본 연구는 손 끝 피부 온도 자극에 의한 중추신경계의 전략 수정과 힘 생성의 안정성에 미치는 영향을 규명하고자 하였다. 이에 손 끝 피부 온도 자극이 운동수행력과 안정성 유지에 미치는 영향을 확인하고자 각 과제를 수행하였다. 그 결과 검지 최대 자발적 수축력 생성 과제에서는 손 끝 온도 자극에 의한 힘 생성의 정도에는 유의한 차이가 없었으며(가 설 1), 점진적 힘 생성 과제에서는 과제 손가락이 중지일 때 손가락 간 독립성에 유의한 차이가 나타났다(가설 2). 또한 일정 합력 생성 과제 결 과 평균 제곱근 오차(RMSE)는 온도에 따른 유의한 차이가 없었으나 힘 분배(Force sharing)와 각 손가락 힘 값의 변동계수(CV)는 유의한 차이를 보였다. 반면 과 가 모두 증가하여 두 변인의 상댓값으로 나 타나는 공동작용 지수()는 온도에 따라 유의한 차이를 보이지 않았다 (가설 3).
1. 검지 최대 자발적 수축력 생성 과제 (Index Maximum voluntary contraction force production task) 에 대한 연구
선행연구에서는 신경차단마취(ring block anesthesia)를 통해 엄지와 검지 의 감각을 제거하였을 때 집기 과제(pinch grip task)의 최대 자발적 수축 력이 감소하였다고 보고하였다(Augurelle et al., 2003). 네 손가락을 마취시 켜 피부감각 피드백을 제거한 또 다른 선행연구에서는 각 손가락 최대 자발적 수축력뿐만 아니라 총 최대 자발적 수축력 또한 25% 감소하였다 고 보고하였다(Shim et al., 2011). Nielsen의 연구에서는 대퇴사두근에 고 장식염수(hypertonic saline)를 주입하여 통각을 자극하였을 때 무릎 관절
최대 자발적 토크 생성량이 감소하였다고 밝혔다. 이에 본 연구는 손 끝 의 추가적인 피부감각 피드백이 손가락 최대 자발적 수축력을 변화시킬 것이라 예상하였지만 실험 결과 온도자극에 따른 검지 최대 자발적 수축 력의 유의미한 차이는 나타나지 않았다. 따라서 손 끝 온도자극을 통한 피부감각 피드백의 유형과 정도의 변화는 최대 자발적 수축력의 변화를 일으키기 충분하지 않다는 것을 확인할 수 있다.
하지만 피드백의 변화가 운동단위의 동원(recruitment)과 운동단위 발화 율(firing rate, discharge rate)에 영향을 미쳤을 가능성을 간과할 수 없다. 힘 값은 동원된 운동단위의 개수와 그 운동단위의 발화율에 따라 결정된 다고 알려져 있으며 선행연구에 따르면 피부자극에 따라 점진적으로 힘 값을 증가시키는 과제에 동원되는 운동단위의 순서가 달라질 수 있다 (Garnett & Stephens, 1981). 또 다른 선행연구에서는 척골신경을 차단하여 손의 피부감각 피드백을 제거한 후 최대 자발적 수축력 과제를 시행할 때 감각신경이 정상적으로 작용할 때보다 운동단위의 평균발화율이 유의 하게 감소하였다고 밝힌 바 있다(Reilly et al., 2008). 따라서 손 끝 온도조 건에 따른 최대 자발적 수축력의 변화는 유의하지 않았지만 힘 값 생성 에 영향을 미치는 운동단위의 개수, 운동단위 발화율의 상대적인 변화가 존재했을 가능성이 존재하므로 추후 연구에서 동원된 운동단위를 측정하 여 이를 확인할 수 있을 것이다.
2. 점진적 힘 생성 과제 (Single-finger ramp force
production task) 에 대한 연구
손가락 종속성에 대해 다룬 여러 선행연구에서 손가락들의 독립적인 작용은 생체역학적 조건과 신경학적 조건과 같은 내부적인 제약조건에 의해 영향을 받는다고 밝혔다(Schieber, 1995; Hager-Ross & Schieber, 2000).
