정상인에서 경두개 자기자극을 통한 체간근의 운동신경지배
전북대학교 의과대학 재활의학교실, 임상의학연구소
박성희∙서정환∙송광섭∙정@현
– Abstract –
Characteristics of Corticospinal Innervation of Trunk Muscles Studied with Transcranial Magnetic Stimulation in Healthy Male
Sung Hee Park, M.D., Jeong Hwan Seo, M.D., Kwang Seop Song, M.D., Hyun Jung, M.D.
Department of Rehabilitation Medicine, Institute for Medical Sciences, Chonbuk National University Medical School
Objectives: To evaluate the characteristics of motor innervation and the degree of ipsilateral innervation of trunk muscles.
Methods: Fourteen healthy male subjects were enrolled. Their mean age was 28 years. Transcranial mag- netic stimulation (TMS) was applied to left and right motor cortices in turn and bilateral electromyo- graphic recordings were made from deltoid, rectus abdominis, external oblique, upper thoracic erector spinae, and lower thoracic erector spinae muscles during resting. Onset latency and peak-to-peak ampli- tude of motor evoked potential (MEP) were measured for each muscle on both sides.
Results: Incidence of ipsilateral MEPs was 75% in rectus abdominis, 60% in external oblique, 71% in upper thoracic erector spinae, and 64% in lower thoracic erector spinae muscles. Mean ipsilateral MEP latencies were longer than contralateral MEP latencies (p<0.01).
Conclusion: These results demonstrated that trunk muscles receive a variable degree of motor innerva- tion ipsilaterally and contralaterally.
Key Words: Transcranial magnetic stimulation, Trunk muscles, Motor cortex, Motor evoked potential
Address reprint requests to Sung Hee Park, M.D.
Department of Rehabilitation Medicine, Institute for Medical Sciences, Chonbuk National University Medical School, 634-18 Keumam-dong, Dukjin-ku, Jeonju, Jeonbuk, 561-712, Korea
Tel : 82-63-250-2299, Fax : 82-63-254-4145, E-mail : [email protected]
서 론
체간부 근육은 자세의 유지에 필수적이기 때문에 뇌 손상이나 척수손상과 같은 신경학적 손상에 있어서 향 후 기능 회복에 미치는 영향이 크다.1-3
체간근은 양측 대뇌반구로부터 운동신경지배를 받고 있는 것으로 알려져 있다. 따라서 신경학적 손상 후에 도 비교적 체간근의 기능이 잘 보존되는 것으로 보고되 고 있다.4 그러나 저자의 문헌 고찰에 의하면 정상인에 서 체간근의 운동신경지배에 대한 연구는 극히 제한된 근육에서 실시되었으며 국내에는 이러한 연구가 없다.
따라서 신경학적 손상 후 체간근의 운동신경지배의 변 화에 대한 연구를 위하여 정상인을 대상으로 한 체간근 의 운동신경지배에 대한 연구가 먼저 선행되어야 할 것 으로 생각되어진다.
운동유발전위검사는 대뇌피질의 운동 중추를 직접 자 극하여 주로 사지의 원위부 근육의 반응을 관찰하는 검 사로 경두개 자기자극을 이용한 운동유발전위검사는 대 뇌운동피질 활성도를 정확하게 측정할 수 있으며 능동 적인 운동이 불가능한 경우에도 검사를 시행할 수 있는 장점이 있다. 따라서 뇌손상 후 경두개 자기자극을 통 한 사지 원위부 근육에서의 운동유발전위검사는 운동신
경기능의 회복 기전을 밝히는 비침습적 검사로 널리 사 용되고 있다.5,6
본 연구는 경두개 자기자극을 이용한 운동유발전위검 사를 통하여 정상인에서 체간근의 운동신경지배의 특성 을 알아보고자 하였으며, 체간부 근육에 따라 운동신경 지배 양상에 차이가 있는가를 알아보고자 하였다.
연구대상 및 방법
1. 연구대상
신경학적 증상이나 신경손상의 기왕력이 없는 정상 남성 성인 14명을 대상으로 하였으며, 평균연령은 28±
5세(24~35세)이었다. 연구 대상자는 반복 경두개 자기 자극 대상군 선정 양식7에 의거하여 선정하였으며 연구 참여 중 일어날 수 있는 정신적, 신체적 위해를 충분히 설명한 후 서면 동의서를 받았다.
