운동 형태가 전전두엽 혈류, 인지기능 및 뇌신경성장인자 발현에 미치는 영향

Abstract

The purpose of this study was to investigate brain changes according to types of exercise in humans and rodents. At Study 1, we compared the effect of aerobic swimming and resistance ladder exercise on neurotrophic factor protein expressions in hippocampus, skeletal muscle, and blood. Fifteen C57BL/6 mice (9 weeks, female) were randomly assigned to control group(n=5), aerobic swimming group (n=5), and resistance ladder exercise group (n=5). The duration of exercise training was 10 weeks. The aerobic swimming exercise was implemented for 20 to 60 minutes per session, 5 sessions a week. The resistance ladder exercise was administered 3 times a week and the intensity of resistance exercise was initially imposed by 50% of each mouse mass, followed by 100% of its mass on mouse's tail. Each mouse climbed up the 1m ladder, 8 times per session, with 1 minute rest in between 8 repetitions. After 10 weeks of intervention, blood, hippocampus and muscle tissue were collected. ELISA was employed to analyze the protein expressions of BDNF, IGF-1, and VEGF in serum, hippocampus, and skeletal muscle. In both exercise groups, the expressions of BDNF and VEGF protein in hippocampus were significantly higher compared with control group. However, IGF-1 protein expression in skeletal muscle was significantly lower in the swimming exercise group compared to the control group. Serum VEGF protein expression was significantly higher in the ladder exercise group than in the control group. This result shows that either aerobic or resistance exercise for 10 weeks increases and then maintains BDNF and VEGF protein expressions in the hippocampus, which implies that improved brain function may be due to neurogenesis and angiogenesis in the brain. At Study 2, we compared the acute effect of high intensity interval exercise and moderate intensity continuous exercise with same exercise volume on oxygenated hemoglobin level, cognitive function, and serum BDNF, IGF-1, VEGF protein expression in young adults. Twenty healthy male and female college students were randomly assigned to high intensity interval exercise group (n=10) and moderate intensity continuous exercise group (n=10). High intensity interval exercise consisted of 26 min of interval stationary bike exercise: 3-min warm-up