상위운동신경원의 운동장애의 기전과 치료
김 종 만 교수 (서남대학교 물리치료학과)
물리치료사들은 상위운동신경원 질환에서 주로 나타나는 운동장애의 문제를 해결하기 위해
많은 노력들을 하여 왔다.
새로운 이론과 지식들을 받아들여 환자의 운동장애를 해결하고 기능적인 수행을 증진시키기 위해
노력하여 왔다.
이전에는 운동장애를 일으키는 다양한 요소들 중에 강직과 비정상적인 반사항진에 주로 초점을
맞추어 왔으나 실제로는 근육약화와 선택적인 운동조절의 문제로 인식되고 있다(Mayer, 1997).
상위운동신경원 손상 성인 환자에서의 강직과
운동 기능장애의 임상적/생리적 개념
강직과 신전반사
Nathan(1973)은 강직(spasticity)을 위상성 신전반사(힘줄반사)와 긴장성 신전반사(검사자에 의해
감지되는 수동적 신전에 대한 저항을 의미하는 근긴장도)의 항진 상태를 의미한다고 정의하였다.
신전반사의 항진은 분절 수준에서의 α-운동신경원 pool이 과흥분되거나 근육 신전의 증가에 의해
흥분성 구심 입력의 양을 증가시킴에 의해 발생한다.
α-운동신경원 과흥분성(hyperexcitability)은 억제성 입력의 감소,
탈신경 초감수성(denervation supersensitivity), 운동신경원의 가지돌기 위축,
등쪽뿌리 구심섬유의 곁가지 축삭재생(collateral sprouting)에 의해 발생할 수 있다.
γ-운동신경계 이론이 오래 전부터 제기되어져 왔지만, 근육방추 구심섬유에 대한
방추운동 흥분(fusiomotor drive)의 증가에 의해 신전반사를 항진시킨다는 직접적인 증거가
제시되지 못하였다(Burke, 1988).
강직에 대한 Lance(1980)의 정의는 매우 광범위하게 인용되고 있다.
강직은 상위운동신경원 증후군의 한 요소로서 신전반사의 과흥분성으로 인하여 발생하는
과도한 힘줄반사와 더불어 긴장성 신전반사가 움직이는 속도와 비례하여 증가되는 것이 특징인
운동장애이다.
강직성 환자에서 보이는 과도한 운동반응은 고유감각, 외수용감각 및 상위분절의 하행성 입력을
포함하는 다양한 원천으로부터 오는 정보가 척수회로의 변화를 일으킴으로써 나타나는 것으로
보인다.
강직을 나타내는 상위운동신경원 증후군으로는 뇌성마비, 다발성경화증, 외상성뇌손상, 뇌졸중,
척수손상, 퇴행성신경질환 등이 포함된다.
표 1. 강직성 과긴장성(Spastic Hypertonia)의 가능성 있는 신경학적 기전
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I. Increased motoneuronal excitability
A. Excitatory synaptic input is enhanced
1. Segmental afferents
2. Regional excitatory interneurons
3. Descending pathways, i.e., lateral vestibulospinal tract
B. Inhibitory synaptic input is reduced
1. Renshaw cell recurrent inhibition
2. Ia inhibitory interneurons
3. Ib afferent fibers
C. Change in the intrinsic electrical properties of the neuron
1. Changes in passive membrane electrical properties
2. Changes in voltage sensitive membrane conductance
II. Enhanced stretch-evoked synaptic excitation of motoneurons
A. Gamma efferent hyperactivity
B. Excitatory interneurons more sensitive to muscle afferent
1. Collateral sprouting
2. Denervation hypersensitivity
3. Decrease in presynaptic inhibition
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※ Katz RT, Rymer WZ. Spastic hypertonia: mechanisms and measurement.
Arch phys Med Rehabil. 1989;70:144-155.
상위운동신경원 증후군: 양성(陽性) 증상과 음성(陰性) 증상
큰후두구멍(foramen magnum) 수준에서 선택적으로 피라미드로(pyramidal tract)를 절단한
원숭이에서, 근긴장도는 증가하지 않았지만, 정교한 손동작(dexterity)의 심한 상실과 손가락의
분리운동(isolated movement)이 손상되었다(Kuypers, 1981).
일반적으로 인간의 경우 상위운동신경원 질환에서 피라미드로만 선택적으로 손상되기보다는
피질그물척수로(cortico-reticulospinal tract)와 같은 근처의 운동신경로도 함께 손상된다.
