Effects of Functional Electrical Stimulation Intensity Level on Corticomuscular Coherence during Action Observation

Ji Young Kim, Hyunju Noh, Jiwon Park
2020 The Journal of Korean Physical Therapy  
Purpose: This study examined the effects of changes in the intensity of Functional Electrical Stimulation (FES) on CorticoMuscular Coherence (CMC) during action observation. This paper presents a neurophysiological basis for the effective intensity of FES. Methods: Twenty-seven healthy volunteers were asked to observed a video with FES. The FES was provided with a sensory stimulation level, nerve stimulation level, and motor stimulation level. Simultaneously, an electroencephalogram (EEG) of
more » ... alogram (EEG) of the sensorimotor cortex and electromyogram (EMG) from the wrist extensor muscle were recorded. The peak CMC and average CMC were analyzed to compare the differences caused by the FES intensity. Results: The peak CMC showed a significant increase in the alpha band during motor stimulation (p< 0.05). The average CMC showed a significant increase in the beta band during motor stimulation (p< 0.05). Conclusion: The intensity of FES, which causes actual movement, increased the CMC during action observation. These results show that the intensity of the FES can affect the functional connection between the sensorimotor cortex and muscle. This is an Open Access article distribute under the terms of the Creative Commons Attribution Non-commercial License (https:// creativecommons.org/license/by-nc/4.0.) which permits unrestricted non-commercial use, distribution,and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited. Korean Physical Therapy 로 흥분을 유발하여 관련된 뇌 영역의 잠재적 활성을 만들어 낼 수 있는 동작관찰(action observation)과 관련된 연구가 활발히 진행되고 있다. 9-11 기능적전기자극(Functional Electrical Stimulation, FES)은 근육과 신 경을 자극하여 수축을 유발시키는 치료적 장비로써, 중추신경계 손상 환자의 기능 회복을 위한 중재적 방법으로 활용되고 있다. 13-15 최근에 는 EEG분석을 통해 FES가 감각운동겉질의 활성 변화를 유발하는 것 으로 보고되고 있고, 뇌가소성 증진을 위한 근거로 제시되고 있다. 16,17 FES가 가진 인지적 측면을 보완하기 위해 동작관찰과 함께 FES를 제공하여 뇌졸중 환자의 기능회복 효과를 비교 분석한 연구, 18 감각 운동피질의 활성변화를 분석한 연구도 진행되고 있다. 17 그러나, 동작 관찰의 변이에 따른 뇌활성의 변화와 관련된 다양한 연구 결과가 보 고되고 있음에도 불구하고, 19-21 FES의 강도 변이와 관련된 신경생리 학적인 연구는 미흡한 실정이다. 또한 뇌와 근육 사이의 기능적연결 을 평가하는 도구인 CMC를 통해 신경생리학적인 변화를 보고한 연 구도 부족한 상태이다. 