[국내논문]정상 여성에게서 앞 정강근의 수축훈련방법에 따른 뇌파의 변화 Changes of Electroencephalogram according to Contraction Training Methods of Tibialis Anterior Muscle in Healthy Women원문보기
Purpose: This study aims to examine the power changes in eletrocenphalogram (EEG) detected from the tibialis anterior muscle, during repetitive contraction exercise in normal female adults. Methods: The subjects of this study were 24 normal adult females, with no musculoskeletal or nervous system di...
Purpose: This study aims to examine the power changes in eletrocenphalogram (EEG) detected from the tibialis anterior muscle, during repetitive contraction exercise in normal female adults. Methods: The subjects of this study were 24 normal adult females, with no musculoskeletal or nervous system disorders. The 24 female subjects were divided into two groups: 12 subjects comprised a voluntary stimulation training group, and the other 12 subjects comprised an electrical stimulation training group. A total of thirty contractions were made repetitively by each woman, with maximal voluntary contraction exercise for six seconds, and a resting time of three seconds. During the experiment, their EEG was measured at eight positions. The eight positions were Fpz, Fz, Cz, CPz, C3, C4, P3, and P4, in accordance with the international 10~20 system. Results: The relative alpha power and beta power showed no statistically significant differences between the two groups. But the relative gamma power of the CPz, C3, C4, P3, and P4 areas showed statistically significant differences between the two groups (p<0.05). The relative theta power of the C4 area showed statistically significant differences between the two groups (p<0.05). Conclusion: Our findings show that tibialis anterior muscle contraction by electrical stimulation and by voluntary repeated contraction differentially affected brain activation. In particular, the CPz, C3, C4, P3 positions of relative gamma power showed brain activation in voluntary contraction. The C4 position of relative theta power showed different brain activation between the two groups.
Purpose: This study aims to examine the power changes in eletrocenphalogram (EEG) detected from the tibialis anterior muscle, during repetitive contraction exercise in normal female adults. Methods: The subjects of this study were 24 normal adult females, with no musculoskeletal or nervous system disorders. The 24 female subjects were divided into two groups: 12 subjects comprised a voluntary stimulation training group, and the other 12 subjects comprised an electrical stimulation training group. A total of thirty contractions were made repetitively by each woman, with maximal voluntary contraction exercise for six seconds, and a resting time of three seconds. During the experiment, their EEG was measured at eight positions. The eight positions were Fpz, Fz, Cz, CPz, C3, C4, P3, and P4, in accordance with the international 10~20 system. Results: The relative alpha power and beta power showed no statistically significant differences between the two groups. But the relative gamma power of the CPz, C3, C4, P3, and P4 areas showed statistically significant differences between the two groups (p<0.05). The relative theta power of the C4 area showed statistically significant differences between the two groups (p<0.05). Conclusion: Our findings show that tibialis anterior muscle contraction by electrical stimulation and by voluntary repeated contraction differentially affected brain activation. In particular, the CPz, C3, C4, P3 positions of relative gamma power showed brain activation in voluntary contraction. The C4 position of relative theta power showed different brain activation between the two groups.
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문제 정의
따라서 본 연구의 목적은 자세 및 균형조절 훈련이라 할 수있는 발목관절에서 앞 정강근에 최대 반복 수축 훈련이 수축 훈련 방법에 따라 대뇌겉질 영역에서 뇌의 활성화에 어떤 변화가 있는지 알아보고자 한다.
본 연구는 앞 정강근의 반복 수축훈련을 통하여 뇌의 활성도 변화를 확인함으로써 향후 물리치료의 기능적 동작을 통해 발생되는 근 피로도가 뇌 세포의 활성화에 직접적인 효과를 제공할 수 있는지 알아보고자 하였다. 이러한 변화는 말초의 근 피로도로 인해 변화한 것이다.
제안 방법
대상자는 앉은 자세로 다리를 곧게 뻗은 자세에서 발목을 중립 자세로 놓고 동력계에 연결된 커프를 발등에 걸고 수축하여, 처음 측정된 최대수의적 등척성 수축력이 마지막 훈련까지 최대한 유지될 수 있도록 하였다. 1회 훈련은 6초 동안 최대수의적 등척성 수축과 3초의 휴식으로 구성되어, 총 30회의 근수축 훈련을 실시하였다.
