주기적 힘 생성 시 성인 발달성 협응 장애인의 다중 손가락 협응과 전두엽 활성도의 변화 = Changes of multi-finger coordination and prefrontal oxygenation in association with prolonged cyclic force production task in adults with developmental coordination disorder

국문 초록 (Abstract)

본 연구의 목적은 주기적으로 손가락 힘을 생성하는 과제에서 발달성 협
응 장애(DCD)를 가진 성인의 다중 손가락 협응과 전두엽피질 산소포화도
의 관계를 탐구하는 것이다. 발달성협응장애(Developmental Coordination
Disorder: DCD)는 자신의 시간적 연령에 대한 기대 이하의 운동협응능력
을 가지고 있는 신경발달 장애 중 하나이다. 이들은 일상생활에서 사용되는
운동기술을 행하는데 어려움을 겪으며, 특히 소근운동기술의 수행 수준이 현
저하게 낮다는 연구결과들이 지속적으로 보고되고 있다. 특히, 눈-손 협응
과제에서 통제집단에 비해 과도한 전두엽 피질 영역의 활동성을 가진다는
연구 결과는 DCD의 서툰 움직임 특성과 집중력 간의 밀접한 관련성을 암시
한다. 따라서 본 연구는 장시간 주기적 힘 생성 과제의 종속 변인들로 집중
력의 영향을 정량화 할 수 있는지 확인하고, 성인 DCD의 낮은 운동 수행 능
력이 해당 분석 변인들에서 어떻게 관찰되는지 확인하기 위해 진행되었다.
이를 위해 정형학적, 신경학적 문제가 없는 피험자들을 ADC와 MABC2를 이용하여 DCD집단(15명)과 통제집단(15명)으로 나누어 연구를 진행
하였다. 모든 피험자들은 전두엽 피질의 산소 소비량을 측정하기 위해 기능
성 근적외선 분광기(fNIRS)를 착용한 상태에서 네 손가락을 이용하여 3분
동안 컴퓨터로 송출되는 0.5Hz 주기의 사인파 템플릿에 맞춰 손가락 힘을
생성하도록 지시받았다. 탬플릿의 진폭은 최대 자발적 수축(MVC) 힘의 5%
에서 10%로 설정하여 근육 피로를 유발하지 않을 만큼 충분히 작게 설정하
였다. 세 번의 실험을 수행하여 한 명의 피험자로부터 총 9분 동안의 데이터
를 수집했다. 최대 수축력 과제 결과, DCD의 MVC 힘은 CS보다 현저히 낮
았다. 주기적 힘 생성 데이터를 각 구간별로 계산하기 위해 180초의 시계열
데이터를 5단계로 나누고 각 단계마다 모든 변수를 계산했다. 퍼포먼스 변
인(MAE, CV)의 결과 힘을 증가시키는 구간에서의 에러가 DCD그룹이 CS
에 비해 통계적으로 더 크게 나타났다. 변동계수는 두 그룹간 유의한 주효과
를 보였으며, 구간에서의 유의한 주효과가 나타났다. 협응 변인(synergy
index)은 두 그룹 간 통계적 차이는 없었으나, 구간에 대한 주효과가 나타났
다. 전두엽 피질 활성도의 경우 통제그룹은 통계적 특징이 없었으나, DCD의
경우 초기와 말기에 더 많은 산소를 소비하는 quadratic형태의 U자형 패턴
을 보였다.
결론적으로 두 그룹 모두 시간이 지남에 따라 퍼포먼스와 협응 변인의 저
하를 보였으며, 특히 DCD의 경우 퍼포먼스 변인에서 통제집단에 비해 더 낮
은 수준의 수행능력을 보였다. 이는 DCD가 반복적으로 일정하게 힘을 생성
하는 수행력 부분에서 CS에 비해 수행능력이 떨어진다고 볼 수 있다. 또한
시간이 지남에 따라 발생되는 협응지수의 저하는 떨어지는 집중력의 영향을
보여주는 것으로 사료되며, 이러한 현상은 두 집단 모두에서 공통적으로 확
인할 수 있었다. 다만, 해당 연구결과 협응 지수에서 그룹 간의 통계적으로
차이를 발견하지 못하였다. 하지만, 전두엽 산소포화도 결과와 함께 놓고 보
면, 비슷한 협응 능력에 비해 DCD그룹이 더 높은 산소소비량을 가진 것을
확인할 수 있었다. 이는 같은 협응 능력을 구사하는데 DCD가 더 많은 산소
를 필요로 한다는 것을 의미한다.
하지만, 이번 연구 결과는 '주의력'을 요하는 장시간의 힘 생산 과제를 수
행하는 동안 협응 지수와 전두엽 뇌 활동의 인과관계를 입증하는 데는 실패
했다. 그러나 장시간 지속되는 과제에서는 시간이 지남에 따라 감소하는 종
속 변인들은 부분적으로 부주의한 상태 때문인 것으로 추정된다. 따라서 향
후 연구에서는 부주의한 상태로 인해 협응력이 떨어지는 행동을 유도하는
과제를 통해 집중력의 요인에 대해 확인해야 할 것이다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The study aimed to explore multi-finger coordination and its
relations to the features of prefrontal oxygenation in adults with
developmental coordination disorder (A-DCD) during cyclic force
production. Developmental coordination disorder (DCD) is a
neurodevelopmental disorder characterized by deficits in motor skill
acquisition and learning. DCD also causes a detrimental effect on
academic achievement, possibly in conjunction with attention deficit.
Recently, excessive activities of the lateral prefrontal cortex along
with the decrement of eye-body coordination in DCD, were reported.
Therefore, the motor coordination deficit in A-DCD may be