이에 본 연구에서는 동작관찰 동안 제공되는 FES의 강도에 의해 나타나는 변화를 CMC를 통해 비교분석하고, 효 율적인 FES의 적용강도에 대한 신경생리학적인 근거를 제시하고자 하였다. JiYoungKim,etal. Korean Physical Therapy 는 변화를 CMC를 통해 비교분석하고, 효율적인 FES의 적용강도에 대한 신경생리학적인 근거를 제시하고자 실시되었다. 그 결과 베타밴 드 대역에서 average CMC가 감각자극수준과 신경자극수준에 비해 운동자극수준에서 유의하게 증가하는 것으로 나타났다(p < 0.05). 이 는 실제적 움직임을 유발하는 수준의 FES 강도가 동작관찰을 하는 동안 가장 효과적으로 뇌와 근육 사이의 연결을 강화시킬 수 있다는 것을 보여주는 결과라고 추측된다. CMC의 강도는 여러요인들에 의해 영향을 받는다고 알려져있다. Ushiyama 등 6 , 그리고 Divekar와 John 4 은 대뇌에서부터 운동신경원을 거쳐 근육으로 가는 신경투사(projection)가 많을수록 CMC가 증가 한다고 하였고, Schoffelen 등 8 은 말초에서 발생한 발생한 동심성(afferent) 신호의 입력 증가가CMC 강도 증가에 기여한다고 하였다. Yang 등 3 과 Muthukumaraswamy 5 은 CMC의 강도가 운동과제에 특이적으 로 의존되어 등척성으로 정적인 힘을 생산하는 동안에는 20 Hz 대역 에서 증가하고, 같은 수준의 힘을 동적으로 생산해 낼 때에는 40 Hz 대역에서 증가하여 나타났다고 보고하였고, McClelland 등 2 은 중등 도 이하의 등척성 수축을 유지하는 동안에는 15-35 Hz 대역에서 CMC가 우세하게 나타나게 되고, 강한 수축을 유지하는 동안에는 30-50 Hz 대역에서 코히런스가 증가하여 나타난다고 하며 CMC의 강 도는 발생되는 힘의 크기에 따라 달라질 수 있다고 하였다. 또한 Houdayer 등 23 은 13-30 Hz의 베타파가 감각 정보의 입력증가, 감각통합 및 운동실행과 매우 밀접한 관련성을 있고, 베타대역의 변화는 입력된 감각정보의 처리과정에 대한 유용한 방법이 될 수 있다고 보고한 바 있다. 본 연구에서는 FES를 해당 분절의 실제적 움직임이 유발되는 수준의 강도로 적용할 때 베타CMC가 증가하는 것으로 나타났고, 이 는 CMC가 제공되고 있는 동작관찰에 의해 운동 겉질의 활동뿐만 아 니라, 근육으로부터 오는 정보의 강도에 의해 영향을 받는 다는 것을 보여주는 것으로 추측되고, 이는 효과적인 FES의 제공 강도의 신경 생리학적인 근거를 제시하는 결과라고 보여진다. 선행연구들을 살펴보면, Ko 27 는 경두개직류전류(tDCS)와 말초감 각자극 또는 말초운동자극을 결합하여 반복적 움직임 훈련을 시행 한 결과, 손가락 폄근이 수축되어 관절의 완전가동범위가 유발되는 수준의 말초운동자극을 제공하였을 시에만 움직임의 반응시간이 빨라지는 유의한 차이가 나타났다고 보고하였고, Moon 28 는 FES를 통해 중추 신경 순응을 유도하기 위해서는 최대수축력의50% 이상을 제공하여야 한다고 보고한바 있다. 또한 Reynolds 등 29 은 운동 역치 보다 높은 강도의 전기적 자극이 겉질척수로의 흥분성을 증가시키 고 동작 상상(imagery)을 증가시킨다고 주장하였다. Houdayer 등 23 은 전기적 자극 강도에 따른 뇌활성을 비교한 연구에서 감각수준의 자 극에 비해 신경수준의 자극과 운동수준의 자극이 사건관련동기화 (event-related synchronization, ERS)를 유의하게 증가시켰다고 보고하 며, 이는 동원된 고유수용감각섬유(proprioceptive fibers)에 의한 운동 조절과 밀접한 관련을 가지고 있을 것이며, 또한 ERS가 전기적 자극 의 강도에 의한 동심성 입력의 양에 의해 영향을 받는다는 것을 보여 주는 결과라고 하였다. 23 본 연구에서는 동작관찰과 동시에 제공되는 기능적 전기자극의 강도 변이에 나타나는 신경생리학적인 변화를 겉질근육코히런스를 통해 분석하였다. 그 결과 근수축으로 인해 실제적 움직임의 각도와 비슷하게 유발되는 FES강도에서 겉질근육코히런스가 유의하게 증가 하는 것으로 나타났다. 이는 제공되는 FES의 강도가 대뇌와 근육 사 이의 기능적 연결에 영향을 미칠 수 있음을 보여주는 결과로써, 동작 관찰동안에 동시적으로 제공되는 FES의 효과적인 강도를 제시하는 신경생리학적인 근거가 될 것이라 생각된다. 본 연구의 결과가 신경계 손상으로 인해 기능이 결여된 환자에 대한 신경재활의 임상적 기초 자료로 활용되기를 기대해본다.
doi:10.18857/jkpt.2020.32.5.307 fatcat:pzbyedmt25d4pd7t6befey6dam