본 연구에서는 앞 정강근의 근수축에서 나타나는 뇌파(알파파, 베타파, 감마파, 세타파) 를 측정하기 위해 Fpz, Fz, Cz, CPz, C3, C4, P3, P4에 부착하였다. 그리고 기준전극(reference electrode)과 접지전극(ground electrode)을 각각 오른쪽과 왼쪽 귀에 부착하였다.
실험실 온도와 습도는 25~27℃, 60~70%로 유지하였다. 뇌파를 측정하는 동안 방해 받지 않는 환경을 구성하고, 실험실내외부의 소음을 최대한 통제하였다.
전기적 수축 훈련군은 경피신경전기자극기(Dyna tens 301, 대양의료기, 대한민국)를 이용하였다. 대상자는 다리를 곧게 뻗고 앉아 발목을 중립자세로 하여 실험을 실시하였다. 실험에 사용된 일회용 접착식 전극 크기는 5×5 cm였으며, 두 전극 중 하나는 넙다리 머리뼈 아래에, 다른 하나는 운동 점에 부착하였다.
수의적 수축 훈련군은 최대 수의적 등척성 수축을 위해 Dynamometer(K-DFX-200, Chatillon, 미국) 장비를 이용하였다. 대상자는 앉은 자세로 다리를 곧게 뻗은 자세에서 발목을 중립 자세로 놓고 동력계에 연결된 커프를 발등에 걸고 수축하여, 처음 측정된 최대수의적 등척성 수축력이 마지막 훈련까지 최대한 유지될 수 있도록 하였다. 1회 훈련은 6초 동안 최대수의적 등척성 수축과 3초의 휴식으로 구성되어, 총 30회의 근수축 훈련을 실시하였다.
뇌파 기기의 설정조건으로 샘플링 주파수는 256 Hz, 대역통과 주파수는 5~50 Hz로 설정하였다. 본 연구에서는 앞 정강근의 근수축에서 나타나는 뇌파(알파파, 베타파, 감마파, 세타파) 를 측정하기 위해 Fpz, Fz, Cz, CPz, C3, C4, P3, P4에 부착하였다. 그리고 기준전극(reference electrode)과 접지전극(ground electrode)을 각각 오른쪽과 왼쪽 귀에 부착하였다.
분석에 사용된 주파수 대역은 세타파 4~8 Hz, 알파파 8~13 Hz, 베타파 13~30 Hz, 감마파 30~50 Hz이었다. 이러한 각 주파수들은 상대 주파수(relative frequency)로 나누어 분석을 실시하였으며, 상대 주파수는 전체 주파수 대역(4~50 Hz)에서 각 주파수가 차지하는 비율로 분석하였다.
실험에 사용된 일회용 접착식 전극 크기는 5×5 cm였으며, 두 전극 중 하나는 넙다리 머리뼈 아래에, 다른 하나는 운동 점에 부착하였다. 자극 강도는 반복된 근 수축 훈련에 따른 순응을 방지하고 최대자극 효과를 얻기 위해 근 수축 훈련 전 기간 동안 모두 최대내인성강도(maximal tolerated intensity, MTI)로 실시하였다.
대상자 모두에게 연구 동의서를 받은 후 연구를 진행하였다. 전체 24명의 대상자를 2개의 군으로, 각각 12명씩 수의적 수축 훈련군과 전기적 수축 훈련군으로 나누었다. 대상자들의 일반적 특성은 다음과 같다(Table 1).
최대내인성강도의 전기자극 훈련을 위하여, 전기자극 조건은 주파수 50 pps, 맥동시간 200 μs, 경사 증감시간은 각각 0.5초로 설정하였고, 1회의 훈련은 3초의 통전시간과 1초의단전시간으로 구성하여, 총 30회의 근수축 훈련을 실시하였다.
대상 데이터
본 연구의 대상자는 건강한 성인 여성 24명을 선발하였다. 선정기준은 근골격계나 신경계 장애가 없는자, 최근 6개월간 근력강화 훈련을 한 경험이 없는자, 하지 근력에 관련해 약물 복용하고 있지 않은 자로 하였다.
