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문제 정의
- PNF의 대각선 패턴이 임상적으로 다양한 장점을 가진 좋은 도구로 사용되어 질 것으로 보여 지나, 실제 임상과 관련된 연구는 부족한 실정이며, 또한 일부 연구가 최근에 이루어지고 있지만 대부분 근육 형태학적 연구가 대부분이며 중추신경계의 활성도에 대한 연구는 매우 드문 실정이다. 따라서 본 연구는 대각선 움직임과 직선 움직임의 대뇌 활성화에 대해 비교 연구해보고 실제 환자의 임상 치료에 있어 더욱 효과적인 치료방법을 제시하고자 하였다.
- 임상에서 환자의 기능적인 문제를 해결하기 위한 가장 효과적인 중재 방법으로 치료사의 임상적 경험, 환자의 가치, 과학적 근거들은 필수 요소이다(Fetters & Tilson, 2012). 본 연구는 임상에서 흔히 혼용되어지고 있는 직선 운동과 대각선 패턴을 활용한 운동의 부족한 과학적 근거를 확인하기 위해 설계되었고, 이에 대각선 운동과 직선 운동이 대뇌의 활성도에 미치는 영향에 대해 알아보고자, 두 가지 방향의 운동을 실시하는 동안 fMRI 영상을 획득하여 분석하였다. 그 결과 직선 운동에 비해 대각선 운동의 대뇌 운동영역의 활성도가 더 높게 나타나는 것을 확인할 수 있었다.
제안 방법
- “realign”을 통하여 머리의 움직임을 보정하였고, “coregister“를 통하여 각 피험자의 T1 MRI 영상에 mean-image와 EPI 영상을 정렬하였다.
- 운동방향에 따른 뇌활성도를 측정하기 위하여 기능적 자기공명영상(functional magnetic resonance imaging, fMRI)를 촬영하였다. fMRI의 구성은 휴식 기간(rest period) 5회, 자극기간(stimulus period) 5회를 반복하는 블록디자인(block design)을 사용하였다. 휴지기 및 자극기의 각 블록은 30초로 하였다.
- fMRI의 촬영은 MRI기기(MAGNETOM Trio A Tim System, Siemens, German)를 이용하여, single shot Echo Planar Imaging (EPI) 기법으로 Blood Oxygen Level Dependent (BOLD) image를 측정하여 결과를 도출하였다. fMRI의 촬영 변수는 time of repeat (TR: 2000ms), time of echo (TE: 21ms), Flip angle (FA: 90°), Field of View (FOV: 230mm), matrix size (64×64), thickness (5mm)를 설정하였고, anterior commissure와 posterior commissure 연결선(AC-PC line)에 평행하게 수평면 (transverse plane)으로 20장의 뇌 절편 영상을 얻었다.
- 그리고 Structure image (T1 mprage sequence)를 측정하기 위한 MRI의 촬영 변수는 TR (1800ms), TE (2.19ms), FA (9°), FOV (230mm), matrix size (307×320), thickness (0.7mm)를 설정하였다.
- 휴지기 및 자극기의 각 블록은 30초로 하였다. 대상자는 fMRI 장치 안에서 편안히 누운 자세에서 주어진 조건에 따라 운동을 실시하였다.
- 분석을 통해 얻어진 좌표를 xjView 프로그램을 이용해 브로드만 영역(Brodmann’s areas: BA)으로 표시하였다. 데이터의 관심영역 (region of interest, ROI)은 운동과 관련이 높은 운동피질(primary motor area, PMA), 전운동영역(premotor area, PA), 보완운동영역 (supplementary motor area, SMA)으로 설정하고 그 활성화 되는 Voxel 값을 분석하였다.
- 또한, “normalization”을 통하여, 각 개인의 뇌 형태적 차이를 교정하였고, “smoothing”을 하기 위하여 6mm FWHM (full width half maximum)을 갖는 Gaussian kernel filter를 적용였다.
