대한물리의학회지제 권제 호 년 월 1) 동작관찰시뇌졸중환자의뮤리듬변화 윤태원 이문규 광주씨티재활병원재활센터 The Change of Mu Rhythm during Action Observation in People with Stroke Tae-Won Yun, PT, M

대한물리의학회지제 권제 호 년 월 1) 동작관찰시뇌졸중환자의뮤리듬변화 윤태원 이문규 광주씨티재활병원재활센터 The Change of Mu Rhythm during Action Observation in People with Stroke Tae-Won Yun, PT, MSc, Moon-Kyu Lee, PT, PhD Department of Rehab Center, Gwangju City Rehabilitation Hospital <Abstract> Purpose The aims of this study was to identify the activation of the mirror neuron system during action observation in people with stroke and the difference between left hemisphere and right hemisphere and to provide possibility of the use of action observation as a clinical method for improving motor function after stroke. Methods Seventeen participants were asked to observe 3 different stimulation conditions for 80 seconds. A 30 second rest period was given between stimulations. Electroencephalogram(EEG) signals from electrodes on the participant s scalp were recorded during action observation. The activation of the mirror neuron system(mns) between the picture observation condition and action observation condition was compared with a paired t-test. An independent t-test was used to compare difference between C3 and C4 on the activation of the mirror neuron system in the action observation condition. Results Result of paired t-test showed a significantly decreased log ratio in the activation of the mirror neuron system in the action observation condition compared to the picture observation condition. Result of the independent t-test indicated no significant differences in the activation of the mirror neuron system in the right and left hemisphere. Conclusion The mirror neuron system showed greater activation in the action observation condition than in the picture observation condition and activation in the both hemisphere during action observation. We conclude that these findings suggest that this may possibly be an efficient clinical intervention method for improving motor function. 교신저자 이문규, E-mail: moonkyukorea@gmail.com 논문접수일 2011 년 05 월 13 일 / 수정접수일 2011 년 07 월 18 일 / 게재승인일 2011 년 08 월 23 일