이들 신경로들의 손상은 힘줄반사 반응과 근긴장도의 증가와 함께 척수의 분절수준에서
α-운동신경원 과흥분성(hyperexcitability)이 발생한다.
Lance에 의한 상위운동신경원의 4가지 명백한 특징은 양성증상(positive symptoms)으로
1) 신전반사의 항진(강직), 2) 하지에서의 굴곡근반사의 해리,
그리고 음성증상(negative symptoms)으로 3) 정교한 운동의 상실, 4) 근육약화를 들었다.
음성증상은 양성증상들보다 환자의 기능에 더 큰 문제로 인식되나,
임상에서는 강직과 같은 양성증상을 치료하는데 더 많은 노력을 해오고 있다.
척수손상과 뇌손상에서 나타나는 강직은 생리학적 기전과 양상이 서로 뚜렷하게 차이가 있다.
척수손상에서의 강직은 분절에서의 다연접 경로(multisynaptic pathways)에 대한
억제성 입력의 제거로 인해 발생한다.
반복적인 흥분을 통하여 흥분성 상태는 느리고 점차적으로 증가하는 특성을 보인다.
하나의 분절로부터의 들어오는 구심성 활동은 다른 많은 분절로 가서 근육반응을 일으킨다.
예를 들면, 하지마비 환자에서 S1 분절에 해당되는 발에 유해한 자극을 주면, L5의 무릎 굴곡근,
L2의 대퇴 굴곡근, 그리고 T10의 복부근이 동시적으로 수축이 일어날 수 있다.
척수에 대한 반복적인 흥분은 굴곡근이나 신전근 모두에서 나타날 수 있다.
뇌손상으로 인한 강직은 단일연접경로(monosynaptic pathways)의 증가된 흥분성에 의해 발생한다.
반복적인 신전자극에 대하여 매우 빠르게 반사활동을 생성한다.
임상적으로, 강직은 상지의 굴곡근들과 하지의 신전근들과 같은 항중력근(antigravity muscles)에서
주로 나타나며, 이로 인해 특징적인 편마비 자세(hemiplegic posture)를 나타내게 된다.
임상적으로, 굴곡근 반사협력작용(flexor reflex synergy)은 엄지발가락 신전과 발목, 무릎 및
대퇴 굴곡을 포함한다.
그리고 복부근 수축은 함께 나타날 수도 있다.
바빈스키 반응(Babinski response)은 굴곡근 반사가 뇌줄기로부터 해리되거나
피질-그물척수로(cortico-reticulospinal tract)의 억제로 인해 나타나는 것으로 보인다.
섬세한 손가락 움직임(finger dexterity)의 상실과 근육 약화는 상위운동신경원질환에서 나타나는
대표적인 2가지 음성증상이다.
특정 관절에서의 선택적 운동(selected movement)이나 분리운동(isolated movement)을 할 수 있는
능력은 일반적으로 심하게 손상된다.
근육군의 선택적 조절은 굴곡근과 신전근 협력운동 양상(synergy pattern)과
전형적인 덩어리 협력운동(mass synergy)으로 대체된다.
손가락과 엄지손가락의 정교한 움직임의 상실은 상지의 근위쪽 회복이 좋을지라도
장기간동안 발생한다.
근육약화는 강직성 근육들에서 수의적인 수축에 있어서 필요한 운동단위의 동원되는 수가 감소되거나
이들 운동단위들의 흥분율(firing frequency)이 감소에 의해 나타난다(Katz와 Rymer, 1989).
게다가 운동단위가 동원될 때 이것의 흥분율은 지속적으로 유지되지 않는다.
운동단위들의 부적절한 동원은 기능적인 수행을 위하여 필요로 하는 충분한 힘을 생성하지
못하게 된다.
또한 동원 순서가 동원의 크기원리(size principes)대로 일어나지 않으므로
비효율적인 근육활성이 발생된다.
표 2. 상위운동신경원 증후군에서의 운동장애의 임상적 특성
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양성 증상
강직(spasticity)
증가된 근긴장도
과도한 힘줄반사
신전근으로의 신전반사의 확산
반복적인 신전반사 전위 : 긴장성 경련(clonus)
굴곡근 반사의 해리(released flexor reflexs)
바빈스키 반응
덩어리 협력 양상
음성 증상
정교한 손가락 운동의 상실
근육 약화
부적절한 힘 생성
느린 움직임
근육과 사지 분절들의 선택적 조절의 상실
강직성 근육에서의 역학적 변화
경직(stiffness)
구축(contracture)
섬유증(fibrosis)
위축(atrophy)
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상위운동신경원 증후군에서의 운동 기능장애
상위운동신경원 질환 환자에서, 운동장애의 임상적인 문제점들은 음성증상, 양성증상,
그리고 근육과 다른 조직들의 역학적 특성에서의 변화들 간의 복잡한 상호작용에 발생한다.
