[근육생체역학 - 2] 신경 전달과 근육 활성화: EMG 분석

신경 전달과 근육 활성화

오늘은 근육 활성화를 위해 어떻게 신경 전달이 되는지, 그리고 신경을 분석하는 EMG에 대해서 소개해 드리겠습니다.

 

1. 근육의 활성화

 

근육이 이완된 상태일 때는 미오신이 결합하는 부분은 트로포미오신(tropomyosin)에 의해 차단되지만, 근육이 활성화되면 칼슘 이온(Ca2)이 세포 내 공간으로 방출되면서, 트로포닌(roponin) 단백질 복합체에 결합하여 트로포미오신의 형태를 변화시켜 액틴 필라멘트의 미오신 결합 부위가 노출되면서 교차결합 사이클링이 시작되어 활성화됩니다. 

 

Image © 2020 David Delp.

 

2. 근육 수축과 신경계의 역할

 

칼슘 이온은 어떤 저장소에 보관되어 있으며, 칼슘 이온의 방출은 중추신경계(CNS)에 의해 조절됩니다. 근육은 스스로 활성화되지 않으며, 일반적으로 신경계 신호를 받아야만 수축할 수 있습니다. 따라서, CNS는 근육 수축과 기능에서 매우 중요한 역할을 하고 있습니다.

 

Image © 2020 David Delp.

 

근육 섬유는 CNS의 신호를 빠르게 전달받아 세포 전체에서 칼슘 이온이 방출될 수 있도록 하는 구조적 특징을 가지고 있습니다. 운동 뉴런(motor neuron)은 근섬유와 신경근 접합부(neuromuscular junction)에서 연결되는데, CNS에서 흥분 신호가 오면 신경근 접합부의 시냅스(Synapse)에서 아세틸콜린(acetylcholine)이라는 신경전달물질이 방출됩니다. 이는 세포막의 탈분극을 유발하고 근소포체(sarcoplasmic reticulum)에서 칼슘 이온의 방출을 촉진시킵니다. 

 

세포막(sarcolemma)에 있는 T-튜블(T-tubule)은 탈분극이 세포 전체로 빠르게 전파시키고, T-튜블 근처에 있는 말단 시스테르나(terminal cisternae)는 근소포체와 함께 작용하여 칼슘 이온을 저장하고 방출하는 역할을 합니다.

 

3. 근육 신호의 전달과 조절

 

CNS에서 신호가 끝나면, 세포는 다시 칼슘 이온을 근소포체에 저장하는데, 칼슘 이온이 농도 기울기에 반하여 이동해야하기 때문에 칼슘 재흡수 과정은 방출 과정보다 느립니다. 신경계가 근육을 활성화하는 방법에 대해서 간단하게 살펴보았는데, 추가적으로 CNS는 근육이 얼마나 강한 힘을 발휘해야 하는지도 조절해야 합니다. 이를 위해 율 부호화(rate encoding)과 운동 단위 동원(motor unit recruitment) 두 가지 방식이 있습니다.

 

1) 율 부호화

 

신경 신호는 활동 전위(action potential)라는 전기적 충격의 형태로 전달됩니다. 일반적으로 근육은 뇌에서 오는 신호로 활성화 되지만, 전기 자극을 통해 인위적으로 활성화도 가능합니다. 예를 들어, 기능적 전기 자극(Functional Electrical Stimulation)의 치료는 신경 손상으로 인해 마비된 환자의 운동 뉴런을 직접 자극하여 근육을 강화하고 움직임을 유도하는 방법입니다. 이와 같이 짧은 전기 자극을 주면, 운동 뉴련이 자극받아 해당 근섬유가 단일 수축(twitch)을 발생시키고, 이때 전기 신호는 어느 정도의 세기 이상 즉, 임계 전압(threshold voltage)를 초과해야만 근육이 반응하게 됩니다. 단일 트위치에서는 작은 힘만 생성되지만, 일정한 간격으로 여러 개의 전기 신호를 보내면 개별 트위치가 서로 겹치게 됩니다. 이와 같이 신호 빈도를 통해 힘을 조절하는 것이 율 부호화 입니다.

 

Image © 2020 David Delp.

 

• 비융합 강직(unfused tetanus): 5~20Hz와 같이 신호 빈도가 낮으면, 근육이 한 번씩 톡, 톡, 톡 움직이고 트위치가 서로 겹치지 않아 금방 다시 풀리게 됩니다.
• 융합 강직(fused tatanus): 80Hz 이상의 높은 신호 빈도를 주게 되면, 개별적으로 톡, 톡으로 자극을 주는 것이 아니라, 하나의 강한 수축이 되어 개별 트위치카 완전히 겹치게 됩니다.
• 전기 신호를 빨리 보내면 근육이 더 강하게 수축하고, 힘을 더 오래 유지할 수 있습니다. 