대한물리의학회지제 권제 호 Key Words Action observation, Mirror neuron system, Mu rhythm, Stroke Ⅰ. 서론 동작관찰은일반적으로인간이운동기술을학습하기위해흔히사용하는방법이다 (Blandin 등, 1999). 인간은다른사람이수행하는동작을관찰함으로써움직임을이해하며운동수행능력을향상시킨다 ( 박상범과김미현, 2005). 이렇게동작을관찰하여새로운기술을습득하는것을모방학습이라하며이를통해인간은학습한다 (Rizzolatti과 Craighero, 2004). 또동작관찰을통해주어진환경속에서다른사람의동작과의도를이해하며, 자신의행동에대한결과를예측할수있다 (Zentgraf 등, 2011). 이러한동작관찰에의한학습을설명하는데제안되고있는신경학적기전이바로거울신경세포시스템 (mirror neuron system; MNS) 이다 (Petrosini 등, 2003). 이세포는원숭이의운동앞겉질인 F5 영역에서처음발견되었다. 이세포들은원숭이가특정동작을직접수행할때나유사한동작을하는연구자나다른원숭이의동작을관찰할때모두발화하는특징이있다 (Rizzolatti 등, 1996). 관찰한동작이관찰자가그동작을수행할때관여하는운동투사영역에거울에서비친것처럼투사되기에이를거울신경세포 (mirror neuron; MN) 라고명명하였다 (Buccino 등, 2006). MNS가인간에서도존재한다는근거들은 EEG (Muthukumaraswamy 등, 2004), fmri(buccino 등, 2004b), MEG(Cheng 등, 2006), PET(Grafton 등, 1996), TMS(Maeda 등, 2002) 등과같은장비를사용한연구들을통해입증되었다 (Fabbri-Destro 과 Rizzolatti, 2008; Schulte-Ruther 등, 2007). 인간에서 MNS의위치를규명한연구들에따르면, 인간의 MNS는입쪽아래마루소엽부분 (rostal part of the inferior parietal lobule), 중심앞이랑의아래쪽부분 (lower part of the precentral gyrus) 에존재한다 (Rizzolatti과 Craighero, 2004). 인간의 MNS는물체와관련된동작을관찰하고 (Grafton 등, 1996; Muthukumaraswamy 등, 2004), 관찰한동작을이해하고 (Rizzolatti 등, 2009), 동작의의도를파악하고 (Iacoboni 등, 2005), 동작과관련된소리에반응 (Tettamanti 등, 2005) 한다는점에서원숭이 MN의특성과유사하다. 추가적으로, 인간의 MNS은흉내내기동작에반응하는것으로알려져있으나 (Buccino 등, 2001), 원숭이의 MN는손가락집기와같은물체기반동작 (object-directed action) 을관찰하는동안발화하는반면, 물체없이흉내내기만하는동작을관찰하는동안에는발화하지않는다고하였다 (Gallese 등, 1996). 인간의 MNS에대한신경생리학적근거는뇌전도 (electroencephalogram; EEG) 를사용한연구에서처음제시되었으며 (Bernier 등, 2007), 이후연구들에서는감각운동겉질에서발생하는뮤리듬 (Mu rhythm) 을통해 MNS 활성화를알아보았다 (Bernier 등, 2007; Perry과 Bentin, 2009). 뮤리듬은감각운동겉질위의두피에전극을부착하여전기적신호를기록한 8-13Hz 사이의파형으로 (Bernier 등, 2007), 대상자가움직이거나타인의움직임을관찰할때감소하는특성이있다 (Muthukumaraswamy 등, 2004). 뮤리듬이감소되는현상을뮤억제 (Mu suppression) 라고한다. 거울신경세포가존재하는곳으로추정되는배쪽운동앞겉질과뮤리듬이발생하는일차감각운동겉질은서로연결되어있다는해부학적근거와생리학적근거가제시되고있어 (Nishitani과 Hari, 2000), 일차감각운동겉질에서수집한뮤리듬을 MNS의활성화지표로사용할수있다는근거를뒷받침하고있다. 최근 Buccino 등 (2004a) 의연구에서는일반인이기타치는동작을관찰하는동안 MNS가활성화되었으며, Maeda 등 (2002) 의연구에서도동작관찰동안 MNS가활성화되었으며관찰한동작에서사용한부위에상응하는겉질척수로의흥분성이증가된것으로나타났다. 이결과들은동작관찰이 MNS을활성