강직, 운동생성 기전의 손상, 근육 경직(muscle stiffness) 및 구축(contractures)은
정적인 관절 위치와 동적인 사지의 움직임에 영향을 미치는 힘의 불균형에 기여하는 요인들이다.
가역성(plasticity)과 점탄성(visco-elasticity)을 포함하는 근육 경직과 구축은
한마디로 역학적 특성(rheologic properties)이라고 부른다.
근육, 힘줄 및 관절의 역학적 특성의 변화는 사지의 위치와 움직임의 정상적인 조절의 변화에 의해
발생되는 병적 상태에 의해 발생될 수 있다.
이들 역학적인 특성은 변화 될 수 있고, 다른 말로 하면 병적인 상태에 의해 더 악화될 수도 있다.
근육의 비반사적 특성은 근육 길이와 신전 속도와 함께 저항을 증가시킬 수 있다.
Herman(1970)은 반사활동이 저하되어 구축이 있는 강직성 근육들에서,
근긴장도를 평가하는 검사자는 점성(viscosity)의 증가로 인한 증가된 긴장도를
경험하게 된다고 하였다.
이것은 근육 자체에서의 변화들에 의해 긴장도가 증가되는 것으로 볼 수 있다.
만성적인 강직을 갖고 있는 환자들의 경우에서, 근긴장도에 영향을 미치는 중요한 요소가
십자교 경직(cross-bridge stiffness)을 들 수 있다.
가역적 저항(plastic resistance)은 섬유증(fibrosis), 근위축(atrophy), 특정 근육섬유에서 수축특성의
변화들과 같은 조직학적인 변형으로부터 발생할 수 있다.
동물연구에서, 단축된 상태에서 근육을 고정하였을 경우에는 근절(sarcomere)의 가역적 상실과
경직의 증가가 일어났다(Gossman 등, 1982).
이들 연구들의 임상적 관련성은 2가지로 정리할 수 있다.
첫째로, 최근에 발생한 강직성 환자에서의 강직성 긴장도(구축과 경직이 발생하기 이전 상태)는
반사에 의하여 유발되는 저항(reflex-induced resistance)에 의해서 발생한다.
둘째로, 만성적인 강직성 근육에서의 긴장도는 반사에 의한 저항과 근육과 같은 역학적 특성의
변화로부터 발생하는 저항 둘 다에 의해 발생한다.
치료사에 의해 경험되는 신전 시 저항으로서의 근긴장도는 반사활동에 의해 생성되는
능동 수축성 장력(active contractile tension)뿐만 아니라 신전의 대상이 되는 근육과
다른 조직들의 역학적 특성에 의해 생성되는 수동 장력(passive tension)에 좌우된다.
치료사들은 증가된 긴장도가
1) 주동근의 부전마비, 2) 강직성 길항근에 의해 생성되는 장력, 그리고 3) 역학적 특성의 변화로
인한 길항근의 경직(stiffness) 중에서 어느 요소의 기여에 의해 발생하는지 관찰에 의한 구별은
매우 어렵다.
특히 능동운동을 하는 동안 발생하는 저항의 원인을 밝혀내기란 매우 어렵다.
그러나 신경차단(nerve blocks)과 근전도(electromyographic study)는 임상적인 문제점으로서
강직(spasticity)과 근육 경직(muscle stiffness)의 기여 정도를 구분하는데 유용하다.
신경차단은 반사성 장력(reflexive tension)을 제거해 줌으로써 길항근육군의 수동적인
역학적 변화로 인한 저항의 기여 정도를 측정할 수 있다.
근전도 연구는 움직임을 하는 동안 길항근에서의 동적 활동(dynamic activity)과 마비와 관련된
근전도 동원(EMG recruitment)에서의 비정상 상태를 알 수 있다.
임상적 적용
치료사들이 상위운동신경원 질환에서 환자의 운동 잠재력(patient's potential)을 평가할 때
기본적인 2가지 쟁점은 1) 주동근의 약화, 2) 길항근의 동시활성(co-activation)을 고려해야만 한다.
