Comparison of Electroencephalographic Changes during Mental Practice and Action Observation in Subjects with Forward Head Posture

상상연습과 동작관찰 동안 전방머리자세의 대뇌겉질 활성도 비교

Abstract

Purpose : The purpose of this study was to investigate the difference in motor cortical excitability during mental practice and action observation in subjects with forward head posture. Methods : This study was performed in two groups, a forward head posture group (n=17) and a normal posture group (n=17). Electroencephalography (EEG) was conducted to investigate cerebral cortex activity, and six electrodes were attached to Fp1, Fp2, C1, C2, C3, and C4 to measure the relative alpha power, relative beta power, relative gamma power, and mu rhythms. The subjects were requested to perform the four different conditions, which were eye opening, eye closing, mental practice, and action observation for 300 seconds. Results : The results showed that the relative alpha waves showed a significant difference between the normal and forward head posture groups in the C1, C2, C3, and C4 regions with the eyes open (p<.05). The relative beta waves also showed a significant difference between the two groups in the Fp1 and Fp2 regions during action observation (p<.05). The relative gamma waves were significantly different between the normal and forward head posture groups in the Fp1 and Fp2 regions during action observation (p<.05) in C1, C2, and C3 with eyes closed (p<.05) and in C1, C2, C3, and C4 with eyes open (p<.05). Conclusion : The results of this study showed that EEG change in the forward head posture group was different from that in the normal control group in action observation rather than in mental practice. Therefore, we are expected to provide a neurophysiological basis for applying action observation to motor skill learning during exercise for correcting forward head posture.

Ⅰ. 서 론 

직접적으로 운동을 하지 않고 운동학습을 향상시키는 방법으로 상상연습과 동작관찰에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다(Perry & Bentin, 2009). 

상상연습은 운동을 하지 않기 때문에 에너지 소모가 적고, 새로운 운동기술 습득에 효과적이고, 근력 증진 혹은 운동 수행능력 향상에 효과적인 방법으로 인식되고 있다(Biddle, 1985; Maring, 1990). 운동 장면에 대한 상상연습과 실제연습은 운동앞구역(premotor area)과 마루엽(parietal lobe)에서 활성화되는 뇌의 영역이 일치하며(Bulter와 Page, 2006), 이는 외부적인 자극이 있거나 없을 때 시각, 청각, 후각, 촉각, 운동감각 등의 여러 감각들을 회상하는 인지 과정을 말한다(Jackson 등, 2001). 충분히 훈련된 상상연습은 실제 운동제어과정에서 발생되는 근육계와 신경계에 대한 반응과 패턴을 이끌어 낼 수 있다(Decety, 1996). 상상연습의 선행연구들로 Lafleur 등(2002)은 특정한 움직임의 과제를 실제적으로 수행했을 때와 그 움직임을 상상 했을 때를 비교한 결과 활성화되는 뇌 영역과 활성 정도가 유사하게 나타나는 것을 발견하였고, 특히 뇌의 보완운동영역(supplementary motor area)이 활성화되었다고 발표했다. Page 등(2001)은 뇌졸중 환자를 대상으로 상상훈련을 시행하였는데, 그 결과 대조군에 비해 상지의 기능이 향상되었다고 하였고, Yoo(2000)은 편마비 환자의 좌·우 대칭적 체중지지 훈련 시 시각피드백만 주는 것보다 상상연습을 병행하였을 때 환측 체중지지율의 향상과 유지에 더 높은 효과를 나타내었다고 보고하였다. 

동작관찰은 다른 사람의 행동을 관찰함으로써 행동의 형태와 동작을 이해하고, 그것을 선택하여 모방하는 것으로(Ashford 등, 2006), 일반인, 스포츠 선수, 운동장애를 가진 환자에게도 운동기술의 향상과 학습을 위해 적용되고 있는 인지적 중재방법이다(Buccino 등, 2004; Rizzolatti  등, 2001). 동작관찰에 대한 신경생리학적 근거는 1996년 이탈리아의 Parma대학교의 신경과학자 Giacomo Rizzolatti의 원숭이 실험에서 처음으로 보고 된 거울신경시스템(mirror neuron system)을 기초로 한다. 사람의 뇌에서는 운동앞이랑, 아래마루엽과 아래이마엽이랑, 마루엽영역과 위쪽관자엽고랑이 있는 배쪽운동앞겉질(ventral premotor cortex)에 해당되는 곳이며(Fabbri-Destro와 Rizzolatti, 2008; Iacoboni와 Dapretto, 2006), 원숭이와 달리 실제 목표물 없이 흉내내는 동작과 자발적인 동작에서도 활성화 된다(Buccino 등, 2001). 동작관찰의 선행연구들로는 동작관찰훈련 시 뇌 영상 변화를 관찰한 연구에서 동작관찰훈련을 할 때와 직접 움직일 때 같은 뇌 영역이 활성화된다고 하였고(Filimon 등, 2007), Kim 등(2010)은 뇌졸중 환자에게 동작관찰훈련을 실시하였을 때, 운동유발전위가 큰 폭으로 증가되었는데 이는 겉질척수로의 흥분성을 증가시켜서 손의 조작능력을 향상시켰다고 보고했다. 또한, 목표지향적인 손 동작관찰에서 척수의 활성화에 영향을 미치고, 운동 수행과 운동학습을 촉진시킬 수 있다고 하였다(Petrosini 등, 2003). 

