The effect of simultaneous repetition of unrelated finger movements on surround inhibition in the motor system

Abstract

[한글]주위억제기전(surround inhibition)은 원하는 신경 활성을

적절하게 유도시키고 원하지 않는 신경 활성을 억제하는

생리학적 기전으로 운동 및 감각신경계의 활성조절에 매우

중요한 기전으로 알려져 있다. 자발적인 움직임을 정확히

수행하기 위해서는 주위억제기전이 필수적이기 때문에

불수의적인 움직임이 주된 문제인 이상운동질환에서는 질환의

병태 생리를 파악하기 위해서 주위억제기전의 특징을

이해해야만 한다. 특히, 근육긴장이상(dystonia)은 관련 근육의

불수의적인 수축이 지속되어 일어나는 이상운동질환으로

주위억제기전의 손상되어 있음이 보고되었다. 이러한 보고는

움직이지 않고자 하는 근육의 과도한 수축을 보이는 임상적

소견과 잘 일치한다. 근육긴장이상은 현재까지는 자세한

병리기전이나 뚜렷한 치료방침이 확립되어 있지 않아 대부분의

환자들이 이로 인한 일상생활을 제대로 수행하지 못하여 많은

고통을 받고 있다. 국소근육긴장이상(focal dystonia)은

근육긴장이상의 한 형태로 신체의 일정부위를 침범하며

얼굴부위나 손을 침범하는 경우가 흔한데, 특히,

국소손근육긴장이상(focal hand dystonia)은 주로 손에 증상이

나타나는 경우를 말한다. 국소손근육긴장이상은 아주 오랜 기간

동안 매우 과도하게 관련 근육의 반복적인 훈련과 관련이

있으며 흔히 과도하게 손가락 훈련을 오랫동안 해야 하는

음악가 등에서 발생빈도가 높다고 알려져 있다. 하지만, 정확한

발생기전은 제대로 알려져 있지 않다. 주위억제기전이 선택적인

움직임과 밀접한 관련이 있기 때문에 과도한 훈련이

주위억제기전 손상을 유발시키고 결국은 근육긴장이상이 발생할

것으로 추정하였다. 본 연구의 목적은 악기를 다뤄본 적이 없는

정상인과 어려서부터 피아노 훈련을 전문적으로 해 왔던

피아니스트를 대상으로 주위억제기전을 연구함으로써 이 기전에

대한 식견을 넓히고 자 함이다. 본 연구의 가설은 서로 관련이

없는 두 손가락(한쪽 손가락의 움직일 때 다른 손가락은

억제되어야 하는)의 과도한 반복적인 움직임이 주위억제기전

손상을 유발시킬 것이라고 가정하였다. 반복적인 움직임이

주위억제기전에 미치는 영향을 연구하기 위해서 서로 다른 두

종류 훈련 후에 나타나는 주위억제기전의 변화를 비교하였다.

이미 이전 연구에서 정상인의 경우 집게손가락의 단순굴곡운동

시, 연관이 없고 움직임이 없어야 하는 새끼 손가락에서

주위억제기전이 관찰되었다. 본 연구에서도 이전에 사용되었던

집게손가락의 얕은손가락굽힘근(flexor digitorum superficialis)과

새끼손가락의 짧은새끼외전근(abductor digiti mini)과

경두개자기자극술을 이용하였다. 집게손가락만 외전을 시키는

훈련과 집게손가락 굴곡 시 새끼손가락을 동시에 외전 시키는

두 종류의 훈련을 하고 이 훈련 전후의 주위억제기전의 변화를

비교하였다. 음악가가 아닌 정상인의 경우에는 단기간

동시운동훈련 뒤에는 짧은새끼외전근의 운동유발전위는 훈련

전처럼 감소하지 않고 오히려 증가하였다. 이 효과는

새끼손가락만 외전 시킨 훈련보다 유의하게 증가되었고 또한

오랫동안 지속되었다. 이와 반대로 전문적인 피아니스트의

경우에는 두 훈련이 주위억제기전에 미치는 효과는 차이가

없었다. 본 연구는 근육의 과도한 사용이 주위억제기전을

손상시킨다는 것을 명백하게 보여 주었으며 이러한 결과는

주위억제기전변화가 국소근육긴장이상발생에 기여할 수 있다는

가설을 지지한다. 동시반복훈련이 음악가가 아닌 정상인과

전문적인 피아니스트간에 차이가 있었던 이유는 피아니스트의

경우에는 유년기부터 매우 오랜 기간 동안 손가락의 반복훈련을

해왔기 때문에 이로 인해서 주위억제기전을 조절하는

신경생리학적 기전이 악기를 다룬 적이 없는 정상인과는 다를

것으로 추정된다.

[영문]Surround inhibition is a neural mechanism by which desired neural processes can be adjusted by suppression of unwanted, neighboring neural activity for the selection of the proper neuronal response. It is an essential mechanism of the motor system to aid the selective execution of desired movements. Disturbed surround inhibition in the motor system could account for various movement disorders because this impairment prevents the ability to perform desired movements. Dystonia, which is characterized by co-contraction of agonists and surrounding muscles, may be more pertinent clinically to impaired surround inhibition than other movement disorders. Accordingly, disturbed surround inhibition has been demonstrated in patients with focal hand dystonia (FHD). FHD is often task-specific, and is associated with overuse of the affected muscles. FHD usually develops following a period of highly repetitive movements that typically require extreme motor precision. In this study, I hypothesize that repetitive exercise of unrelated finger movements can lead to disturbed surround inhibition, which could provide physiological evidence to support the potential contribution of muscle overuse to the development of FHD. To explore the effect of muscle overuse on surround inhibition, we measured changes in surround inhibition after short-term exercise with repetition of two different types of finger movements. As reported previously, motor evoked potentials (MEPs) were suppressed in the little finger muscle (abductor digiti mini; ADM) during flexion of the index finger muscle (flexor digitorum superficialis; FDS). After short-term exercise consisting of repetitive finger movements, MEPs of the ADM were no longer suppressed but instead were enhanced during the flexion of the FDS in non-musician healthy volunteers. Exercise comprising simultaneous ADM and FDS movements produced significantly larger and longer-lasting enhancements than those of the ADM movement alone. In professional pianists, on the contrary, alterations in surround inhibition after both types of exercise were similar. The results of this study provide neurophysiological evidence that repetitive practice of unrelated finger movements can disturb surround inhibition and support the idea that muscle overuse may contribute to the development of task-specific dystonia. The finding that the effect of exercise types on surround inhibition are different between non-musicians and professional musicians supports the hypothesis that neurophysiological mechanisms regulating surround inhibition in professional musicians may be different from those in non-musicians, probably due to previous long-term practice of unrelated finger movements.