보행에서 Central Pattern Generator (CPG)에 대한 이해 부산의료원 소아물리치료실 명 은 지

1. CPG(Central Pattern Generator) (supraspinal activation of CPG) 6. 구심성 자극이 CPG에 미치는 영향 7. CPG 촉진을 통한 보행치료

1. CPG(Central Pattern Generator) 율동적인 운동패턴(motor pattern)을 만드는데 관여하는 신경원 집단. CPG에서 ‘pattern’ : 굴곡군과 신전군간의 교대적 활동 (alternating activity)또는 움직임.

CPG의 종류 : 보행, 저작, 호흡, 수영등 50여가지 이상의 율동적 활동(rhythmicalactivities)

2. 동물에서의 CPG 증거 Spinal cat half-center model Spinal-half center 중뇌보행영역 (MLR: Mesencepahlic Locomotor Resion) 가공적인 보행(fictive locomotion)

1) Spinal cat -흉수부위를 절단 -트레이드밀에서 집중적 보행 훈련 -정상적 고양이의 보행과 유사한 패턴의 보행양상 ⇒ 정상 보행의 근육활동 패턴은 척수에서 반사적으로 발생함

척수를 절단한 고양이의 보행훈련

2) half-center model -중추의 한쪽은 굴곡근의 활동을 유발하며 다른 한쪽은 신전근의 활동을 유발하는 것을 의미 -척수 절단한 고양이 Vs. 척수 후근을 절단한 고양이 ⇒ 족관절의 굴곡근과 신전근이 유동적인 교대적 수축 이 나타났음

3) Spinal-half center -신전반사보다 굴곡반사가 보행과 연관 :척수에서 만들어지는 보행패턴은 관절이 신전되지 않을 때에도 보행활동이 일어나기 때문 -Spinal cat에 L-DOPA주사 -굴곡반사 구심신경 (FRA: flexor reflex afferents) 자극

결 과 : -짧은 잠복기 굴곡반응 감소 늦은 속도로 길게 지속되는 반사 나타남 -긴 잠복기 굴곡반응은 반대측의 신전을 일으킴 결 과 : -짧은 잠복기 굴곡반응 감소 늦은 속도로 길게 지속되는 반사 나타남 -긴 잠복기 굴곡반응은 반대측의 신전을 일으킴 ⇒ L-DOPA는 느린 운동의 출력을 일으키는 개재 신경원 촉진. 이 신경원은 율동적 보행 패턴을 발생시키는 “spinal-half center”.

Spinal-half center의 모식도

(MLR: Mesencepahlic Locomotor Resion) 4) 중뇌보행영역 (MLR: Mesencepahlic Locomotor Resion) -제뇌 고양이의 뇌간(brain stem) 부위를 자극하면 완전한 네발걷기 이루어짐 -자극의 크기와 강도에 따라 걷기, 빨리 걷기, 달리기 등이 나타남

5) 가공적인 보행(fictive locomotion) - 척수상위부의 역할을 제거하고 순수하게 척수에 있는 CPG가 만들어내는 보행 방식 - 인위적으로 CPG의 출현을 유도해 만들어진 보행 형태 - 제뇌, 척수 고양이에서 유되 된 보행과 유사한 양상 - 구심성 자극, 원심성 신경 차단 시 모두 가공적 보행이 일어남 ⇒ 척수에 율동적 움직임 출력을 가능하게 하는 독립된 신경회로망이 있음

3. 영장류에서 CPG의 증거 Philipson(1905) -Spinal monkey에 손상을 가한 후 1달간 원숭이 뒷다리에서 교대적인 움직임이 나타남

Eldelberg(1981) -완전척수절단 원숭이 : 뒷다리에서 보행과 관련된 움직임 확인 못함 -부분적 손상 후 집중적 트레이드밀 훈련 원숭이 : 뒷다리의 움직임 나타났음 ⇒ 척수의 전정척수로(vestibulospinal tract)와 그물척수 신경로(reticulospinal tract)을 포함하는 백색질 전외측부(ventrolateral qudrant)의 보전(spring)이 보행을 일으키는데 필수적 조건

Vilensky(1992) -원숭이가 고양이에 비해 훨씬 약한 상호교대적 보행 움 직임 나타남 -Spinal cat과 monkey의 비교 -원숭이가 고양이에 비해 훨씬 약한 상호교대적 보행 움 직임 나타남 ⇒ 영장류에서 보행과 관련된 움직임을 피질척수로 (corticospinal tract)의 영향을 크게 받음 ⇒ 영장류에서 보행과 관련된 CPG는 대뇌피질로부터 오는 유입에 보다 많은 억제를 받고 있음

4. 인간에서 CPG의 증거 굴곡반사 구심성 신경 (flexor reflex afferent) SCI환자에게 보이는 율동적인 움직임과 수축 (rhythmic movements and contraction in SCI patient) 수면과 관련된 주기적인 다리의 움직임 (sleep-related period leg movement : SRPLM) 척수 자극(spinal stimulation) 신생아 보행(neonate walking)

