정상인의 근위부와 원위부 근육에서의 운동단위 동기화 비교

Abstract

Motor unit synchronization as a means of investigating synaptic connectivity has been studied. The corticospinal projections from the contralateral motor cortex plays a major role in producing motor unit short-term synchronization (Farmer et al. 1993). The objective of this study is to investigate motor unit synchronization using cross-correlation and coherence analysis, and compare the magnitude and nature of this synchronization behavior between proximal and distal muscles in upper and lower extremities in healthy human subjects and those of patients with cerebral infarction. Total of 120 motor unit pairs from biceps brachii(BB), first dorsal interossei(1DI), vastus medialis(VM), and tibialis anterior(TA) on the dominant side were analyzed and compared as controls. Also, 15 motor unit pairs for 1DI on the affected side in patients with cerebral infarction were studied. Pairs of motor unit action potential trains were recorded from two concentric needle electrodes inserted within these muscles in healthy volunteers and affected 1DI in patients with cerebral infarction. Subjects were instructed to maintain a weak isometric contraction of these muscles so that an individual motor unit recorded from each concentric needle discharged at a steady rate of approximately 10 impulses per seconds. Pairs of motor unit spike trains were cross-correlated in the time domain, and coherence analysis in the frequency domain was performed on the same spike train data. Synchronization was seen in all the muscles studied. Strength of motor unit synchronization, expressed as SI, was greater in the distal muscles compared to proximal muscles in both upper and lower extremities (p<0.05). Coherence analysis revealed significant association between motor unit firings in the frequency ranges 1-5 and 25-30 Hz in all the muscles studied. The incidence of 25-30 Hz coherence peaks were found to be greater for distal muscles compared to proximal muscles in both upper and lower extremities. In patients with cerebral infarction, SI was decreased compared to normal subjects. Coherence analysis in these patients showed absent higher frequency (25-30 Hz) coherence peaks without changes in the lower frequency peaks. Above results suggest a possible role of corticospinal projections in producing pre-synaptic inputs responsible for synchronization of motor unit firings and 25-30 Hz coherence peaks. ; 중추신경 시냅스의 신경생리를 비침습적으로 연구하는 방법으로 운동단위의 동기화 (motor unit synchronization)가 최근 연구되고 있다. 운동단위의 동기화에는 반대측 외측피질척수로 (contralateral lateral corticospinal tract)가 중요한 역할을 하는 것으로 알려져 있다 (Farmer et al. 1993). 본 연구의 목적은 정상인에서 운동단위의 동기화를 시간상에서 교차상관 분석하고 정량화하고 동기화 지표 (Synchronization Index : SI)를 설정하여 근육별로 차이를 보이는 지를 보고, 주파수상에서 재분석하여 이러한 동기화가 일정한 리듬을 가지고 발사되는지를 보고자 하였다. 또한 이를 뇌경색 환자군과 비교하여 대뇌손상이 운동단위의 동기화에 미치는 영향을 보고자 하였다. 정상인에서 상지의 근위부 근육인 상완 이두근 (biceps brachii), 원위부 근육인 제 1배측골간근 (1st dorsal interossei), 하지의 근위부 근육인 내측 광근(vastus medialis), 원위부 근육인 전경골근 (tibialis anterior)에서 각각 30 쌍의 운동 단위를 선택, 총 120 쌍의 운동 단위를 검사하였다. 환자군에서는 환측의 제 1배측 골간근에서만 15 쌍의 운동 단위를 검사하였다. 2개의 동심성 침전극을 검사하고자 하는 근육내에 삽입하였고 대상자들은 초당 10개의 운동신경원이 발사되도록 약한 등척성 수축을 1-5분 정도 유지하였다. 각각의 동심성 침전극으로부터 기록된 운동단위활성전위열(motor unit action potential train)은 시간상에서 교차상관시켜 얻은 히스토그람을 통계처리하여 운동단위의 동기화 지표 (Synchronization Index : SI)를 설정, 정량화하였다. 동일한 자료는 다시 Fourier 전환법을 이용하여 주파수상에서 coherence 분석하였다. 운동단위의 동기화는 검사한 모든 근육에서 관찰되지만 동기화의 정도를 지표를 SI로 표기하였을 때, 정상인에서 상지와 하지 모두에서 근위부 근육에 비해 원위부 근육이 그 값이 유의하게 컸다 (p<0.05). 주파수상에서 coherence 분석시 저주파 범위 (1-5 Hz)와 고주파 범위 (25-30 Hz)에서 2개의 coherence peak가 관찰되었으며 고주파 범위의 coherence peak의 출현 빈도는 상지의 원위부 근육인 제 1배측골간근에서 가장 높게 관찰되었다. 환자군의 환측의 제 1배측 골간근에서 교차상관 분석시 정상인에 비해 SI 값이 작게 관찰되었고 coherence 분석에서 저주파 coherence peak는 변화 없이 고주파 범위의 coherence peak만 소실되었다. 이상의 결과로 보아 운동단위의 동기화와 고주파 범위 (25-30 Hz) coherence peak 형성에는 반대측 외측피질척수로가 중요한 역할을 하는 것으로 추정할 수 있으며, 운동단위 동기화의 교차상관 분석과 coherence 분석은 정상인과 뇌손상 환자에서 중추신경 시냅스의 신경생리를 비침습적으로 연구하는 하나의 방법으로 이용 가능할 것으로 사료된다.