실험에 사용된 일회용 접착식 전극 크기는 5×5 cm였으며, 두 전극 중 하나는 넙다리 머리뼈 아래에, 다른 하나는 운동 점에 부착하였다.
전기적 수축 훈련군은 경피신경전기자극기(Dyna tens 301, 대양의료기, 대한민국)를 이용하였다. 대상자는 다리를 곧게 뻗고 앉아 발목을 중립자세로 하여 실험을 실시하였다.
데이터처리
0 프로그램으로 분석하였다. 뇌 영역별로 집단 간 각 주파수별에 따른 상대세타파, 상대알파파, 상대 베타파, 상대감마파의 실험 전, 후 변화양상 차이에 대한 비교는 반복측정분산분석(repeated measures ANOVA)을 실시하였다. 통계학적 유의성을 검정하기 위해 유의수준 α는 0.
수집된 뇌파자료 분석은 소프트웨어 Telescan 프로그램을 사용하였다. 분석에 사용된 주파수 대역은 세타파 4~8 Hz, 알파파 8~13 Hz, 베타파 13~30 Hz, 감마파 30~50 Hz이었다.
이론/모형
실험대상자의 전극 부착 부위는 가장 널리 사용되는 Jasper 20의 국제전극배치법(“10~20법”, ten-twenty electrode system)을 이용하였다.
성능/효과
Brown 등26은 감마 범위 겉질-근육 코히런스(corticomuscular coherence)가 최대하 및 최대 힘을 생산할 때 더욱 높은 집중도를 보인다고 보고한 것으로 볼 때, 이는 본 연구에서도 최대수축훈련을 실시하였으므로, 수의적 수축훈련 근육의 반대측 운동 겉질영역에서 감마파가 증가하여 비슷한 결과를 보였다. 그러나 전기적 수축 훈련군에서는 수의적 수축 훈련군과는 달리 이를 지배하는 운동 겉질 영역에서 활성화 되지 않을뿐더러 오히려 감소된 것으로 나타나 감마 주파수 영역은 훈련근육을 지배하는 운동 겉질영역이 오히려 감소하는 특성을 알 수 있었다. 하지만 이러한 특성은 아직 각 뇌겉질 영역별 근수축 훈련과 관련된 각 주파수별 뇌파의 변화에 대한 연구가 거의 없기에 이를 설명하기에는 아직 어려움이 있다.
05). 따라서 상대감마파는 수축훈련 방법에 따라 CPz영역, C3영역, C4영역, P3영역, 그리고 P4영역에서는 변화 양상이 다른 것으로 나타났다(Table 4).
05). 따라서 상대베타파는 C4영역에서만 수축방법에 따라 변화양상이 다른 것으로 나타났다(Table 5).
모든 영역에서 상대감마파 변화를 분석한 결과, Fpz영역, Fz영역, Cz영역에서는 시간과 군에 대한 교호작용이 나타나지 않았으나, CPz영역, C3영역, C4영역, P3영역, 그리고 P4영역에서는 시간과 군에 대한 교호작용이 있었다(p<0.05).
모든 영역에서 상대베타파 변화를 분석한 결과, Fpz영역, Fz 영역, Cz영역, CPz영역, C3영역, P3영역, 그리고 P4영역에서는 시간과 군에 대한 교호작용이 나타나지 않았으나, C4영역에서는 시간과 군에 대한 교호작용이 있었다(p<0.05).
모든 영역에서 상대베타파 변화를 분석한 결과, 시간과 군에 대한 교호작용이 없었으며, 시간에 따른 변화에서도 통계학적으로 유의하지 않은 것으로 나타나 수축방법과 관계없이 변화가 거의 없는 것으로 나타났다(Table 3).
모든 영역에서 상대알파파 변화를 분석한 결과, 시간과 군에 대해 교호작용이 나타나지 않았으며, Fpz영역을 제외한 나머지 모든 영역에서는 시간에 따른 변화가 유의한 것으로 나타나 상대알파파는 수축방법에 따라 변화 양상이 비슷하면서 시간에 따라 변화되는 것으로 나타났다(p<0.05)(Table 2).
반복 수축을 하는 동안 각영역별 상대감마파의 변화는 수의적 수축 훈련군에서는 대부분 증가하는 경향을 보였고, 전기적 수축 훈련군에서는 대부분 감소하는 경향을 나타내었다.