1) 굴곡반사 구심성 신경 (flexor reflex afferent) -완전척수 손상 환자에서 FRA (flexor reflex afferent) 을 전기적으로 자극 -L-DOPA를 고양이에서 적용했을 때와 유사한 특징이 나타남 ⇒척수에 굴근과 신근을 상호교대적으로 움직이게 하는 신경회로망의 존재확인

2) SCI환자에게 보이는 율동적인 움직임과 수축 (rhythmic movements and contraction in SCI patient) - Calancie(1994) 불완전 경추 손상후 17년 된 환자 → 집중적 보행훈련 (1주일) → 하지에서 involuntary stepping이 나타남 ⇒ 불완전 척수손상 환자에게 집중적 보행훈련을 통해 율 동적인 교대적 수축을 발생 시킬 수 있음

척수손상환자의 트레이드밀 훈련

Hanna & Frank(1995) -뇌사 중이거나 뇌사가 일어난 환자에서 0.2~0.5Hz의 주기로 교대적인 하지 움직임 일어남 -단두 이후 일어나는 율동적인 굴곡반사 또는 움직과 관련

3) 수면과 관련된 주기적인 다리의 움직임 -SRPLM : 수면중 족관절과 발가락의 배측굴곡, 슬관절과 고관절의 굴곡 (sleep-related period leg movement : SRPLM) -SRPLM : 수면중 족관절과 발가락의 배측굴곡, 슬관절과 고관절의 굴곡 -완전, 불완전 SCI 환자 모두에게서 나타남 ⇒ 척수에 존재하는 CPG의 자동능(spinal automatism)과 관련

4) 척수 자극(spinal stimulation) -정상, 제뇌, 척수 고양이의 척수후부(dorsal side)에 전 기적 자극 : MLR(뇌간의 특정부위)을 적용했을 때와 비슷한 보행 활동 유도. 특히 L3-L4 분절의 자극이 가장 효과적. -완전 척수손상 환자에게 전기자극 : L2-L3분절 자극 시 하지의 교대적 상호활동이 대칭되 는 근육에서 일어남 ⇒ CPG를 통해 나타는 보행현상은 복잡한 신경 회로망을 통해 이루어지는 과정임

5) 신생아 보행 (neonate walking) - 신생아를 외적으로 지지하여 주었을 때 automatic stepping과 유사한 움직임이 나타남 ⇒ 인간의 CPG는 선천적인 것임 - 출생 이후 척수상위 수준이 성숙해감에 따라 보행에 있어서 독자적인 역할 수행 비중이 줄어 듬   cf. fetal steeping : 척수 회로망에 지배하는 척수 상부조절의 완전한 확립이 이루어지기 이전의 태아에 서 관찰

5. 척수 상위부의 CPG에 대한 영향(supraspinal activation of CPG) Spinal cat 실험에서 대부분은 보행과 관련된 움직임을 발생하지 못함 ⇒ 척수 상위부에서 보행을 시작하는데 관여하는 명령을 함 Rossignol 1996, Whelan 1996 -보행 시작명령은 뇌간에 MLR에 위치 -제뇌고양이의 뇌간에 전기적 자극 →가공보행(fictive motion)유도되고 자극이 멈추었을 때 가공보행 끝남

뇌간 (Brain stem) -뇌간은 적색척수로, 그물척수로, 전정척수로 등이 하행 신경로들을 통해 척수와 긴밀한 신경회로를 이루어 보 행활동 조절 -보행을 실행하는 중추는 대뇌피질의 일차운동영역에서 척수로 내려오는 피질척수로이며 뇌간에서 기시하는 하행신경로들과 함께 척수 상위수준에서 CPG를 억제 하고 조절하는 역할을 담당

6. 구심성 자극이 CPG에 미치는 영향 CPG에 영향을 줄 수 있는 감각자극 1.extensor load receptor 2.cutaneous afferent 3. hip afferent - 감각자극 패턴의 형태를 만들고 보행단계를 변화 시키도록 조절해주며 계속적인 보행활동의 강화

7. CPG 촉진을 통한 보행치료 주로 불완전 척수손상 환자를 대상으로 연구 트레이드밀을 통한 훈련 : 다양한 보행 속도와 지지 (support) 정도에 의해 제공되는 체중부하가 CPG를 효과적으로 촉진 훈련받은 환자군의 보행능력 회복과 재획득에 훨씬 효과적

CNS 환자의 보행특징 -다양한 신경학적 문제 가짐 : 비정상적인 근긴장, 연합반사, 균형장애, 감각장애등 -보행을 위한 목표 지향적 움직임 : 대뇌피질 의존적 보행 - 과도한 노력→ 많은 에너지 소모 →비정상적 근긴장→과도한 연합반사, 비대칭적 자세, 과도한 보상작용 증가 ⇒ 결국, CPG를 통한 자동적 율동적 보행 방식을 사용하지못하고 대뇌피질 의존적 보행은 강화되어 감.

CNS 환자에게 CPG 촉진을 통한 보행치료: -환자의 척수 상위 수준의 의존도 를 줄임 -척수 수준의 CPG가 자극될 수 있도록 함 ⇒ 긍정적인 방향으로 뇌의 가소성이 이루어 짐