축하는 근육이 외력에 대항하는 힘으로서 작용하는 경우에 발생하며, 의자에 앉을 때의 대퇴사두근의 수축, 턱걸이에서 올라갔다 내려올 때의 상완이두근의 수축, 높이 뛰기 전 반동을 주기 위한 가자미근과 넙치근의 수축 등과 같이 일상생활의 모든 활동에서 중요하게 작용한다.1-3 또한, 원심성 수축은 치료적 중재로써 물리치료 및 스포츠 의학에서 치료적 중재로써 많이 이용되고 있으며, 운동 선수 트레이닝, 노인 운동, 레크리에이션 활동 등과 같은 다양한 운동 프로그램의 구성 요소로써 중요한 역할을 하고 있다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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