동작관찰시뇌졸중환자의뮤리듬변화 화시키고실제움직임시관여하는근육의흥분성을변화시킨것으로해석할수있다. 또한이근거들은동작관찰훈련이 MNS의활성을기반으로뇌졸중환자의운동기능에변화를줄수있는가능성을제시하는것이며 (Buccino 등, 2006), 뇌졸중환자를위한유용한재활방법으로이용될수있음을제안한다 (Franceschini 등, 2010). 지금까지뮤리듬을통해뇌졸중환자를대상으로하여동작관찰시 MNS 활성화를알아본연구는없었다. 본연구의목적은뇌졸중환자들도일반인들처럼동작관찰을할때 MNS가활성화되는가를뮤리듬억제를통해알아보는것이다. 또한동작관찰시양쪽대뇌반구의 MNS 활성화차이도알아볼것이다. 이연구결과를통해 MNS에기반을둔동작관찰훈련을뇌졸중재활에서대안적중재로사용할수있는이론적기초를마련하고자한다. Ⅱ. 연구방법 상을관찰하였다. 2) 뇌파측정장비동작관찰시뇌파는 QEEG-8(LXE3208, LAXTHA Inc., 한국 ) 장비를사용하여측정하였다. 뇌파자료는두피에부착한 8개의전극을통해수집하였다. 각대상자들의뇌파는 256 Hz 샘플링주파수, 0.5~50 Hz의통과필터, 12-bit AD변환을통해컴퓨터에저장되었다. 뇌파측정을위한전극은국제 10-20 전극배치법 (International 10-20 method of electrode placement) 에따라부착하였다 (Fig 1). 먼저대상자들의두피를알코올솜으로닦아냈다. 닦은부위의알코올이충분히날아가도록한후 Ag/AgCl 전극용겔을이용하여 F3, F4, C3, C4, P3, P4, O1, O2에자료수집용전극을부착하였고접지전극은양쪽귀뒤쪽에부착하였다. 1. 연구대상자본연구는광주광역시소재 C 병원에내원한만성뇌졸중환자들을대상으로하였다. 대상자는뇌졸중으로진단받은지 6개월이상이경과한자, 상지에정형외과적질환이없는자, 두개골적출수술을받지않은자, 자발적으로실험에동의한자로하였다. 심각한우울증이있는자와 MMSE-K(Mini- Mental Status Examination-Korean) 점수가 23점이하로인지장애가있는자는대상자에서제외하였다. 2. 연구도구 1) 동작관찰동영상대상자들은각조건의화면을조용한공간에서 25인치화면을통해관찰하였다. 기초선조건은흰색바탕이었으며, 사진관찰조건은물통과 3개의컵이나오는사진이었다. 동작관찰조건은물통으로 3 개의컵에물을따르는장면이나오는동영상이었다. 동영상관찰조건에따른순서효과를배제하기위해모든대상자들은순서를무작위로하여동영 Figure 1. International 10-20 method of electrode placement for acquiring the EEG data 각조건별로 80 초동안뇌파신호를수집하였으 며시작부분과끝부분의 10 초를제거하고각조 건당 60 초의뇌파자료를만들었다. 컴퓨터에전송 된자료는동일회사의소프트웨어인 TeleScan 을 이용하여분석하였다. 뮤억제는하얀배경을관찰하는조건의뮤파워에

대한물리의학회지제 권제 호 대한각실험조건의절대뮤파워비 (absolute mu power ratio) 로계산하여일차적으로변환하였다. 그러나절대뮤파워비는값들이적고정규적 (normal) 이지않기때문에이를로그변환 (log transform) 하여로그비 (log ratio) 를계산하였다. 이러한과정으로계산된로그비가 0보다적으면뮤억제를, 0보다크면뮤증가를, 0이면억제가없음을나타낸다. 3) 측정절차조용한공간에대상자들이편안하게앉도록하였고, 주의사항및절차에대해충분히설명한후자료수집을위한전극을두피에부착하였다. 대상자들에게측정동안최대한움직이지않도록설명한후측정을실시하였다. 측정시하얀배경, 물통과 3개의컵이나오는사진, 물통을잡아컵에물을따르는동영상을대상자에게무작위로제시하여관찰하도록하였다. 3개조건의화면을관찰하는동안뇌졸중환자들의두피에부착한전극으로부터 EEG 자료를수집하였다. 3. 자료분석국제 10-20 전극배치법에따른 C3와 C4 영역은감각운동겉질에해당하는부위로써이부위에서발생한뮤억제를 MNS의활성화지표로사용된다 (Oberman 등, 2007). 따라서본연구에서는사진관찰조건과동작관찰조건의뮤억제를비교하기위해 C3와 C4 영역위의전극에서수집한 EEG 신호만을분석하였다. 수집된자료의정규성검정을위해 Kolmogorov- Smirnov 검정을시행하였다. 검정결과, 정규성가정을만족한것으로나타나모든검정은모수검정방법을사용하여분석하였다. 각조건에서얻은뮤리듬으로로그비를구한후짝비교 t검정으로비교하였다. 동작관찰시, 좌뇌반구와우뇌반구의 MNS 활성차이를비교하기위해 C3와 C4 영역에서얻은자료의로그비를독립 t검정으로분석하였다. 