뇌파는 머리표면에 전극을 부착하여 뇌 세포 간 주고받는 전기적 신호의 변화를 측정하는 것이며, 비침습적으로 객관적인 대뇌겉질 활성화를 측정 할 수 있다(Wing, 2001). 뇌파는 뇌의 활동, 활성 상태를 보여주는 중요한 정보이며, 의식과 정신활동에 따라 특정하게 변하는 패턴을 가진다(You, 2011). 

전방머리자세(forward head posture)는 장시간 책상에 앉아 있는 사무직 근로자 및 학생들에게 많이 발생하는 부정렬 자세이다(Kang 등, 2012). 전방머리자세는 머리가 인체의 중심선보다 전방에 위치하여 머리의 굽힘 모멘트가 증가하게 되어 아랫목뼈는 과도하게 굽힘이 일어나고, 이를 보상하기 위하여 위목뼈는 과다 폄이 발생한다. 이러한 비정상적인 머리, 목 정렬은 뒤쪽에 뒤통수밑근, 반가시근 등의 폄 근육의 단축 및 기능저하와 앞쪽에 깊은목굽힘근의 약화 등 목 근육의 불균형을 초래하며, 이는 목 통증, 두통, 뻣뻣함, 피로, 신체균형의 저하 등의 문제를 야기시킨다(Fernández-de-las-Peñas 등, 2006). 전방머리자세를 대상으로 실시한 직접적, 간접적 운동학습에 대한 효과에 대한 연구가 이루어지고 있다. Sheikhhoseini 등(2018)은 전방머리자세에게 실시한 직접적인 운동 프로그램의 효과를 메타 분석한 결과 머리 정렬과 통증에 긍정적인 변화를 준다고 하여 신체를 움직여 훈련하는 직접적인 운동학습에 대한 효과가 입증되었다. 간접적인 훈련에 관한 연구는 Shon 등(2012)이 동작관찰을 실시하였을 때 머리 정렬이 호전되었다고 하였다. 하지만 아직까지 전방머리자세를 대상으로 실시한 간접적인 훈련이 대뇌겉질 활성화 변화에 미치는 영향에 대한 연구가 없어 동작을 신체로 직접 실시하지 않고 상상연습 및 동작관찰을 이용하여 적용한 훈련이 신체 정렬을 변화시킨 것에 대한 이론적 배경을 설명하기에는 어려움이 있다.  

이처럼 상상연습과 동작관찰이 중추신경계 질환자의 대뇌겉질 활성도에 미치는 영향에 대한 연구들은 지속적으로 이루어져 왔으나, 근골격계 질환자에 대한 상상연습과 동작관찰이 대뇌겉질 활성도에 미치는 영향에 대한 연구는 부족하다. 따라서 본 연구는 상상연습과 동작관찰 동안 정상인과 전방머리자세 대상자간 대뇌겉질 활성도의 차이를 비교하고자 한다.

 

Ⅱ. 연구방법 

1. 연구대상자

연구 대상자는 전방머리자세군 17명과 정상성인군 17명을 선정하였고, 전방머리자세군의 선정기준은 선 자세에서 귀구슬(tragus)이 지나가는 지면과 수직인 선과 어깨뼈봉우리(acromion process)가 지나가는 지면과 수직선과의 거리가 5 ㎝ 이상인 사람으로 하였으며(Hanten 등, 1991), 제외기준은 근골격계와 신경학적 손상 및 병변이 있는 자, 시각 및 청각의 손상 및 병변이 있는 자, 심한 인지, 의사소통, 지각에 문제로 인해 구두 지시를 이해하고 수행하는데 어려움이 있는 자를 제외하였으며, 연구에 대하여 충분한 설명을 하고 동의를 받아 선정하였다. 대상자의 일반적 특징은 Table 1과 같다.