이들 2가지 유형의 문제점은 관절 양쪽의 힘의 불균형과 움직임을 손상시킴으로써
능동운동(active movement)을 방해한다.
상위운동신경원 질환으로 인한 길항근의 동시수축은 임상연구와 신경생리적 연구에 의해서
잘 인식되어 오고 있다.
편마비 환자의 주먹을 꽉 잡은 손의 변형(clenched fist deformity)이 있는 환자가
손가락을 펴려고 할 때, 굴곡근인 FDS는 함께 동시 수축하는 것을 흔하게 관찰할 수 있다.
손가락 신전근들은 다양하게 약화가 있지만 완전히 마비된 것이 아니기 때문에
손가락을 펴지 못하는 것은 부전마비 뿐만 아니라 손가락을 펴려고 할 때의 길항근인 FDS의
동시수축 때문에 그럴 수 있다.
상위운동신경원 증후군에서, 같은 분절수준에서의 교차억제(reciprocal inhibition)의 손상은
길항근 활동의 발생으로 인해서 움직임 장애가 일어날 수 있다고
하나의 설명으로서 이야기 할 수 있다.
검사자에 의한 강직성 근육의 수동신전(passive stretch)은 신전반사의 역치가 저하됨으로서 나타난다.
환자가 주동근의 능동적인 수축에 의한 움직임을 생성하는 동안 나타나는
강직성 근육의 수동신전은 길항근에서의 신전반사 활동의 조절장애로 인해 나타난다.
길항근의 임상적 영향은 수의적인 움직임을 하는 동안 주동근에 의해 유발되는 움직임으로
위장되고 상쇄되게 된다.
분리된 근육약화가 있는 상황에서 신경계는 비슷한 결과를 성취하기 위하여
대안적으로 다른 근육군을 동원시키고 구성함으로써 약화를 보상하려고 하는데,
이로 인해 보상적인 운동양상(compensatory movement patterns)이 발생하게 된다.
예를 들면, 선택적으로 팔을 펴지 못하는 환자가 책상 위에 있는 사과를 잡으려고 할 때
환자는 보상적으로 대퇴를 구부리거나 몸통을 기울임으로써 사과에 손을 위치하게 된다.
소아마비나 말초신경병증과 같은 하위운동신경원 증후군에서의 보상행동은
임상관찰과 근력검사를 통해서 쉽게 알 수 있고, 실제 운동목적을 성취하기 위하여
환자에게 사용이 허용된다.
그러나, 상위운동신경원 증후군에서 보상행동으로부터 필수적인 운동행동의 분리는
많은 문제를 갖게 된다.
상위운동신경원 질환에 의해 근위근과 원위근은 전형적이지만 다양하게 침범된다.
결과적으로 보상적 목적을 위한 다양한 근육군의 동원하고 구성하는 신경계의 능력은 제한될 수 있다.
상위운동신경원의 병변 때문에 보상적인 목적들을 위하여 순서적으로 동원되는 근육들은
주동근으로서의 일부는 수의적인 조절 하에, 길항근으로서 일부는 강직 하에 있게된다.
결국 편마비 환자가 수의적인 움직임을 하려고 할 때 보상행동과 필수 행동의 혼합된 영향에 의해
움직임은 비정상적이거나 비효율적으로 생성하게 된다.
임상적 운동장애의 공통적인 양상
중추신경계의 병변은 흔히 상위운동신경원 증후군을 일으킨다.
상위운동신경원 증후군에서, 국소적이지만 근육 장애의 다양한 양상은 상지와 하지 관절들에서
전형적인 변형을 발생시킨다.
뇌손상 환자에서, 상지의 전형적인 관절변형은 어깨의 내전과 내회전, 팔굽의 굴곡,
아래팔의 회내(pronated forearm), 손목 굴곡, 및 주먹을 꽉 잡은 손(clenched fist)이 특징적이다(Mayer 등, 1997).
강직으로 인한 어깨의 내전과 내회전 기능장애를 일으키는 근육들은 latissimus dorsi, teres major,
pectoralis major 및 subscapularis가 포함된다.
이들 근육들의 강직으로 인해서 겨드랑이의 피부위생에 어려움이 있고, 옷 입기, 목욕, 및 세수하는
동작에 어려움을 준다.
또한 어깨관절을 움직일 때, 이들 근육들의 강직을 적절하게 줄여준 후 부드럽게 이들 근육을 늘려서
어깨운동을 시켜 주어야 관절에 통증이 발생하지 않는다.