모든분석은통계분석프로그램인 SPSS for Window 17.0을이용하여분석하였고, 통계학적유의수준은 α=.01로정하였다. ** P<.01 Ⅲ. 결과 1. 연구대상자의일반적특성 연구대상자는만성뇌졸중환자 17 명 ( 남자 10 명, 여자 7 명 ) 이었다. 평균나이는 62.41 세였으며, 평균 유병기간은 15.29 개월이였다. 뇌졸중유형은뇌출혈 이 6 명, 뇌경색이 11 명이었고, 마비부위는오른쪽이 7 명, 왼쪽이 10 명이었다. 본연구대상자의일반적 특성은 Table 1 과같다. Table 1. The general characteristics of subjects (N=17) gender lesion area characteristics precalence period(months) a : mean±sd age(years) 2. 조건간뮤리듬차이 subject male 10 female 7 right 7 left 10 a 15.29±17.27 a 62.41±8.83 사진관찰조건에서로그비는 -.00±.11 이었고, 동 작관찰조건에서로그비는 -.08±.11 이었다. 사진관찰 Figure 2. The difference of mu rhythm between the picture observation condition and the action observation condition

동작관찰시뇌졸중환자의뮤리듬변화 조건과동작관찰조건사이의뮤리듬차이를비교한 결과, 두조건의로그비는동작관찰조건이사진관 찰조건보다유의하게작았다 (p<.01)(fig 2). 3. 동작관찰시 C3 와 C4 영역의뮤리듬차이 물따르기동작을관찰하는동안 C3 의뮤로그 비는 -.08±.12 였고, C4 의뮤로그비는 -.08±.12 였다. 동작관찰조건에서동작관찰시좌뇌반구와우뇌반 구의차이를비교하기위한검정결과, 두영역에서 얻은로그비는유의한차이가없었다 (p>.01)(fig 3). Figure 3. The difference of mu rhythm between C3 and C4 during the action observation condition Ⅳ. 고찰 본연구는뮤리듬억제를통해뇌졸중환자에서 동작관찰시 MNS 활성화차이를알아보고자하였 고, 또한동작관찰시양쪽대뇌반구의 MNS 활성 화차이를알아보고자하였다. 연구결과, 동작을 관찰하는조건에서뮤로그비가가장많이감소한 것으로나타났다. 이는인간의 MNS 가정적인사진 을관찰할때보다동작을관찰하는동안더강하게 활성화되는것으로볼수있다. 또한동작을관찰하 는동안좌뇌반구와우뇌반구의 MNS 활성화차이 는없는것으로나타났으며, 이는동작관찰시좌뇌 반구와우뇌반구의 MNS 가모두활성화된것으로 볼수있다. Holmes(2011) 는뇌졸중환자를대상으로흰색배 경, 움직이지않는손, 공잡는손동작을관찰하는동안대상자의손가락에서운동유발전위와뮤리듬을측정하여조건간차이를비교하였다. 그결과공잡는손동작을관찰하는동안운동유발전위진폭이다른조건의운동유발전위진폭보다더크게증가하였고, 뮤리듬은다른조건에비해더강하게억제되었다고보고하였다. 이연구는정적인사진을관찰할때보다동적인동작을관찰할때 MNS가더강하게활성화함을입증하는연구로써, 사진을관찰할때보다동작을관찰할때 MNS가더강하게활성화된것으로나타난본연구의결과와일치하였다. 최근연구에서인간의 MNS는생물학적효과기의영향을받지않는다고하였다 (Oberman 등, 2007). 이연구에서는일반인 20명을대상으로로봇손으로수행하는동작과인간의손으로수행하는동작을관찰할때 MNS의활성을비교한결과, 로봇손이나인간의손동작관찰시모두 MNS가활성화되었으며두조건사이의차이는없었다고밝혔다. 이는인간의 MNS는원숭이와는달리생물학적효과기가아닐지라도물체지향적동작을관찰하는동안활성화되는것으로볼수있다. 본연구에서동작관찰동안양쪽대뇌반구사이의변화를알아본결과, 동작을관찰하는동안좌뇌반구와우뇌반구사이에서 MNS 활성화차이는없는것으로나타났으며, 이는뇌졸중환자에서 MNS 가동작관찰시양쪽대뇌반구에서동일하게활성화하는것으로해석할수있다. 이에반해, Kilner 등 (2009) 은일반인을대상으로화면에서오른손이움직이는영상을관찰하는동안화면에서움직이는손과같은쪽대뇌겉질이반대쪽대뇌반구보다강하게활성화된다고보고하였다. 이결과는손동작관찰에의해양쪽대뇌반구가활성화되는것이아니라화면에서보이는손의움직임에따라관찰한손과같은쪽대뇌반구가활성화되는것으로볼수있다. 하지만 Buccino 등 (2001) 의연구에서는우세손이오른손인정상인을대상으로물체관련입, 손, 팔동작을관찰하는동안 MNS의활성화부위를알아보았다. 연구결과, 물체관련입, 손, 팔동작을관찰하는동안각각의조건에따라활성부위가각기

