손가락 굴곡과 신전 힘 생성에서 뇌성마비 환자의 다중 손가락 시너지

Abstract

본 연구의 목적은 운동 협응 기전 중 하나인 시너지를 통해 피질척수로 손상과 관련된 뇌성마비 환자의 다중 손가락 제어 전략을 확인하는 것이다. 경직형 뇌성마비를 진단받은 7명의 환자(CP 집단)와 근·신경계에 문제가 없는 건강한 성인 10명(통제 집단)이 연구에 참여했다. 연구 가설은, (1) CP 집단이 통제 집단보다 최대수축력이 더 작을 것이다, (2) CP 집단이 통제 집단보다 손가락 종속성 지수가 더 클 것이다, (3) CP 집단이 통제 집단보다 시너지 지수가 더 작을 것이다, (4) 선행 시너지 조절은 두 집단이 다르게 나타날 것이라고 설정했다. 이를 검증하기 위해 최대수축력 생성(MVC) 과제, 점진적 손가락 힘 증가(RAMP) 과제, 그리고 손가락 굴곡/신전 변환 힘 생성(PULSE) 과제를 수행했다. 네 개의 힘 변환기와 다섯 개의 EMG (electromyography) 센서로 손가락이 굴곡 혹은 신전할 때 생성하는 힘과 근 활성도를 측정했고, 다중 손가락 시너지는 UCM(uncontrolled manifold) 분석으로 정량화했다. MVC 과제에서 측정한 네 손가락의 최대수축력은 CP 집단이 통제 집단보다, 왼손이 오른손보다, 신전이 굴곡보다 더 작았다. 반면, RAMP 과제에서 측정한 손가락 종속성 지수는 CP 집단이 통제 집단보다, 신전이 굴곡보다 더 컸다. PULSE 과제의 유지 구간 동안 측정한 네 손가락의 시너지 지수는 신전이 굴곡보다 더 컸으나 두 집단 사이에는 차이가 나타나지 않았다. 일정한 힘을 생성하는 유지 구간과 방향을 바꾸며 힘을 생성하기 시작하는 시점인 t0 사이의 시너지 지수의 변화량(∆∆Vt0)은 CP 집단이 통제 집단보다 더 작았다. 시너지 지수가 미리 감소하는 현상인 선행 시너지 조절이 나타나는 시간(tASA)은 두 집단, 양손, 방향 모두 유의한 차이가 나타나지 않았다. 유지 구간 동안 측정한 EMG 신호를 바탕으로 근육의 동시수축을 측정했으며, 동시수축 지수는 CP 집단이 통제 집단보다, 굴곡이 신전보다 더 컸다. 일정한 힘을 유지하는 구간에서 두 집단 사이의 시너지 지수에는 유의한 차이가 없었으나, 재빨리 방향을 바꾸며 힘을 생성하는 구간에서 시너지 지수가 상당히 감소한 통제 집단과는 달리 CP 집단은 시너지 지수가 거의 변하지 않았다. 이를 통해 CP 집단이 빠른 변화에 대처해야 하는 상황에서도 안정성을 추구하려고 하는 모습을 확인할 수 있었다.

The purpose of the current study was to investigate the effects of motor coordination in patients with cerebral palsy (CP) with corticospinal tract damage through multi-finger synergy. Thus, the hypotheses were that (1) maximal voluntary contraction (MVC) finger forces will be lower in the CP group than in the control group, (2) finger dependency will be larger in the CP group than in the control group, (3) synergy index (∆V) will be lower in the CP group than in the control group, and (4) there will be no significant difference in anticipatory synergy adjustment (ASA) between groups. To verify these hypotheses, (1) maximal voluntary contraction (MVC) task, (2) single-finger ramp force production (RAMP) task, and (3) multi-finger quick pulse force production (PULSE) task were performed. Four force sensors and 5 EMG sensors were used to measure force and muscle activity generated by each finger. The multi-finger synergy was quantified by uncontrolled manifold (UCM) analysis. Patients with CP who were diagnosed as spastic by a pediatric orthopedic specialist (CP group, age 18.6±3.6 years, 4 female & 3 males, right-hander, GMFCS level 2) and 10 control subjects without neurological problems (control groups, age 21.5±2.3 years, 3 female & 7 males, right-hander) were enrolled. before the main experiment, all participants performed the pegboard test to check their dexterity. In MVC task, MVC force was lower in the CP group than in the control group, in the left hand than in the right hand, and at the extension than at the flexion. On the other hand, the finger dependency measured in RAMP task was larger in the CP group than in the control group and at the flexion than at the extension. In the PULSE task, the steady state synergy index was larger at the flexion than at the extension but there were no significant differences between groups. The magnitude of the change in the synergy index, ∆∆V, was lower in the CP group than in the control group. The time when synergy index decrease in advance to perturbation, tASA, was no significant differences in any factor. Based on the EMG signals at steady state phase, the co-contraction index was larger in the CP group than in the control group and at the flexion than at the extension. Although there was no significant difference between two groups in steady state synergy index when generating constant forces, the CP group showed little change in synergy index at PULSE phase, which had to change direction, unlike the significant decrease in the control group. these results show that CP group tended to maintain their stability in the situation where rapid change was required.