associated with attention deficit. To identify A-DCD, we used the
Adult Developmental Coordination Disorder/Dyspraxia Checklist
(ADC) and Movement Assessment Battery for Children-2 (MABC2). We identified fifteen A-DCD out of over 500 participants. The
age- and gender-matched controls (CS, n=15) were also recruited.
Subjects were asked to produce a smooth sine-wave total finger
force by pressing all four fingers while wearing the functional nearinfrared spectroscopy (fNIRS) device for the measurement of
oxygen consumption on the prefrontal cortex. This force task
required a decent level of attention to complete a given motor task
successfully. The force templates were given on the computer screen,
which consisted of a 180 s sinusoidal wave with 0.5 Hz frequency.
All four fingers set the amplitude at 5% to 10% of maximal voluntary
contraction (MVC) forces. The level of force was small enough not
to induce muscle fatigue. Three trials were performed; thus, a total
of 9-min data were acquired from a single subject. The MVC force
of A-DCD was significantly lower than that of CS. 180 s of timeseries data were divided into five phases, and all the variables were
computed in each phase. Three groups of variables were computed:
(1) coefficient of variation (CV) of peak force, (2) indices of multifinger synergy in four-finger space, and (3) changes in
oxyhemoglobin (ΔHbO). The CV values were increased over time,
while stronger increment in A-DCD. The synergy indices decreased
with phases (i.e., smaller synergy indices at phase 5 compared to
phase 1), which was observed in both A-DCD and CS groups without
group difference. ΔHbO remained unchanged from the first to last
phase in the CS, while the U-shaped pattern of ΔHbO over phases
was observed in A-DCD: high at phase 1 followed by dropped in
the middle phases and increased at the end. Overall, the results of
the current study failed to demonstrate the causality of coordination
indices and prefrontal brain activities during long-durational force
production tasks that may require performing the task in an ‘attentive’
manner. However, the long-durational task yielded a decrement in
coordination strength and performance accuracy over time,
presumably in part due to inattentive status. Thus, future studies will
have to ascertain the veracity of critical factors inducing less
coordinative behaviors by inattentive status.

목차 (Table of Contents)

• I. 서론 1
• 1.연구의 필요성 1
• 2.연구의 목적 3
• 3.연구 가설 4
• II. 이론적 배경 5
• 1.운동 요소의 과잉 5
• 2.비제어 다양체 공간 가설 6
• 3.전두엽피질과 f_NIRS 7
• III. 연구방법 9
• 1.실험 참여자 9
• 2.실험 장비 10
• 3.실험 과제 및 절차 12
• 4.분석 변인 14
• 5.통계 분석 19
• IV. 연구결과 20
• 1.최대 힘 생성 과제 결과 20
• 2.주기적 힘 생성 과제 결과 22
• V. 논의 36
• 1.성인 발달성협응장애와 전두엽 피질 산소포화도 36
• 2.성인 발달성협응장애와 운동수행 37
• 3.집중력과 운동 협응 과제 38
• VI. 결론 및 제언 39
• 참고문헌 41
• Abstract 47