2. 연구방법
근전도 기기는 Medtronic Keypoint�(Medtronic Inc., Skovlunde, Denmark)를 이용하였으며 민감도 는 50 μV~1 mV/division, 2~2000 Hz의 여과선정 과 소인속도는 50 ms로 설정하였다. 피검자들은 편안 한 자세로 누운 후 눈을 뜨고 검사하였다. 운동유발전 위의 측정 근육은 상지의 근위부 근육으로 어깨 세모근 을 선택하였으며 체간근으로 배곧은근, 배바깥빗근, 흉 추 4번 세움근과 흉추 9번 세움근을 선택하였다. 표면 전극을 이용하여 좌측과 우측 근육의 정해진 부위에 활 성전극을 부착하였으며 참고전극은 활성전극으로부터 최소 1 cm 이상 거리를 두고 부착하였고 접지전극은 흉골부에 부착하였다(Table 1). 이후 양측의 대뇌반구
의 좌측과 우측에서 순차적으로 경두개 자기자극을 가 하여 검사를 실시하였다.
자기자극은 Medtronic Magpro� (Medtronic Inc., Skovlunde, Denmark) 기기를 사용하였으며 직경 70 mm의 나비모양 코일로 좌∙우측의 최적 자극 점에서 경두개 자기자극을 실시하였다. 자극기는 양 날 개 접속부의 중앙점을 두피에 접선 방향으로 밀착시킨 후 손잡이를 정중시상선과 약 45�각도로 뒤로 가게 하 여 1 cm 간격으로 자극하였다. 자극 위치는 뇌파의 국 제 기록법인 10~20 기록표 좌표에 의하여 Cz에서 시 작하여 좌∙우로 운동유발전위가 유발되는 곳을 모두 찾았다. 자극간 간격은 10초 이상이 되도록 하였으며 자극기의 코일 온도는 35。C를 넘지 않도록 하였다. 최 대 자장강도는 2.0 Tesla이며 자극기는 최대 자극강도 의 50%에서부터 5%씩 증가시키면서 흥분 역치가 가장 낮은 곳을 찾았다. 이 부위를 최대 자극강도의 80%에 서 100%까지 증가시키면서 자극하여 각 근육에서 유발 된 운동유발전위의 잠시와 정점간 진폭을 구하였다. 한 부위당 4회씩 자극하여 잠시는 가장 짧은 것을 취하고 진폭은 4회 자극하여 얻은 값을 평균으로 하였다. 흥분 역치가 가장 낮고, 잠시가 가장 짧고, 평균 진폭이 가 장 큰 부위를 최적 자극점으로 정하였다. 동측 운동유 발전위가 관찰된 경우 자극 코일의 방향을 옮김에 따라 잠시의 변화가 있는지를 확인하여, 최대 강도의 자기자 극에 의하여 뇌의 심부구조가 활성화되어 동측 운동유 발전위가 유발된 것이 아닌, 대뇌피질영역의 활성화에 의하여 동측 운동유발전위가 관찰되었음을 확인하였다.
운동유발전위검사의 결과는 좌측과 우측 대뇌반구를 순차적으로 자극하여 나타난 동측 운동유발전위의 출현 빈도와 동측 운동유발전위의 잠시와 진폭을 반대측 운 동유발전위의 잠시와 진폭과 비교하여 분석하였다.
통계 분석은 윈도우용 SPSS version 13.0 (Chica- go, IL, USA) 통계프로그램의 paired student’s t-
Table 1. Electrode Placement for Electromyography Recording of Trunk Muscles
Muscle Electrode placement1
Deltoid Active: halfway between the tip of the acromion and the deltoid turbercle Reference: deltoid tubercle of the humerus
Rectus abdominis Active: 3 cm lateral to the umbilicus
Reference: over the costal margin to the rib cartilage
External oblique Active: 15 cm lateral to the umbilicus, anterior to axillary line Reference: anterior superior iliac spine
Upper thoracic paraspinalis Active: 5 cm lateral to T4 spinous process Reference: T4 spinous process
Lower thoracic erector spinae Active: 5 cm lateral to T9 spinous process Reference: T9 spinous process
1. All measures are approximate, and taken into account anthropometric differences between subjects.
test를 이용하였으며, p<0.05를 통계학적으로 유의한 수준으로 채택하였다.