at 70% HRmax, three 4-min intervals at 90% HRmax alternated by 3-min intervals at 70% HRmax, and 2-min cool-down at 70% HRmax. The moderate intensity continuous exercise is comprised of 32 min of continuous stationary bike exercise at 70% HRmax. The total energy expenditure by both exercise modes was similar: 274.6 kcal for high intensity interval exercise and 284.8 kcal for moderate intensity continuous exercise. Prefrontal oxygenated hemoglobin level was higher in the high intensity interval exercise group compared to moderate intensity continuous exercise group. Serum neurotrophic factor protein expressions significantly increased only in the high intensity interval exercise group. In the stroop color-word test, the number of correct answers and the response time of the neutral condition task were improved in both exercise groups, but in the incongruent condition task, the test result was enhanced only in the high intensity interval exercise group. In conclusion, acute high intensity interval exercise is superior to moderate intensity continuous exercise in improving the oxygenation hemoglobin level of the prefrontal cortex and serum BDNF, IGF-1, and VEGF protein expressions. It is thought that increased oxygenated hemoglobin level in prefrontal area of the brain and increased systemic neurotrophic factors after high intensity interval exercise lead to temporary improvement in cognitive function.;운동이라는 외적 자극은 대뇌 혈류량 증가, 뇌신경성장인자의 증가, 뇌신경세포의 생성, 인지기능 개선, 학습 능력 및 기억력 향상에 긍정적인 효과를 유발한다. 이런 운동의 긍정적인 효과는 운동 형태, 강도, 시간, 기간에 따라 다소 상이하게 나타나는 것으로 보고되고 있다. 인간을 대상으로 한 선행연구를 살펴보면, 뇌 가소성 개선을 위해 트레드밀이나 고정식 자전거를 주요 운동 형태로 적용하였고, 저강도나 고강도 보다는 중강도를 운동 강도로 선택했을 때 운동 효과가 더 크다고 보고 하였다. 설치류를 이용한 선행연구에서는, 뇌 가소성 개선을 위해 자발적 바퀴돌리기와 트레드밀 운동을 주로 적용하였고, 운동량이 많은 집단에서 더욱 향상된 뇌 가소성이 나타났다. 선행연구에서 저항성 운동, 수영 운동, 고강도 인터벌 운동을 적용한 경우는 적었으며, 동일 운동 형태에 대한 서로 다른 운동 강도를 비교한 연구가 대다수를 차지했다. 따라서 운동 형태가 뇌 건강에 미치는 효과를 비교, 분석한 연구는 부족한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 인간과 설치류를 대상으로 각기 다른 운동 형태가 뇌 기능에 미치는 효과와 뇌 가소성과 관련된 뇌신경성장인자의 발현에 미치는 영향을 비교, 분석하고자 하였다. 연구 1은 설치류를 대상으로 10주간의 유산소성 수영 운동과 저항성 사다리 운동이 뇌신경성장인자 발현에 미치는 효과를 비교, 분석하였다. 그 결과 해마에서의 BDNF, VEGF 단백질 발현은 통제 집단에 비해 운동 집단에서 통계적으로 유의하게 증가했다. 근육에서의 IGF-1 단백질 발현은 통제 집단보다 유산소성 수영 운동 집단에서 통계적으로 유의하게 낮았다. 