반복 수축을 하는 동안 수의적 수축 훈련군과 전기적 수축 훈련군에서 각 영역별 상대베타파의 변화는 Fpz영역과 Fz영역에서는 증가하는 경향을 보였으나, Cz영역, CPz영역, C3영역, C4영역, P3영역, 그리고 P4에서는 대부분 감소하는 경향을 보였다.
반복 수축을 하는 동안 수의적 수축 훈련군과 전기적 수축 훈련군에서 각 영역별 상대알파파의 변화는 모두 증가하는 경향을 보였다.
반복 수축을 하는 동안 수의적 수축 훈련군과 전기적 수축 훈련군에서 각영역별 상대세타파의 변화는 대부분 대부분 감소하는 경향을 나타내었다.
본 연구는 수의적 자극과 전기적 자극 시 뇌파의 변화양상을 측정하여 분석한 결과 감마파를 제외한 나머지 알파파, 베타파, 세타파에서 유사한 양상을 보이고 있음을 알 수 있었으며, 수의적 수축 훈련과 전기적 수축 훈련 모두 시간에 흐름에 따라 뇌파의 변화에 영향을 미치는 것을 알 수 있었다. 그러나 아직까지 근육의 반복수축 훈련을 통한 뇌파의 변화를 보고한 선행연구는 거의 없었기에 이를 충분히 설명하기에는 어려운 제한점이 있다.
이는 계속적인 훈련으로 더 나은 주의 집중력을 보유하게 되어 운동 수행시 의식적인 뇌의 정신활동을 효과적으로 줄일 수 있고 그에 따라 과제의 수행에 있어 불필요한 인지 등을 감소시켰기 때문이라고 하였다. 본 연구에서도 시간에 따라 상대 알파파도 증가하는 것을 알 수 있었다. 이는 선행의 연구와 비슷한 결과라고 생각된다.
후속연구
23 Schoffelen 등24은 대상자가 단순한 반응시간 실험에서 반응을 하려는 것은 대뇌피질과 척수 신경사이에서 감마범위의 작용과 연관성이 있다고 하였다. 또한 피질근육의 감마범위는 저하중 힘(4%MVC)의 등척성 보상을 사용하는 것과 연관이 있고, 아마 빠른 시각의 통합을 제공 하기 위한 기능일 것이다.25 본 연구에서는 시간의 흐름에 따라 C4영역에서 수의적 수축 훈련군에서는 상대감마파가 증가하는 경향이 보였으나, 전기적 수축 훈련군에서는 상대감마파가 감소하는 경향을 보였다.
또 다른 제한점으로 대상자 수가 적어 일반화 시키기 어렵다는 점이다. 앞으로의 연구에서는 더 많은 대상자와 다양한 케이스의 환자에서 일반화하는 연구가 이루어져야 할 것이다.
이러한 결과는 향후 임상에서 근골격계 및 신경계 질환 환자들의 근수축 훈련 방법과 관련하여 특히 운동과 감각 뇌겉질 영역과 관련된 뇌파의 변화에 대한 평가나 훈련방법에 대한 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 생각된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
정상적인 보행은 언제 일어나는가?
보행은 신경근육과 골격계, 생역학적 그리고 운동기능학적 변화가 결합된 복잡한 기능이다. 5 정상적인 보행은 신경계의 적절한 신호유형의 형태로 신경망을 통해 근육활동을 유발시키고 인체의 생역학적인 요구를 만족시킬 때 일어난다. 6 보행의 균형조절은 신체의 무게 중심을 기저면(base ofsupport) 내에서 유지하고, 흔들림을 최소화하기 위해 몸통과 하지 근육이 협응하는 것이다.
하지에서 발목은 어떤 역할을 하는가?
6 보행의 균형조절은 신체의 무게 중심을 기저면(base ofsupport) 내에서 유지하고, 흔들림을 최소화하기 위해 몸통과 하지 근육이 협응하는 것이다. 7 하지에서 발목은 균형회복에 있어 중요한 역할을 한다. 8 발목은 체중부하 과정에서 하지 근육의 기능과 협력작용을 통해 신체를 지지해주고, 신체의 자세유지에 대한 감각되먹임을 촉진한다.