결 과
1. 동측 운동유발전위의 발현빈도
상지의 근위부 근육인 어깨 세모근에서 동측 운동유 발전위가 관찰된 경우는 없었으며, 반대측 운동유발전 위는 14인 모두에서 관찰되었다. 체간부 근육인 배곧은 근, 배바깥빗근, 흉추 4번과 9번 세움근에서 14인 모두 반대측의 운동유발전위가 관찰되었다.
배곧은근에서 우측 반구 경두개 자기자극 시 14인 중 11인에서 양측에서 운동유발전위가 관찰되었으며 좌측 반구 자극 시 14인 중 10인에서 양측에서 운동유발전위 가 관찰되어 동측 운동유발전위가 총 28회 중 21회에서 관찰되었다. 배바깥빗근에서 우측 반구 자극 시에는 14 인 중 8인에서, 좌측 반구 자극 시에는 9인에서 양측 운동유발전위가 관찰되었다. 흉추 4번 세움근에서 우측 반구 자극 시와 좌측 반구 자극 시 각각 10인에서 양측 의 운동유발전위가 관찰되었다. 흉추 9번 세움근에서는 우측 반구 자극 시 14인 중 10인에서 양측 운동유발전 위가 관찰되었으며, 좌측 반구 자극 시에는 8인에서 운 동유발전위가 관찰되었다.
동측 운동유발전위의 발현빈도는 어깨 세모근 0%,
배곧은근 75%, 배바깥빗근 61%, 흉추 4번 세움근 71%, 흉추 9번 세움근 67%이었다(Table 2).
2. 운동유발전위의 잠시와 진폭
동측 운동유발전위가 관찰된 배곧은근, 배바깥빗근, 흉추 4번 세움근, 흉추 9번 세움근에서 동측과 반대측 운동유발전위의 잠시의 차이는 배곧은근에서 4.29±
1.26 msec, 배바깥빗근 3.61±2.46 msec, 흉추 4번 세움근 4.01±2.15 msec, 흉추 9번 세움근 3.59±
1.21 msec로 각각의 근육의 동측 운동유발전위의 잠시 는 반대측 운동유발전위의 잠시보다 통계적으로 의미있 는 연장을 보였다(p<0.01)(Table 3).
동측 운동유발전위의 정점간 진폭은 배곧은근 1.02 mV, 배바깥빗근 1.47 mV, 흉추 4번 세움근 340.00 μV이었으며 반대측 운동유발전위의 정점간 진폭은 배 곧은근 1.86 mV, 배바깥빗근 3.47 mV, 흉추 4번 세 움근 705.86 μV로 통계적으로 의미있는 차이를 보이고 있었다(p<0.05). 흉추 9번 세움근의 동측 운동유발전위 의 정점간 진폭은 428.94 μV이었으며 반대측 운동유발 전위의 정점간 진폭은 457.09 μV로 측정되었다. 반대 측 운동유발전위의 진폭에 대한 동측 운동유발전위의 진폭의 비는 배곧은근에서 0.55, 배바깥빗근에서 0.42, 흉추 4번 세움근에서 0.48, 흉추 9번 세움근에 서 0.95이었다(Fig. 1).
Table 2. Incidences of Ipsilateral MEPs1Induced by TMS2
Muscles Number of ipsilateral MEPs / Total number of MEPs %
Delotid 10/21 80
Rectus abdominis 21/28 75
External oblique 17/28 60
Upper thoracic erector spinae 20/28 71
Lower thoracic erector spinae 18/28 64
1. MEP: motor evoked potentials, 2. TMS: transcranial magnetic stimulation
Table 3. Latencies of Ipsilateral Versus Contralateral MEPs1Induced by TMS2
Muscles Ipsilateral MEP Contralateral MEP
Delotid Not evoked 12.52±1.69
Rectus abdominis 22.97±2.03* 18.43±2.12
External oblique 20.39±2.58* 17.71±1.88
Upper thoracic erector spinae 15.78±2.93* 11.81±2.02
Lower thoracic erector spinae 17.23±2.40* 14.40±1.61
Values are mean±SD (msec).