 

Table 1. Characteristics of study subjects

 

2. 측정 방법

전방머리자세군과 정상성인군을 대상으로 눈 감은 상태, 눈뜬 상태, 상상연습, 동작관찰 총 4가지 조건에서 대뇌겉질 활성도(electroencephalogram; EEG)를 측정하였다. 상상연습과 동작관찰을 위해 전방머리자세 훈련 중 동작을 영상으로 확실하게 보여줄 수 있는 어깨관절 가쪽돌림(shoulder external rotation) 강화운동을 음성과 영상으로 각각 제작하여 제공하였다. 측정어깨관절 가쪽돌림 운동은 운동은 의자에 앉은 자세에서 양 손으로 세라밴드(thera-band)를 어깨넓이 만큼 잡고, 양 팔꿈치를 90 ° 구부린 상태로 몸통에 붙인 자세에서 실시한다. 중심선 앞쪽으로 위치한 머리를 어깨뼈봉우리가 지나는 지면과 수직선으로 위치하게 하여 바른 정렬로 한 상태에서 7초 동안 어깨관절을 가쪽돌림하며 세라밴드를 양쪽으로 늘리게 한 후 3초간 휴식을 취하도록 한다. 음성과 영상은 운동을 30회 반복하여 총 5분(300초) 동안 재생되게 제작하였다. 
대상자들에게 측정 5시간 전에는 신경계열 약물과 각성 유발 요소인 홍차, 커피, 담배 등을 금지하도록 하여 뇌파에 영향을 미칠 수 있는 요인들을 최소화하였다(Yang & Pack, 2018). 

모든 뇌파 측정은 대상자의 눈높이에 점이 찍어진 흰색 벽에서 3 m 떨어진 곳에 위치한 의자에 앉은 자세로 실시하였으며, 대상자는 벽에 있는 점을 응시하고 안구의 움직임을 최소화 하도록 하였다. 양 손은 편안하게 다리 위에 놓은 상태에서 등받이에 등이 닿지 않고 허리를 똑바로 펴도록 하였으며, 측정 동안 최소한의 안면과 몸의 움직임만 허용하였다. 눈감은 상태, 눈뜬 상태는 외부의 소음을 차단하기 위해 귀마개를 착용시켰다. 상상연습은 대상자가 이어폰을 이용하여 운동에 대한 설명이 녹음된 음성을 들으면서 그 운동을 상상하게 하도록 요구하였다. 동작관찰은 대상자의 앞에 위치한 16:9 와이드 14인치 화면을 통해 운동이 실시되는 영상을 관찰하게 하였다. 각 대상자에게 제공된 4가지 조건은 무작위 순서로 실시되었다. 

 

3. 측정 도구

각 조건별로 대뇌겉질 활성도를 측정하기 위해 뇌파측정기(QEEG-64FX system, LAXTHA Inc., 한국)을 이용하였다. 대뇌겉질 활성도는 두피에 부착한 6개의 전극을 통해 수집하였다. 각 대상자의 대뇌겉질 활성도는 샘플링 주파수 256 ㎐, 통과필터 0.5-50 ㎐, 12-bit AD 변환을 통해 컴퓨터에 저장되었다.

대뇌겉질 활성도 측정을 위해 먼저 대상자의 두피를 알코올 솜으로 닦아낸 후 Ag/AgCl 전극용 겔을 이용하여 Fp1, Fp2, C1, C2, C3, C4에 자료 수집용 전극을 부착하였다(그림 1). 10~20 국제표준전극 부착법을 이용하였으며, 접지전극은 왼쪽 귓볼(A1)과 오른쪽 귓볼(A2) 에 부착하였다. 수집된 뇌파 데이터를 분석하기 위하여 분석 프로그램(Telescan software ver 3.2.8.0, LAXTHA Inc., 한국)을 이용하였다. 

몸 움직임의 영향을 많이 받는 델타파 (0-4 ㎐)를 제거한 후 fast fourier transform (FFT)의 알고리즘을 이용하여 나머지 주파수 대역(4-50 ㎐)의 파워 스펙트럼을 분석하였다. 전체 주파수 대역의 상대알파파(relative alpha power, RA, 8-13 ㎐/4-50 ㎐), 상대베타파(relative beta power, RB, 13-30 ㎐/4-50 ㎐), 상대감마파(relative gamma power, RG, 30-50 ㎐/4-50 ㎐), 뮤리듬(mu rhythms, Mu, 8-13 ㎐) 을 분석하였다. 측정은 음성과 영상의 시작 10초 전부터 측정하여 총 5분 10초(310초)간 실시였으며, 측정 후 뇌파구간 분석은 음성, 영상 제공 전 10초와 휴식시간을 제외하고, 운동 구간만을 분석하여 총 30구간의 평균을 분석하였다. 