특히 여러 손가락을 이용한 힘 생성 시 과제 손가락과 인접한 손가락일 수록 종속성의 영향이 크게 나타나며 이러한 현상은 인접 종속성 가설 (proximity theory)을 설명한다(Olafsdottir et al., 2005). 이 가설을 확인하기 위해 본 연구에서 계산한 인접 종속성 지수(proximity index)에서는 온도에 따른 유의한 변화를 확인할 수 없었다. 이는 과제 손가락과의 해부학적인 거리를 기준으로 인접성을 정의하는 방식에 의한 결과라고 생각된다. 예 를 들어 온도 자극을 받은 검지가 과제 손가락일 경우 가장 인접한 손가 락은 온도 자극을 받지 않은 중지가 될 것이며, 중지가 과제 손가락일 경 우 가장 인접한 손가락에는 온도자극을 받은 검지가 속할 것이다. 따라서 인접한 정도의 순서대로 분류되는 계산 상의 특징에 따라 온도 자극의 영향을 받은 손가락과 그렇지 않은 손가락의 영향이 함께 포함되어 상쇄 되었을 가능성이 존재한다.
손가락 간 상호작용의 또 다른 특징으로 잘 알려진 것은 오차 보상 (error-compensation)에 관한 것이다. 오차 보상은 공동작용의 근본적인 특 징으로 이해되고 있으며 과제를 수행하기 위해 조작되는 손가락들 간의 강한 부적(negative) 관계를 특징으로 한다(Latash, 2008). 종속성은 각 손 가락 생성 힘 사이의 정적 상관을 나타내는 반면 오차 보상은 손가락 생 성 힘 사이의 부적 상관을 뜻함으로 따라서 종속성과 오차 보상은 수행 손가락들의 상관관계의 측면에서 서로 반대의 의미를 가진다(Martin et
al., 2009). 본 연구 결과에 따르면 중지가 과제 손가락일 시 온도증가에
따라 종속성 지수(enslaving index)가 감소하여 독립성의 증가가 나타났다. 이는 온도가 증가함에 따라 중지의 독립적 작용이 가능하며, 따라서 과제 수행 시 손가락 간 오차를 보상하기 위한 수행을 나타내기 적합한 상태 임을 의미한다.
3. 일정 합력 생성 과제 (Multi-finger steady-state force
production task) 에 대한 연구
본 연구에서 검지 끝에 가해지는 온도가 증가함에 따라 검지와 중지 의 힘 분배가 각각 증가, 감소했으며 힘 분산값인 변동계수가 검지, 중 지, 약지에서 모두 증가하는 경향을 확인하였다. 온도자극을 직접 부여받 은 검지의 힘 분배가 증가함에 따라 일정 합력을 유지시키기 위해 중지 의 힘 분배가 감소하였으며 이는 온도 증가에 따른 중지의 종속성 감소 의 긍정적인 결과로 이해된다. 증가한 변동계수와 관련하여, 선행연구에 따르면 종아리 피부에 유해하지 않은(non-noxious) 온도를 가했을 때보다
유해한(noxious) 온도를 가했을 때 자세를 유지하는 과제를 수행하기 어
려웠으며 이는 압력중심점(Center of Pressure)의 변화량 증가로 나타났다
(Garry A Tew, 2010). 이는 직접적으로 온도자극을 받은 검지의 변동계수
증가를 뒷받침하는 연구 결과인 반면 온도자극을 받지 않은 나머지 손가 락의 변동계수 증가는 설명하지 못한다. 하지만 손가락 힘 생성 간 적응 이 일어난다는 ‘적응전략(adaptive strategy)’으로 이를 설명할 수 있다.