*p<0.01 (comparison with contralateral TMS)
1. MEPs: motor evoked potentials, 2. TMS: transcranial magnetic stimulation
고 찰
체간부 근육은 체간 자체의 움직임이나 사지의 움직 임과 상호작용하여 운동에 참여한다. 체간부 근육은 자 발적인 체간의 운동 시 주동근 또는 협력근으로 작용하 고 예기치 못한 사지의 운동 시 자동적으로 체간을 조 절하며 적절한 예상을 통하여 체간의 균형을 유지하는 역할을 한다.8,9 이 중 체간의 신전과 굴곡을 조절하는 주동근으로서 체간근의 신경지배는 미세 협응운동을 담 당하는 사지의 원위부 근육의 신경지배와는 양상이 다
른 것으로 알려져 있다.10-12
최근 경두개 자기자극을 통한 운동유발전위검사를 통 하여 상하지의 근육에 동측 피질척수로가 존재한다고 보고되고 있다.4,11-16 동측 피질척수로는 정상적인 운동 조절 회로 중 하나이며 뇌손상 이후 운동 회복 기전에 영향을 주는 것으로 알려져 있다. 체간근의 경우 양측 대뇌반구 피질척수로의 지배를 받고 있으며 이로 인하 여 뇌손상 후에도 체간근의 기능이 잘 유지되는 것으로 보고되고 있다. Strutton 등15에 의하면 배바깥빗근이 어깨 세모근이나 첫째 배부골간근에 비하여 동측 운동 Fig. 1. The Amplitude of ipsilateral and contralateral motor evoked potentials (MEPs) induced by transcranial magnetic stimulation.
Open bars represent stimulation of contralateral motor cortex and grey bars represent ipsialteral stimulation. Contralaetral MEP amplitude is larger than ipsialteral one in rectus abdominis, external oblique and upper thoracic erector spinae (*p<0.05).
신경회로의 지배가 상대적으로 뚜렷하다고 보고하였다.
Carr 등16은 배곧은근, 횡경막, 저작근에서 동측 운동 유발전위가 관찰된다고 보고하였으며, Bawa 등11은 어 깨 세모근, 가슴근, 등세모근에서 동측 운동유발전위가 관찰된다고 하였으며 Wassermann 등13은 상지의 근위 부 근육인 두갈래근 및 어깨 세모근에 동측 피질척수로 가 존재한다고 보고하였다. 즉 경두개 자기자극을 실시 할 때 자기자극의 강도를 고강도로 하고 표적근육을 최 대로 수축할 경우 동측 피질척수로가 상지의 여러 근육 에서 관찰되었다고 보고하고 있다.11-14
그러나 이러한 연구는 주로 상지 근육과 일부 체간근 에 국한되어 실시되었으며 정상인에서 다양한 체간근에 대한 운동신경지배의 연구는 부족한 실정이다. 이에 본 연구는 체간근의 선택에 있어서 기존 연구들이 복부근 이나 일부 한두 개의 근육만을 선택적으로 검사한 것과 는 달리 체간의 다양한 근육을 선택하여 검사하였다.
체간근의 경우 검사하는 근육 단독으로 선택적인 근육 수축을 유도하기 어렵기 때문에 본 연구에서는 자발적 인 근육수축을 하지 않고 최대 자극강도의 자기자극을 실시하였다. 본 연구에서 기존 연구 결과와는 달리 상 지의 근위부 근육인 어깨 세모근에서 동측 운동유발전 위가 관찰되지 않은 이유는 근육수축을 유도하지 않고 경두개 자기자극을 하였기 때문인 것으로 생각한다.
본 연구에서 모든 체간근에서 반대측 대뇌피질을 자 극하였을 때 운동유발전위가 관찰되었으며 동측 피질 척수로의 반응을 보인 경우는 배곧은근, 흉추 4번 세움 근, 흉추 9번 세움근, 배바깥빗근 순으로 나타나 척추 에서 인접한 근육에서 동측 운동유발전위가 보다 많이 관찰되었다. 검사한 체간근에서 지배적인 피질척수로는 반대측 운동신경지배 경로이었으며 기존의 연구16에서도 확인되었듯이 척추를 중심으로 근위부 근육인 배곧은근 에서 동측 운동신경지배의 출현빈도가 높았다.