- 운동방향에 따른 뇌활성도를 측정하기 위하여 기능적 자기공명영상(functional magnetic resonance imaging, fMRI)를 촬영하였다. fMRI의 구성은 휴식 기간(rest period) 5회, 자극기간(stimulus period) 5회를 반복하는 블록디자인(block design)을 사용하였다.
- 측정 운동은 바로 누운 자세에서 대상자의 가장 편안한 속도로 자극기간동안 하지의 대각선 운동과 직선운동을 차례로 시행하고, 정확한 운동 방향을 안내하기 위하여 바닥에 테이프를 붙여 하지의 운동방향을 유도하였다.
대상 데이터
- fMRI의 촬영 변수는 time of repeat (TR: 2000ms), time of echo (TE: 21ms), Flip angle (FA: 90°), Field of View (FOV: 230mm), matrix size (64×64), thickness (5mm)를 설정하였고, anterior commissure와 posterior commissure 연결선(AC-PC line)에 평행하게 수평면 (transverse plane)으로 20장의 뇌 절편 영상을 얻었다.
- 연구에 참여한 대상자는 Edinburg Handedness Inventory (Oldfield, 1971)에서 오른손잡이로 입증된 정상 성인 2명을 선정하였다. 대상자의 선정 기준은 신경학 및 정신심리학적 문제가 없으며, 본 연구의 목적과 실험 절차를 충분히 숙지하고 주어진 과제를 수행 가능한 환자를 대상으로 하였다.
- 연구에 참여한 대상자는 Edinburg Handedness Inventory (Oldfield, 1971)에서 오른손잡이로 입증된 정상 성인 2명을 선정하였다. 대상자의 선정 기준은 신경학 및 정신심리학적 문제가 없으며, 본 연구의 목적과 실험 절차를 충분히 숙지하고 주어진 과제를 수행 가능한 환자를 대상으로 하였다.
데이터처리
- 분석을 통해 얻어진 좌표를 xjView 프로그램을 이용해 브로드만 영역(Brodmann’s areas: BA)으로 표시하였다.
- 촬영된 영상은 MATLAB (Mathworks, Inc., USA) 환경에서 구현되는 SPM8 소프트웨어(Statistical Parametric Mapping 8 version, Wellcome Department of Cognitive Neurology, London, UK)와 xjView 소프트웨어(Human Neuroimaging Lab, Stanford University, USA)로 분석하였다. SPM8을 이용한 분석절차는 다음과 같다.
이론/모형
- 본 연구의 결과 분석은 고정효과모델(fixed effect model)을 이용하여 통계 역치를 부피소 수준에서 정하였다. 높이 역치(height threshold)를 corrected p 값이 0.001보다 낮은 수준에서, 범위역치(extent threshold)는 부피소 5개를 기준으로, 높이 역치(height threshold)와 범위 역치(extent threshold)의 상호작용에 의하여 SPM8 소프트웨어에 의하여 계산되었다.
- 본 연구의 결과 분석은 고정효과모델(fixed effect model)을 이용하여 통계 역치를 부피소 수준에서 정하였다. 높이 역치(height threshold)를 corrected p 값이 0.
성능/효과
- 본 연구는 임상에서 흔히 혼용되어지고 있는 직선 운동과 대각선 패턴을 활용한 운동의 부족한 과학적 근거를 확인하기 위해 설계되었고, 이에 대각선 운동과 직선 운동이 대뇌의 활성도에 미치는 영향에 대해 알아보고자, 두 가지 방향의 운동을 실시하는 동안 fMRI 영상을 획득하여 분석하였다. 그 결과 직선 운동에 비해 대각선 운동의 대뇌 운동영역의 활성도가 더 높게 나타나는 것을 확인할 수 있었다.
- 대각선 운동에서는 평균 1036 ±75 Voxel이 활성화된 반면, 직선 운동에서는 평균 773±55 Voxel이 활성화되었고(Table 1), 대각선 운동이 직선 운동에 비해 활성화된 영역이 더 강하게 나타났다(Fig. 1, Fig. 2).