수의적 수축 훈련군은 어떤 훈련을 실시하였는가?
수의적 수축 훈련군은 최대 수의적 등척성 수축을 위해 Dynamometer(K-DFX-200, Chatillon, 미국) 장비를 이용하였다. 대상자는 앉은 자세로 다리를 곧게 뻗은 자세에서 발목을 중립 자세로 놓고 동력계에 연결된 커프를 발등에 걸고 수축하여, 처음 측정된 최대수의적 등척성 수축력이 마지막 훈련까지 최대한 유지될 수 있도록 하였다. 1회 훈련은 6초 동안 최대수의적 등척성 수축과 3초의 휴식으로 구성되어, 총 30회의 근수축 훈련을 실시하였다.
참고문헌 (28)
Boros K, Poreisz C, Munchau A et al. Premotor transcranial direct current stimulation (TDCS) affects primary motor excitability in humans. Eur J Neurosci. 2008;27(5):1292-300.
Beck RJ, Andriacchi TP, Kuo KN et al. Changes in the gait patterns of growing children. J Bone Joint Surg Am. 1981;63(9):1452-7.
Bae SS. Gait training strategy by CPG in PNF with brain injured patients. The Journal Korean Society of Physical Therapy. 2005;17(1):108-22.
Kim EJ, Jung JM, Kim TH et al. The effects of plantar foot pressure and muscular activity on treadmill gait training in stroke patients. The Journal Korean Society of Physical Medicine. 2009;4(3):165-74.
Seo DK, Oh DW, Lee SH. Effectiveness of ankle visuoperceptual-feedback training on balace and gait functions in hemiparetic patients. The Journal Korean Society of Physical Therapy. 2010;22(4):35-41.
Menz HB, Morris ME, Lord SR. Foot and ankle characteristics associated with impaired balance and functional ability in older people. J Gerontol A Biol Sci Med Sci. 2005;60(12):1546-52.
Fang Y, Siemionow V, Sahgal V et al. Greater movement-related cortical potential during human eccentric versus concentric muscle contractions. J Neurophysiol. 2001;86(4):1764-72.
Tesch PA, Dudley GA, Duvoisin MR et al. Force and emg signal patterns during repeated bouts of concentric or eccentric muscle actions. Acta Physiol Scand. 1990;138(3):263-71.
Kim CS, Kim JH, Park MK et al. Comparison of cortical activation between concentric and eccentric exercise: a pilot fMRI study. The Journal Korean society of Physical Therapy. 2010;22(2):25-30.
Yang GA, Kim SH, Lim YE et al. Comparison of the activity of cortical neurons according to muscle contraction type between post stroke hemiplegic subjects and healthy subjects. The Journal Korean Society of Physical Therapy. 2009;21(1):73-80.
Woo JC, Whang MC, Kim JW et al. The research on prediction of attentive hand movement using eeg coherence. Journal of the Ergonomics Society of Korea. 2010;29(2):189-96.
Kim YJ, Whang MC, Woo JC. A research on training effect of EEG according to repetitive movement of a hand. Journal of the Ergonomics Society of Korea. 2008;11(3):357-64.
Jasper HH. The ten-twenty electrode system of the international federation. Electroencephalogr Clin Neurophysiol Suppl. 1958;10(2):371-5.
Song JC. Changes of electroencephalogram (EEG) in action observation of ski simulation. Nambu University. Dissertation of Master's Degree. 2011.
Ko DS. EEG changes of kumdo player's following the image training. Yonsei University. Dissertation of Master's degree. 2001.
Jung JH. The effects of neurofeedback training and computer assisted congitive rehabilitation training on brain wave, cognition, and ADL in poststroke. Sahmyook University. Dissertation of Doctorate degree. 2011.
Schoffelen JM, Oostenveld R, Fries P. Neuronal coherence as a mechanism of effective corticospinal interaction. Science. 2005;308(5718):111-3.
Kwon MH. A study on EEG variation and aroma therapy by academic stress of middle school student. Kyungpook National University. Dissertation of Master's degree. 2011.
Jang YH. Analysis of electroencephalographic changes by skill level of tai chi. Changwon National University. Dissertation of Master's Degree. 2010.
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