혈청 VEGF 단백질 발현은 통제 집단보다 저항성 사다리 운동 집단에서 통계적으로 유의하게 증가했다. 10주간의 유산소성 수영 운동 및 저항성 사다리 운동은 해마의 BDNF와 VEGF 단백질 발현 및 신호전달 체계의 활성화를 유도하여 뇌의 신경생성 및 혈관생성에 기여한 것으로 사료된다. 저항성 사다리 운동 집단에서 나타난 혈청 VEGF 단백질 발현 수준의 증가는 간헐적인 저산소화 및 젖산 생성으로 인한 말초의 혈류 증가가 혈관내피세포 성장인자인 VEGF 단백질 발현을 자극하여, 혈관내피세포 증식을 통한 혈관의 재형성 과정을 자극한 것으로 보여진다. 통제 집단과 비교하여, 유산소성 수영 운동 집단의 감소된 근육 내 IGF-1 단백질 발현은 수영 운동 시 동반되는 부력으로 인해 근육으로 가해지는 부하가 감소했기 때문으로 사료된다. 연구 2는 성인을 대상으로 동일한 운동량을 지닌 일회성 고강도 인터벌 운동과 중강도 지속성 운동이 대뇌 전전두엽 산소화헤모글로빈 농도, 인지기능, 혈액 내 뇌신경성장인자에 미치는 영향을 비교, 분석하였다. 총 20명의 신체 건강한 젊은 성인을 모집하여, 1차 방문 시 최대산소섭취량을 측정한 후, 이를 토대로 계층화된 무선표집법을 실시하였다. 고강도 인터벌 운동 집단과 중강도 지속성 운동 집단에 각 10명씩 배정한 후, 운동 강도에 따른 일회성 고정식 에르고미터 운동을 실시하였다. 고강도 인터벌 운동은 70% HRmax(3분)와 90% HRmax(4분)를 3회 반복 수행하는 운동 프로토콜로서 총 26분의 운동수행 시간 중 고강도에 해당하는 운동 시간은 총 12분으로 배정하였다. 중강도 지속성 운동은 70% HRmax로 32분간 수행하는 운동 프로토콜로서 두 운동 방법에 의한 총 에너지 소비량은 고강도 인터벌 운동 집단의 경우 평균 274.6 kcal, 중강도 지속성 운동 집단의 경우 평균 284.8 kcal로 동일한 수준이었다. 운동 전, 후 채혈을 실시하였으며, 운동 전, 후 인지기능 검사 시, 그리고 일회성 운동 수행 동안 근적외선 분광기를 이용하여 전전두엽 산소화헤모글로빈 수준 변화를 측정하였다. 특히 고강도 인터벌 운동의 마지막 세트 90% HRmax 구간에서는 중강도 지속성 운동 집단보다 고강도 인터벌 운동 집단에서 통계적으로 유의하게 높은 산소화헤모글로빈 수치가 나타났다. 이는 고강도와 중강도가 혼합된 형태인 인터벌 운동 시 혈중 젖산 농도의 증가와 함께 동맥혈 이산화탄소 분압 역시 동반 증가하며, 호흡보상역치 수준을 넘지 않는 강도에서 최대한의 대뇌 혈류 증가 및 대뇌 산소화를 유도한 것으로 사료된다. 중강도 지속성 운동과 비교했을 때, 혈청 뇌신경성장인자인 BDNF, IGF-1, VEGF 단백질 발현은 오직 고강도 인터벌 운동 후에만 통계적으로 유의하게 증가하였다. 이는 고강도 인터벌 운동 시 나타나는 간헐적인 저산소화는 직접적으로 BDNF와 VEGF 단백질 발현을 촉진시키며, 신경세포 신호전달에 관여하는 인산화 효소 및 키나아제 효소의 발현 또한 증가시켜 BDNF와 IGF-1 단백질 발현을 증가시킨 것으로 사료된다. 인지기능 검사 항목 중 중립과제 수행의 경우, 두 운동 집단에서 모두 정답 개수 증가 및 반응시간 감소가 나타났으나, 불일치 과제 수행의 경우, 고강도 운동 집단에서만 정답 개수 증가 및 반응 시간 감소가 나타났다. 운동으로 인한 산소화헤모글로빈 수준의 변화는 불일치 과제의 정답 개수 및 반응 시간 변화와 유의한 상관관계가 나타나는 것으로 볼 때, 운동으로 인해 증가된 대뇌 전전두엽의 산소화헤모글로빈 농도가 인지기능 개선에 도움을 준 것으로 추론이 가능하다. 본 연구 결과를 요약하면, 10주간의 유산소 혹은 저항성 운동은 해마의 BDNF와 VEGF 단백질 발현을 운동 수행 동안 지속적으로 증가시켜 인지기능을 포함한 전반적인 뇌기능 개선에 기여할 것이라고 생각된다. 동일한 운동량을 지닌 고강도 인터벌 운동은 중강도 지속성 운동에 비해 운동 시간이 단축되었음에도 불구하고 운동 중 산소화헤모글로빈 농도 및 혈청 뇌신경성장인자 단백질 발현을 효과적으로 증가시켰다. 이러한 고강도 인터벌 운동이 뇌 기능에 미치는 우수한 효과는 고강도 인터벌 운동의 특성 중 하나인 호흡보상역치점을 넘지 않는 수준에서 최대한의 젖산염 농도를 유지하여 대뇌 혈류량 및 대뇌 산소화를 개선시키기 때문으로 사료된다. 장기간의 고강도 인터벌 운동 수행이 뇌신경성장인자의 발현 및 인지기능 개선에 효과적인 운동 방법인지에 대한 연구는 현재까지 이루어지지 않았으며, 증가된 뇌신경성장인자 발현의 지속성 여부 및 개선된 인지기능이 유지되는 기간에 대한 연구 또한 전무한 상태이므로 추후 이에 대한 연구가 이루어져야 할 것이다. 또한 뇌신경성장인자의 신경세포신호전달 기전 연구를 통해 뇌신경성장인자의 발현을 유도하고, 뇌의 시냅스가소성 증진 및 인지기능을 향상시키는 효과적인 운동방법을 발견하기 위한 후속 연구가 이루어져야 할 것이다.