대한물리의학회지제 권제 호 달랐으나모든조건들에서양측대뇌반구가활성화된것으로나타났다. 이중물체관련손동작을관찰하는동안양측대뇌반구의운동앞겉질은모두활성화된것으로나타났다. 이는동작을관찰하는동안양쪽감각운동겉질의 MNS가모두활성화된본연구의결과와도동일한결과이다. Iacoboni 등 (1999) 은일반인을대상으로손가락움직임관찰, 모방, 시각적자극조건에서인지적과제를수행하라고요구하고 MNS 활성부위를확인하였다. 그결과, 관찰조건과실행조건에서활성부위가서로유사하다는점을확인하였다. 또다른연구에서는 MNS를활성화시키는동작관찰은동작을직접실행할때사용하는운동시스템과유사한운동시스템을활성화시킨다고하였다 (Rizzolatti과 Craighero, 2004). 이는동작관찰이뇌졸중재활의목표가되는동작의내적투사를형성하는데도움이된다고볼수있으며, 목표지향적행동과관련있는신경구조들을동원함으로써뇌졸중환자들의회복을촉진한다고해석할수있다. 김종만등 (2010) 은동작관찰훈련을신경계재활분야의대안적중재로사용이가능한가를확인하였다. 이연구에서는뇌졸중환자를대상으로동작관찰훈련을실시하기전과실시한후손가락근육에서운동유발전위를측정하고손조작능력을비교하였다. 연구결과, 동작을관찰하지않은채신체훈련을한조건보다동작관찰훈련을실시한조건에서운동유발전위와손조작능력이유의하게증가한것으로나타났다. 이결과는동작관찰훈련이뇌졸중환자를위한중재방법으로활용될수있다는가능성을입증한결과이다. 본연구에서사용한 EEG 장비의낮은해상도때문에명확한 MNS 활성영역을알아보는것은어려웠다. 또한대조조건으로연구상황과연구동영상을이용한추가적연구도필요하다. 일반인과마찬가지로뇌졸중환자들도동작관찰시에 MNS가활성화된다는것을입증한본연구의결과를토대로, 동작관찰은뇌졸중환자의신경학적회복과기능적회복을촉진할수있는신경시스템을동원시킬수있다고사료된다. Ⅴ. 결론 본연구에서는뮤리듬을통해동작관찰시뇌졸중환자의 MNS 활성화를알아보았다. 연구결과, 사진관찰조건에비해동작관찰조건에서 MNS가강하게활성화되었으며, 동작관찰시양쪽대뇌반구의 MNS 활성화에는차이가없었다. 본연구를통해뇌졸중환자도일반인처럼정적인사진을관찰할때보다는동적인동작을관찰할때 MNS가더강하게활성화되는것을확인하였다. 뇌졸중재활에서동작관찰을이용한중재를사용하면움직임과관련된신경시스템을동원할수있으며, 동작관찰은운동기술을학습시키는유용한도구가될수있다. 참고문헌 김종만, 양병일, 이문규. 동작관찰훈련이뇌졸중환자의손조작능력에미치는영향. 한국전문물리치료학회지. 2010;17(2):17-24. 박상범, 김미현. 뇌졸중환자의재활을위한인지적중재전략으로서의운동심상과활동관찰. 한국특수체육학회지. 2005;13(2):109-20. Bernier R, Dawson G, Webb S et al. EEG mu rhythm and imitation impairments in individuals with autism spectrum disorder. Brain Cogn. 2007; 64(3):228-37. Blandin Y, Lhuisset Ln, Proteau L. Cognitive Processes Underlying Observational Learning of Motor Skills. The Quarterly Journal of Experimental Psychology Section A: Human Experimental Psychology. 1999;52(4):957-79. Buccino G, Binkofski F, Fink GR et al. Action observation activates premotor and parietal areas in a somatotopic manner: an fmri study. Eur J Neurosci. 2001;13(2):400-4. Buccino G, Lui F, Canessa N et al. Neural circuits involved in the recognition of actions performed by nonconspecifics: an FMRI study. J Cogn Neurosci. 2004;16(1):114-26. Buccino G, Solodkin A, Small SL. Functions of the

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