- , 1982), 이는 세포들이 각자가 선호하는 움직임의 방향을 가진 다는 것을 의미한다. 따라서 본 실험의 결과에서 대뇌 운동영역의 활성도는 직선 움직임에 활성화되기 보다는 대각선 움직임에 활성도가 높게 나타나며, 대뇌 운동영역의 세포들은 직선 움직임보다 대각선 움직임을 보다 선호한다고 할 수 있다. Jang 등(2006)의 연구에 의하면 상지 운동시 대뇌의 운동영역의 활성도가 높아지고, 단순한 움직임보다 복잡한 움직임에서 대뇌 운동영역의 더 높은 활성화를 보였다.
- , 2000). 본 연구의 결과에서도 PMA의 대뇌 활동성 보다 PA와 SMA의 대뇌 활동성 더 크게 증가한 것을 볼 수 있었으며, 이는 직선 움직임 보다 대각선 방향의 움직임이 보다 복잡하고, 다관절의 조절이 필요함을 알 수 있었다. 그리고 단일 운동 신경 세포들의 활성도는 개개 세포들의 특정 방향의 움직임에 더욱 활성되며(Georgopoulos et al.
- 또한 Winstaein 등(1997)의 연구에 의하면 수행하는 운동 과제의 복잡함이 증가할수록 대뇌질의 활성도가 증가하고, 특히 대뇌 운동영역, 기저핵과 소뇌 등의 활성도가 증가한다고 하였다. 본 연구의 결과에서도 단일면 단일방향의 단순한 움직임보다 세 가지 면에서 움직임이 나타나는 PNF의 대각선 방향의 복잡한 움직임이 대뇌의 운동영역의 활성화를 보이고, 이에 임상에서 신경계 환자의 대뇌 가소성을 고려한 운동으로 직선 움직임보다 대각선 움직임이 보다 효과적일 것으로 사료된다. 하지만 본 연구는 검사 방법의 비용과 대상자 모집의 어려움으로 두 명의 대상자의 사례를 연구하였고, 움직임을 하지의 운동(하지의 굽힘, 모음, 바깥돌림 패턴)에 국한하여 확인하여 일반화하기에는 다소 어려움이 있었다.
- 본 연구의 결과에서도 대각선 운동이 직선 운동 보다 대뇌 활성도가 약 34% 더 활성화됨을 확인 할 수 있었고, 이는 선행 연구의 대각선 운동 효과와 그 경향성이 일치한다. 그러나 선행연구는 근육의 역학적, 생리학적인 변화를 확인한 반면, 본 연구는 중추신경계의 변화를 확인하여, 결과에 따른 경향성을 일반화하기엔 어려움이 있다.
후속연구
- 향후 연구에는 다수의 대상자를 상대로 운동 의 효과를 확인하고, 다양한 운동방향에 대한 비교 연구가 필요하다. 그리고 하지뿐만 아니라 대뇌피질의 많은 영역을 담당하는 상지를 대상으로 보다 일반화된 연구가 필요할 것으로 사료된다.
- 대각선 운동은 직선 운동에 비하여 대뇌 운동영역을 활성화시키는데 효과적인 운동이며, 뇌가소성을 고려하여, 임상에서 중추신경계 손상환자를 치료하기 위해 직선 운동보다 대각선 운동을 많이 활용해야 할 것으로 사료된다.
- 하지만 본 연구는 검사 방법의 비용과 대상자 모집의 어려움으로 두 명의 대상자의 사례를 연구하였고, 움직임을 하지의 운동(하지의 굽힘, 모음, 바깥돌림 패턴)에 국한하여 확인하여 일반화하기에는 다소 어려움이 있었다. 향후 연구에는 다수의 대상자를 상대로 운동 의 효과를 확인하고, 다양한 운동방향에 대한 비교 연구가 필요하다. 그리고 하지뿐만 아니라 대뇌피질의 많은 영역을 담당하는 상지를 대상으로 보다 일반화된 연구가 필요할 것으로 사료된다.
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