하지만, 신호 빈도 조절만으로는 많은 움직임을 수행할 수 없습니다. 실제로도 우리가 움직일 때 훨씬 더 넓은 범위의 힘 변화가 필요하기 때문에, 신경계는 운동 단위 동원이라는 추가적인 조절 메커니즘이 필요합니다. 

 

2) 운동 단위 동원

 

운동 단위 동원은 근육이 수축할 때 더 큰 힘을 대기 위해 추가적인 운동 단위를 활성화하는 과정을 의미합니다. 운동 단위는 하나의 운동 뉴런과 이를 지배하는 근섬유들로 구성되는데 운동 단위의 크기는 수십 개에서 수천 개의 근섬유로 다양하며, 적은 힘이 필요할 때는 적은 수의 근섬유를, 큰 힘이 필요할 때는 더 많은 근섬유를 동원하게 됩니다. 

 

예를 들면, 엄지 손가락처럼 정밀한 조절이 필요한 작은 근육은 운동 뉴런 하나당 소수의 근섬유를 동원하고, 등 근육과 같이 큰 조절이 필요한 근육은 하나의 운동 뉴런이 수많은 근섬유를 지배하게 됩니다. 하나의 운동 단위에 속하는 근섬유들은 근육 내에 서로 뭉쳐 있지 않으며, 근육 전체에 널리 분포하는 경우가 대부분입니다. 따라서, 인접한 근섬유들은 대부분 서로 다른 운동 단위에 속하고 있으며, 하나의 운동 뉴런이 지배하는 근섬유들은 여러 개의 근다발(fascicle)에 분포할 수 있습니다. CNS는 움직임에 따라 모집되는 운동 단위의 개수를 조절하게 됩니다. 작은 힘이 필요할 때 CNS는 작은 운동 단위만 동원하며, 더 큰 힘이 필요할 때 CNS는 점진적으로 더 큰 운동 단위를 추가로 동원합니다. 이처럼, 운동 단위는 특정한 순서로 모집되며 이를 Henneman의 크기 원리(Henneman's size principle)라고도 하며, 질서 있는 운동 단위 동원(orderly recruitment)라고도 합니다.

 

3) 운동 단위의 크기와 특성에 따른 구분.

• 작은 운동 단위(Slow-Twitch) - Type 1 근섬유: 걷기 등 저강도 움직임에서 적은 힘을 낼 때 주로 사용되어 지구력과 피로에 강함
• 큰 운동 단위(Fast-Twitch) - Type 2 근섬유: 달리기, 점프와 같이 강한 힘을 낼 때 주로 사용되지만, 빠르게 피로해짐

 

Image © 2020 David Delp.

 

위에 설명한 바와 같이, 일반적으로 신경계에서 운동 단위 동원과 다르게 외부의 전기 자극은 그 크기의 원리를 따르지 않습니다. 즉, 외부의 전기적 자극을 주게 되면, 작은 운동 단위뿐만 아니라 큰 운동 단위도 동시에 활성화가 되기 때문에, 힘 조절이 더 어려워지고 피로가 빠르게 발생하는 문제가 생깁니다. 따라서, 질서 있는 운동 단위 동원이 척수 손상이나 운동 기능 장애를 가진 마비 환자들에게 더 효과적인 재활 치료가 가능할 것입니다.

 

4. 근전도 (Electromyoraphy) 

 

근육이 신경계에 의해 활성화되면 미세한 전기 신호를 생성하게 됩니다. 앞에서 율 부호와와 운동 단위 동원을 통해 근육이 생성하는 힘을 조절하게 되는데, 더 높은 빈도나, 더 많은 운동 단위가 동원될수록 더 큰 전기 신호가 발생하게 됩니다. 이러한 전기적 활동을 측정하기 위해 근전도를 활용합니다.

 

근전도의 신호를 측정하기 위한 방법으로는 피부에 전극을 부착하는 표면 근전도(surface EMG)와 근육 내 전극을 삽입하는 근육 내 근전도(Intramuscular EMG)로 구분됩니다. 근전도 신호를 해석하고 분석하기 위해서 다음과 같은 신호 처리가 필요합니다.

 

Image © 2020 David Delp.

 

• 고역통과 필터링(high-pass filtering): 시간에 따라 변하는 불필요한 변동 제거
• 정류(rectification): 신호를 절댓값으로 변환하여 음수 값 제거
• 저역통과 필터링(low-pass filtering): 신호를 부드럽게 만들어 근육 활동의 강도를 쉽게 확인
• 정규화(normalization): 최대 근육 수축(maximum voluntary contraction) 대비 신호 강도를 정규화