 

Fig 1. EEG electrode location  

 

4. 분석 방법

본 연구에서 수집된 자료들은 SPSS version 22.0을 사용하여 통계 처리 하였다. 연구대상자의 일반적인 특성은 기술통계를 이용하여 평균과 표준편차를 표시하였다. 정규성 검정을 위하여 Shapiro-Wilk test를 실시하였다. 두 군간 일반적인 특성과 각 조건에 따른 대뇌겉질 활성도 차이를 비교하기 위해 독립표본 t-test를 사용하였다. 통계학적 유의수준은 ⍺＝.05로 정하였다.

 

Ⅲ. 결 과 

군간 대뇌겉질 활성도를 비교한 결과 뮤리듬은 모든 조건에서 유의한 차이는 없었다(Table 2). 상대알파파는 눈뜬 상태에서 C1, C2, C3, C4 영역에서 정상군과 전방머리자세군 사이에 유의한 차이가 있었다(p<.05)(Table 3). 상대베타파는 동작관찰 시 Fp1, Fp2 영역에서 정상군과 전방머리자세군 사이에 유의한 차이가 있었다(p<.05)(Table 4). 상대 감마파는 동작관찰 시 Fp1, Fp2 영역에서 정상군과 전방머리자세군 사이에 유의한 차이가 있었고(p<.05), 눈 감은 상태는 C1, C2, C3영역에서 정상군과 전방머리자세군 사이에 유의한 차이가 있었고(p<.05), 눈뜬 상태는 C1, C2, C3, C4 영역에서 정상군과 전방머리자세군 사이에 유의한 차이가 있었다(p<.05)(Table 5). 

 

Table 2. Comparison of Mu rhythm between groups

 

Table 3. Comparison of relative alpha power between groups

 

Table 4. Comparison of relative beta power between groups

 

Table 5. Comparison of relative gamma power between groups

 

Ⅳ. 고 찰 

본 연구에서는 근골격계 질환에 적용된 간접적 운동학습 효과의 기초 자료를 제공하고자 정상군과 전방머리자세군 간의 눈뜬 상태, 눈 감은 상태, 상상연습과 동작관찰 시 대뇌겉질 활성화를 비교하였다. 

그 결과 뮤리듬은 모든 조건에서 전방머리자세군과 정상군 사이의 유의한 차이는 없었다. 단, 눈감은 상태에서 Fp1, Fp2, C1, C3 영역에서 정상군이 더 높은 양상을 보였다. 뮤리듬은 감각이나 운동정보 입력이 없을 때 감각운동피질(sensorimotor cortex) 영역에서 기록되는 뇌파로 피질의 휴식상태를 반영하고, 운동을 관찰하거나 실행하였을 때 약화된다(Babiloni  등, 2002). 이를 뮤억제(mu suppression)라고 하며, 거울신경시스템 활성화를 시켜 신경생리학적 변화의 지표이다(Oberman 등, 2005; Pineda 등, 2000). 본 연구의 결과 신경계 손상이 없는 바르지 못한 자세정렬에서 특별한 뮤 억제가 보이지 않았다. 하지만 전방머리자세군에서 정상군보다 높게 나타난 양상은 보다 불안정 상태를 의심할 수 있어 더 많은 대상자를 통한 연구가 필요할 것으로 사료된다.

본 연구에서 상대알파파는 눈 뜬 상태에서 C1, C2, C3, C4 영역에서 전방머리자세군이 정상군보다 더 높게 나타났다(p<.05). 알파파(8~14 ㎐)는 두정부와 후두부에서 크게 기록되며, 긴장이완과 눈을 가렸을 때, 창의적인 사고를 할 때, 그리고 집중이나 고각성 상태에서도 나타난다. 또한 학습을 위한 주의력 형성의 전 단계로 준비상태를 의미한다(Niedermeyer & Lopes da Silva, 2005). 목표 지향적인 동작 수행 시 감각운동영역에서 발생한다(Perry & Bentin, 2009). 그러나 적당한 집중에 대해서는 증가하나, 인지적 활동이 증가할수록 발생은 줄어들며, 지나치게 되면 의욕과 동기가 저하된 상태에 빠질 수도 있다(Zoefel 등, 2011). Bearden 등(2003)은 뇌졸중 환자들이 정상성인에 비해 알파파가 감소한다고 보고 하였는데, 본 연구에서는 정상군보다 전방머리자세군에서 더 높은 활성화가 나타났다.