굴곡된 팔굽에서, brachioradialis는 biceps와 brachialis보다 흔하게 강직을 보인다.
뇌졸중으로 인한 편마비 환자에서, 회내된 아래팔로 인해 수의적인 회외운동(supination)이
가장 나중에 회복되는 움직임 중의 하나이다.
회내된 아래팔 자세를 갖게 하는 근육들은 pronator teres와 pronator quadratus 모두가 포함된다.
손목굴곡 자세에서, 수근관 증후군(carpal tunnel syndrome)의 증상은
손목 굴곡근과 손가락 굴곡근과 힘줄들에의 단축에 의하여 정중신경(median nerve)의 압박이
발생하여 이차적으로 일어난다.
손목굴곡과 함께 요측 편향된 자세는 flexor carpi radialis를 주로 포함한다.
심한 강직으로 인한 손목굴곡은 손목의 아탈구와 수근관 증후군을 일으킬 수 있다.
주먹을 꽉 잡은 자세의 경우, PIP 굴곡과 함께 DIP 신전되어 있으면 FDP보다는 FDS의 강직으로
인한 것으로 볼 수 있다.
이 자세에서 내재근이 함께 포함되면, MCP 굴곡과 PIP 신전된 자세를 갖게 된다.
엄지손가락은 손바닥 안에 구부려져 위치하는 것을 thumb-in palm deformity라 하는데,
엄지손가락의 DIP는 주로 굴곡(FPL)되므로 key grasp과 three-jaw chuck grasp하는 기능을
상실하게 된다.
하지에서의 전형적인 변형들은 보행장애를 일으키고, 침상자세, 앉은 자세에서의 균형,
의자차 활동 및 앉은 자세에서 일어나기와 같은 기능적인 동작들을 방해한다.
하지에서 가장 공통적인 비정상적 자세는 첨내반족(equinovarus)이며,
이것은 기능적인 보행과 이동(transfer) 시에 주요한 장애요소이다.
이 변형을 예방하고 회복시키는 방법은 보조기와 serial casting 착용, 도수 신전운동
(manual stretching), 그리고 운동치료가 있다.
striatal toe (hitchhiker's great toe)는 EHL의 과활동에 의해 생기며, 신발 신는 동작을 어렵게 한다.
신발을 착용한 상태에서 보행을 할 때, 입각기 시에 엄지발가락과 첫 번째 중수골두
(1st metatarsal head)에 심한 통증을 호소한다.
stiff knee의 경우, 지속적인 무릎 신전자세로 보행을 하는 동안 유각기(swing phase) 시에
특별한 문제가 된다.
초기 유각기 동안, 발가락을 끄는(toe drag)것은 발을 헛디디거나 넘어짐을 일으킬 수 있다.
대부분의 환자들은 유각기 동안 발을 끌지 않기 위해서 골반 끌어올리기(hip hiking),
같은쪽 다리의 회선운동(circumduction), 또는 반대쪽 다리로 몸을 기울이면서 걷는
circumduction gait를 보이는데, 이로 인해 에너지 소모가 매우 심하여 쉽게 지친다.
이와 같은 보행에 기여하는 가능성 있는 근육들은 iliopsoas, gluteus maximus, quadriceps femoris,
hamstrings이 포함된다. 굴곡된 무릎의 경우, hamstring의 과활동에 의해서 발생하며,
만성적인 과활동으로 인해 hamstring contracture가 발생할 수 있다.
대퇴 내전근과 굴곡근의 강직은 흔히 함께 존재하고, 골반 기울임(pelvic obliquity)을 일으킨다.
보행 시에는 "가위 허벅지(scissoring thighs)"로 인해 발의 체중지지면이 좁아져 균형을
쉽게 상실하게 한다.
강직 치료의 일반적인 지침
상위운동신경 증후군에서 나타나는 임상특성은 감각장애, 지각장애, 인지장애 및 비정상적인
운동조절이 포함된다.
운동장애는 강직, 굴곡근 경련, 근육약화 및 손동작 조절상실이 포함된다.
이들 운동장애에 기여하는 요소들이 서로 작용하여 운동성(mobility), 자세(positioning),
환자간호(cares) 및 일상생활동작과 같은 기능적인 활동의 제한하는데 기여한다.
강직은 요구되는 움직임을 수행하는데 있어서 에너지 소모를 증가시키고, 보조기 착용을 방해하