체간근에서 동측 운동신경지배에 관여하는 신경회로 의 존재에 대해서는 여러 가지 가능성이 있다.16-19 대표 적인 동측 운동신경회로는 피질척수로의 20%를 차지하 는 전방 피질척수로로 이 회로는 동측 대뇌운동피질에 서 기시하여 체간근의 자발적인 굴곡 및 신전운동을 조 절하는 단일연접 신경회로로 알려져 있다. 이외에도 피 질망상척수로나 피질연수척수로와 같은 비피질척수로에 의한 동측 운동신경회로의 가능성도 배제할 수 없다.16 그밖에 반구간 연결회로(transcallosal pathway)18,19 또는 반대측 운동신경회로와는 달리 일차 운동영역이 아닌 전운동영역이나 보조운동영역에서 기시하는 경로 등20에 의한 운동신경회로 등도 동측 운동신경회로의 가 능성으로 제시되고 있다.
본 연구에서 동측 운동유발전위의 잠시는 반대측 운 동유발전위에 비하여 3~4 msec 정도 느린 것으로 나 타났다. 이와 같이 동측 운동유발전위의 잠시가 반대측
운동유발전위의 잠시보다 연장된 것은 동측의 운동유발 전위가 최대 자극강도로 경두개 자기자극을 실시함에 따른 자기자극의 반구간 파급에 의하여 유발된 것이 아 님을 의미한다. 또한 반구간 연결회로를 통한 운동유발 전위의 발현에는 약 5~10 msec의 시간이 필요하기 때 문에 동측 운동신경회로는 반구간 연결회로에 의한 것 이 아님을 추측할 수 있다.21 본 연구에서 나타난 바와 같이 동측 운동유발전위의 잠시가 반대측 운동유발전위 에 비하여 약 3~4 msec 정도 연장된 경우 동측 운동 신경회로는 동측에서 투사하여 상대적으로 느린 전달 속도를 가진 피질망상척수로나 피질연수척수로와 같은 비피질척수로에 의한 전달일 가능성을 의미한다고 생각 할 수 있다. 또한 반대측 운동유발전위에 비하여 연장 된 동측 운동유발전위의 잠시는 동측 운동신경지배가 반대측 운동신경지배에 비하여 해당 근육에 대하여 차 선의 조절을 하고 있다는 것을 시사한다. 동측 운동유 발전위의 진폭이 반대측 운동유발전위의 진폭에 비하여 작은 것도 체간근에 있어서도 반대측 운동신경회로가 보다 지배적으로 작용하는 것을 의미한다고 생각한다.
그러나 하부 체간근인 흉추 9번 세움근의 경우 동측과 반대측 운동유발전위의 진폭이 통계적인 차이가 없기 때문에 체간근에 따라 차이가 있음을 추측할 수 있다.
본 연구를 통하여 자발적인 체간근의 움직임을 담당 하는 운동신경회로는 반대측 대뇌반구의 지배를 우선적 으로 받고 있으며 상지 근육과는 달리 특정 조건이 없 는 상태에서도 동측 운동신경회로가 관찰되어 양측 대 뇌반구의 운동지배 양상이 상지 근육에 비하여 전형적 임을 알 수 있었다.
결 론
본 연구는 향후 뇌손상 환자에서 체간근의 운동신경 회로의 변화 양상과 이로 인하여 운동기능의 회복에 미 치는 영향을 알아보고자 하는 기저연구로서 정상인을 대상으로 한 체간근의 운동유발전위의 특성을 연구하였 다. 체간근에 따라 동측 운동유발전위의 발현빈도는 달 랐으나 수부 근육과는 다른 운동신경지배의 특성을 보 이고 있었다. 체간근의 대뇌피질의 지배 양상은 반대측 대뇌반구가 우세하였으며 수부 근육에 비하여 동측 운 동신경회로의 출현이 빈번하였고 이는 근육에 따라 차 이가 있는 것으로 관찰되었다. 보다 신뢰성 있고 일반 화된 결론 도출을 위하여 향후 보다 많은 정상인을 대 상으로 연구가 보강되어져야 할 것으로 생각한다.
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