Côté 외 연구자들의 연구(2002, 2008)에서는 운동학적으로 풍족한 요 소를 가지는 다관절 움직임에 대한 연구를 통해 피로 시 중추신경계
(CNS)가 피로의 영향을 받지 않은 요소들의 자유도를 더 많이 사용한다
고 밝혔다. Singh 외 연구자들의 연구(2010)에서는 피로에 의해 한 손가 락 힘 값의 분산이 증가할 때 피로의 영향을 받지 않은 다른 손가락들의 힘 값 분산 또한 증가하여 합력을 안정화, 과제수행의 정확성을 유지한 다고 설명하였다. 이는 피로의 영향을 받은 요소들의 수행변화를 보상하 기 위하여 피로의 영향을 적게 받은 요소들 또한 수행의 변화를 일으켜 일정한 과제수행을 만족시키는 적응전략(adaptive strategy)을 제안한다. 본 연구에서도 수행에 정확성은 유의한 차이가 없는 반면 온도 증가에 따른 각 손가락 힘 값 변동계수의 유의한 증가를 확인할 수 있었다. 앞선 선
행연구에서 일부 손가락의 상태를 변화시키기 위해 피로를 이용하였다는 점과는 다르게 본 연구에서는 온도자극을 이용하였다는 점에서 차이가 있지만, 온도자극의 영향을 받은 손가락의 수행오차 증가를 영향을 받지 않은 다른 손가락들의 수행오차 증가를 통해 과제 수행력의 정확성을 유 지하였다는 점에서 ‘적응전략’ 이론을 뒷받침할 수 있다.
공동작용의 관점에서, 각 손가락에서 나타난 변동계수의 증가와 함께
과 가 모두 증가한 것을 확인할 수 있다. 각 손가락의 힘 값 변화가 동시에 동일한 방향으로 증가 혹은 감소하여 정적 상관을 가진다 면 그만큼 합력의 오차가 발생할 것이다. 하지만 본 실험 결과 평균 제 곱근 오차에는 유의한 차이가 없었으므로 각 손가락들이 발생시키는 변 동계수는 부적 상관을 가진다고 이해할 수 있으며 이는 온도가 증가함에 따라 손가락 간 종속성이 감소한 것의 긍정적 결과로 생각된다. 또한 일 정 합력을 유지하기 위해 각 손가락들의 힘 값이 반대로 증가 혹은 감소 를 활발히 반복하는 것은 의 증가로 나타날 수 있으며 감소한 손가 락 간 종속성과 함께 손가락 시스템의 안정성과 유연성(Flexibility)을 증 가시켰다고 이해할 수 있다. 반면 의 증가는 직접적으로 온도의 영 향을 받은 검지에 작용하는 반사작용(reflex) 등 예측하지 못한 힘 값의 변화로 인해 나머지 손가락의 힘 값 변화에 지연(delay)이 발생했을 가능 성이 존재한다. 이 두 분산의 결과 공동작용 지수()에서 온도에 따른 유의미한 차이를 확인하지 못하였다.
4. 연구의 제한점
1. 본 연구에서 각 온도수용기를 자극하기 위해 부여한 특정 온도가 실제 피험자의 수용기를 정확히 자극하였는지 확인할 수 없다. 통각수용 기를 자극하기 위해 손 끝에 부여한 43℃의 온도가 실제 통각수용기를 자극하였는지 확인할 수 없으므로 개인에 따라 43℃의 온도가 충분히 뜨 겁지 않아 온각수용기 자극에 그쳤을 가능성이 존재한다.
2. 힘 값을 피험자 별 %MVC로 평준화하였지만 절대적인 힘 값은 차 이가 있으므로 피험자마다 손 끝과 패드가 접촉하는 면적, 손 끝이 감지 하는 압력의 차이가 발생할 수 있다. 추후의 연구에서 힘의 정도가 비슷 한 피험자를 모집하고 패드에 접촉하는 손 끝의 너비를 측정하여 제시한 다면 압력, 접촉 면적에 따른 영향을 배제할 수 있을 것이다.