동적 수축시 노화가 근피로 기전에 미치는 영향

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The purpose of this study is to investigate the effect of age on the mechanism of muscle fatigue during the dynamic fatiguing contraction. Twelve young adults (21.2 1.5 year en6 men) and 12 old adults (71.4 5.3 years, 5 men) voluntarily participated in this study. Participants performed dynamic and static (position holding) contraction of the elbow flexor muscles with a weight equal to 20% of maximal voluntary contraction (MVC) torque until task failure. Each subject was asked to move the weight through 90° range of motion at 1 cycle every 3 seconds for the dynamic task, and each subject was also asked to hold the weight at 90° of elbow angle for the static task.
Electromyogram for biceps brachii, brachioradialis and triceps brachii, and Mean Arterial Pressure, Heart Rate, Rate of Perceived Exertion were measured at the beginning, 1min and right before the task failure with 15 s duration.
The motor cortex was stimulated using transcranial magnetic stimulation (TMS) to elicit motor evoked potentials (MEP) in the biceps brachii and twitch torque of the elbow flexor muscles to assess voluntary activation before, during and after the sustained contraction. Electrical stimulation of brachial plexus was applied immediately after the TMS to elicit an M wave at the biceps. MEPs were normalized to the following Mwave.
Voluntary activation measured with cortical stimulation was assessed using the amplitude of the superimposed twitch (SIT; normalized to the initial MVC torque) and a predicted resting twitch torque. The superimposed twitch torques for two submaximal contractions performed at 60% and 80% MVC were used to predict the twitch torque that would be elicited during the resting condition (resting twitch). Voluntary activation ration was calculated using following equation and used as a index of supraspinal fatigue. [Voluntary Activation (%) = (1-SIT/predicted resting twitch) × 100]. Main findings were as follows;

Time to task failure was longer for old adults than young adults during static contraction but similar during the dynamic contraction.

MVC torque decreased similarly during the fatiguing contraction in the young and old adults for the static contraction, but the decline was greater in young adults at task failure for the dynamic contraction .

Voluntary activation decreased for the both age groups and sessions. The relative decline in voluntary activation was greater for young adult after dynamic contraction session.

Triceps brachii EMG increased faster for old adults during dynamic contraction session.

Supraspinal fatigue developed during both dynamic and static contractions in young and old adults, but the contribution to task failure was minimal for old adults during dynamic contraction.

Impaired fatigability for old adults in dynamic contraction might be mainly due to peripheral mechanism, especially faster increase in antagonist muscle.

The new knowledge obtained from this study will increase our understanding of the physiological adjustments that occur in old adults during submaximal isometric contractions, and dynamic tasks that require maintenance of power with little limb support. Thus, the outcomes of this study will increase our understanding of the causes of task failure and limitations within the neuromuscular system that change with age. Furthermore, the knowledge obtained from understanding the age-related mechanisms can assist clinicians by providing a rationale for the prescription of exercises to address physiological deficits that impair task performance. Consequently, these findings will provide a rationale for the different types of exercises and training regimens utilized in rehabilitation medicine of older adults, and for strategies to minimize fatigue with age.

국문 초록 (Abstract)

본 연구는 노화가 동적 수축 전후 근피로의 기전에 미치는 영향을 규명하기 위한 것이다. 연구 목적의 달성을 위해, 자발적인 65세 이상의 노인과 비교 집단으로 20대 젊은이 집단이 각각 12명씩 참여하였다. 각 연구참여자는 최대 수의적 수축력의 20%의 부하로 동적인 피로수축과 정적인 피로수축을 더 이상 지속할 수 없을 때까지 계속하였다. 정적 피로수축의 경우 팔꿈치 각도를 90도로 한 상태로 유지하는 것이고, 동적 피로수축은 팔꿈치 각도를 45-135 (90도 범위, 완전히 편 상태를 0도로 함) 사이를 왕복하는 것으로 약 3초마다 1회를 왕복하도록 하였다. 상완 이두근, 상완근, 상완 삼두근의 근전도와 평균 혈압, 맥박수, 인지적 자각도 등이 피로 수축 시작, 1분, 피로수축 실패 직전 15초의 기간에 측정이 되었다. 두개부 자기 자극기를 이용 대뇌피질에 자기 자극을 가하고 Motor evoked potential (MEP) 웨이브와 트위치 포스 (twitch force)를 유도하였다. 전기자극기로 상완 신경총을 자극하여 M 웨이브를 유도하였으며, 자기자극으로 유도된 MEP 웨이브의 크기를 표준화하는 데 사용하였다.
최대 수축력의 60%, 80%, 100%에서 유도된 트위치 포스의 크기로부터 휴식시 트위치 포스의 크기가 계산되었고, 아래 공식을 이용하여 피로 수축 전, 중, 후의 수의적 수축력이 산출되었다. 수의적 수축률은 각 피험자의 척수위의 피로를 산정하는 지표로 사용되었다. 실험을 통해 나타난 주요 발견은 다음과 같다.

첫째, 정적 피로수축시 노인 집단의 과제 지속 시간이 길었지만 동적 피로수축시에는 유의한 차이가 나타나지 않았다.

둘째, 정적 피로수축시 두 집단의 최대수축력은 비슷한 정도로 감소하였지만 동적 피로수축시에는 젊은이 집단의 최대수축력이 더 크게 감소하였다.

셋째, 동적 피로수축시 노인집단의 상완 삼두근의 근전도 증가가 빠르게 나타났다.

넷째, 두 가지 피로수축시 두 집단 모두 척수위 피로가 발생하였지만, 동적 수축시 노인집단의 짧아진 과제지속시간과 관련한 효과는 미미했다.

결론적으로, 동적 수축시 손상된 근피로는 상완 삼두근의 빠른 활동 증가와 같은 말초피로 기전에 의한 것으로 사료된다.

이 연구로부터 얻어진 새로운 지식은 정적수축과 파워의 유지가 요구되는 동적수축 상황에서 노인에게 발생하는 생리적 조절 기전에 대한 이해를 증진시킬 수 있다. 따라서, 연구로 나타난 결과물은 피로수축 과업에서 이를 더 이상 지속할 수 없게 되는 주요 원인이 무엇이며, 노화로 변화하는 근신경계내의 제한 사항은 무엇인가에 대한 이해를 증진시킬 것이다. 더 나아가, 노화에 관련한 기전의 이해로부터 구해진 지식은 실제 현장에서 운동 수행력을 손상시키는 생리적 요인을 다루기 위한 운동 처방의 근거를 마련함으로써 임상의를 도울 수 있을 것이다. 결론적으로, 이 연구로부터 나타난 결과는 노인을 위한 재활 의학에서 유용한 다양한 운동과 훈련 요법을 위한 근거를 제공하며 노화로 인한 근피로를 최소화시키는 전략을 마련하는데 유용하게 사용될 수 있을 것으로 기대한다.