이는 전방머리자세는 머리가 중력에 노출이 더 많이 되어 많은 근육들의 긴장도가 증가되고, 동작을 실시할 때 움직임에 대한 인지가 정상성인보다 어려움이 있기 때문이라고 생각된다. 

본 연구에서 상대베타파는 동작관찰 시에 Fp1, Fp2 영역에서 전방머리자세군이 정상군보다 더 높게 나타났다(p<.05). 베타파(13-30 ㎐)는 의식이 깨어 있을 때, 인지과정, 집중이 요구되는 정신 부하가 높은 사고활동을 할 때, 신체활동의 수행과 집중을 하는 상황에서 높은 활성도를 보인다(Choi, 2013). 베타파의 활동 증가는 움직임의 전반적인 과정을 관장하는 대뇌영역의 활성화 증가로 나타나고, 보완 운동영역 부위의 활성화 증가와 관련된다(Alegre 등, 2004). 본 연구에서는 전방머리자세군이 정상군보다 더 높은 활성화가 일어난 것은 동작을 인지하는 과정과 신체 활동 시 집중력이 더 낮기 때문이라고 생각된다.

본 연구에서 상대감마파는 동작관찰 시에 Fp1, Fp2 영역에서 전방머리자세군이 정상군보다 더 높게 나타났다(p<.05). 눈뜬 상태에서 C1, C2, C3, C4 영역에서 정상군이 전방머리자세군 보다 더 높게 나타났으며(p<.05). 눈감은 상태에서는 C1, C2, C3 영역에서 전방머리자세군이 정상군 보다 더 높게 나타났다(p<.05). 감마파(30-60 ㎐)는 기억인출과 운동학습 등 인지적 정보처리 과정과 관련이 있고 고도의 능력을 수행하는 경우 또는 지각반응 수준이 높아질 경우 증가하게 된다(Choi, 2013). 또한, 흥분, 불안, 스트레스가 증가할 때 나타나며(Muthukumaraswamy, 2011), 긴장상태와 능동적인 고도의 복합정신기능 수행 시에 주로 나타난다(Keizer 등, 2010). 감마파의 동기화는 움직임의 실행하거나 공간에서 시각적 집중(visual attention)이 이뤄지는 동안에도 나타난다. 일차운동겉질에서의 감마파 진폭 변화는 알파파와 베타파의 주파수 대역의 진폭 변화보다 움직임 생산과 더 밀접한 관련이 있다(Muthukumaraswamy, 2011; Schoffelen 등, 2011). 본 연구에서 동작관찰은 전방머리자세에서 사용이 저하된 근육을 활성화시킴으로써 수행에 있어 스트레스 및 긴장을 야기 시킬 수 있어 상대감마파에 영향을 미친 것으로 추측된다. 이 결과는 전방머리자세군은 동작관찰  시 인지 및 집중력이 저하되어있다는 것을 알 수 있으며, 어깨 가쪽돌림 동작 시 정상군보다 긴장 상태임을 확인할 수 있었다.  

본 연구에서 사용한 대뇌활성도 측정기는 젤 형태의 전극을 사용하였기 때문에 탈부착 시 대상자들의 불편함이 있어 실험에 어려움이 있었고, 근골격계 질환을 대상으로 상상연습과 동작관찰 훈련 후 대뇌겉질 활성도 차이를 알아보는 추가적인 연구가 필요하다.

 

Ⅴ. 결 론 

본 연구는 상상연습과 동작관찰 하는 동안 정상인과 전방머리자세 대상자간의 대뇌겉질 활성화의 차이를 알아보았다. 연구결과, 정상군과 전방머리자세군의 뮤리듬은 모든 조건에서 유의한 차이는 없었고, 정상군과 전방머리자세군의 상대알파파는 눈뜬 상태에서 C1, C2, C3, C4 영역 유의한 차이가 있었다. 또한, 정상군과 전방머리자세군의 상대베타파는 동작관찰 시 Fp1, Fp2 영역에서 유의한 차이가 있었고, 정상군과 전방머리자세군의 상대감마파는 동작관찰 시 Fp1, Fp2 영역에서 유의한 차이가 있었다. 또한, 눈 감은 상태는 C1, C2, C3영역에서 유의한 차이가 있었고, 눈뜬 상태에서 C1, C2, C3, C4 영역에서 유의한 차이가 있었다. 본 연구 결과 상상연습 보다 동작관찰을 할 때 전방머리자세군은 정상군과 다른 대뇌곁질 활성도를 보였다. 전방머리자세를 교정하는 운동치료를 할 때 동작관찰을 운동기슬 학습에 적용할 수 있는 신경생리학적 근거를 제시하는 것으로 생각된다.