The association between upper-limb motor estimation error specific to the paralyzed side and cognitive and motor functions in patients with stroke

뇌졸중을 겪으면 뇌가 신체를 향해 신호를 보내는 능력이 종종 방해를 받아, 신체의 한쪽 면이 약해지거나 마비될 수 있습니다. 수년 동안 과학자들은 뇌가 단순히 움직임에 반응하는 것뿐만 아니라, 움직임을 예측한다는 사실을 이해해 왔습니다. 근육이 수축하기도 전에 뇌는 동작에 대한 정신적 시뮬레이션을 실행하여, 그 움직임이 어떤 느낌일 것이며 얼마나 걸릴 것인지에 대한 예측을 만듭니다. 이 내부적인 예측은 계획을 세우고 새로운 기술을 배우는 데 매우 중요합니다. 그러나 신체가 의도한 대로 움직일 수 없거나, 움직임에 대해 보고하는 감각이 손상되었을 때, 이 내부 예측은 현실과 단절될 수 있습니다. 무엇이 일어날 것이라고 기대하는 것과 실제로 일어나는 것 사이의 간극을 운동 추정 오류(motor estimation error)라고 합니다. 이 간극을 이해하는 것은 뇌가 어떻게 망가진 신체에 적응하려고 노력하는지, 그리고 정신이 여전히 물리적 세계를 정확하게 지도화할 수 있는지 여부를 밝혀내는 데 필수적입니다.

2023년 9월에 발표된 최근 연구에서 도쿄 메트로폴리탄 대학교와 도쿄 대학교를 포함한 일본의 여러 기관 연구진은 뇌졸중 환자들에게서 이 간극을 측정하기 위해 노력했습니다. 그들은 특히 상지에 집중하여, 마비된 쪽의 신체와 건강한 쪽을 비교했습니다. 연구팀은 평균 연령이 거의 70세인 34명의 뇌졸중 경험 환자를 모집했습니다. 이들은 다양한 정도의 마비와 감각 손실을 겪고 있었으나, 모두 영향을 받은 손으로 최소한 하나 이상의 페그(peg)를 잡을 수 있는 상태였습니다. 연구진은 마비된 팔과 건강한 팔에 대해 정신적 예측이 어떻게 다른지, 그리고 이러한 차이가 환자의 사고, 움직임, 또는 감각 능력과 어떻게 연결되어 있는지 확인하고자 했습니다.

이를 테스트하기 위해 연구진은 페그보드(pegboard)를 이용한 단순하면서도 시사점이 큰 과제를 사용했습니다. 먼저, 연구진은 환자들에게 정신적 연습을 수행하도록 요청했습니다. 테이블에 앉아 환자들은 손가락을 움직여 페그를 집어 보드 구멍에 끼우는 동작을 상상하라는 지시를 받았으며, 1분 동안 가능한 한 많이 이 동작을 수행해야 했습니다. 환자들은 실제로 손을 움직여서는 안 되었으며, 오로지 움직임에 대한 내부적인 감각에만 의존해야 했습니다. 1분이 지난 후, 환자들은 자신이 몇 개의 페그를 끼웠다고 믿는지 연구진에게 말했습니다. 직후에 환자들은 실제 손을 사용하여 동일한 과제를 수행하며 1분 동안 페그를 구멍에 끼웠고, 연구진은 실제 성공적인 삽입 횟수를 셌습니다. 이 과정은 마비된 팔과 건강한 팔 모두에 대해 반복되었습니다. 환자가 생각한 이동 횟수와 실제 이동한 횟수를 비교함으로써, 연구진은 정신적 추정의 오류 크기를 계산할 수 있었습니다.

결과는 두 신체 부위 사이에 명확하고 유의미한 차이가 있음을 보여주었습니다. 건강한 쪽의 경우, 환자들의 정신적 추정치는 실제 수행 능력과 상당히 유사했습니다. 그러나 마비된 쪽에서는 환자들이 지속적으로 자신의 능력을 과대평가했습니다. 그들은 실제로 움직인 것보다 더 많은 페그를 움직였다고 믿었으며, 이는 기대와 현실 사이에 훨씬 더 큰 간극을 만들어냈습니다. 이 오류는 단순한 실수가 아니었습니다. 이는 통계적으로 유의미했으며, 뇌의 내부 모델이 마비된 사지의 물리적 한계와 일치하지 않는다는 것을 나타냈습니다. 환자들은 자신의 손상된 신경과 근육이 더 이상 지원할 수 없는 수준의 움직임을 예측하고 있었던 것입니다.

단순히 이 오류의 크기를 측정하는 것을 넘어, 연구는 어떤 요인이 이에 영향을 미치는지 조사했습니다. 연구진은 숫자와 문자를 특정 순서대로 빠르게 연결하는 테스트를 사용하여 환자들의 인지 능력, 특히 주의력과 실행 기능을 살펴보았습니다. 그들은 마비된 쪽에서 더 큰 운동 추정 오류가 이러한 인지 영역의 어려움과 강하게 연결되어 있다는 것을 발견했습니다. 주의력과 정신적 유연성에서 더 큰 어려움을 겪는 환자일수록, 자신이 할 수 있다고 생각하는 것과 실제로 할 수 있는 것 사이의 간극이 더 넓었습니다. 흥상스럽게도, 이러한 연결 고리는 오류가 작게 유지되었던 건강한 쪽의 신체에서는 발견되지 않았습니다. 이는 마비된 사지의 경우, 근육이나 피부로부터 오는 일반적인 감각 피드백이 없거나 신뢰할 수 없기 때문에 뇌가 움직임을 시뮬레이션하기 위해 더 높은 수준의 사고에 더 많이 의존한다는 것을 시사합니다.

연구는 또한 두 팔 사이의 오류 차이가 신체 기능과 어떻게 관련되는지 조사했습니다. 연구진은 마비된 쪽의 오류와 건강한 쪽의 오류 사이의 차이를 계산했습니다. 그들은 더 큰 차이가 더 심각한 마비 및 더 큰 감각 손실과 관련이 있다는 것을 발견했습니다. 손 근육이 더 약하거나 촉각 또는 손가락의 위치를 느끼는 능력을 상실한 환자일수록 두 팔 사이의 불일치가 가장 컸습니다. 이 결과는 뇌의 내부 예측을 업데이트하는 능력이 신체로부터 정확한 정보를 받는 것에 달려 있다는 아이디어를 뒷받침합니다. 신체가 움직임이나 감각에 대한 명확한 신호를 보낼 수 없을 때, 뇌의 예측은 점점 더 부정확해지며 마음의 기대와 신체의 현실 사이의 간극은 넓어집니다.

이러한 발견은 뇌졸중이 신체의 내부 지도에 어떻게 영향을 미치는지에 대한 새로운 관점을 제공합니다. 이 연구는 뇌가 마비된 사지를 움직이려는 시도를 단순히 멈추는 것이 아니라, 물리적 현실과 더 이상 일치하지 않을 수 있는 모델을 바탕으로 계속해서 예측을 생성한다는 점을 시사합니다. 이러한 불일치는 단순히 근육 약화의 문제가 아닙니다. 이는 뇌가 정보를 처리하는 방식, 그리고 과제에 얼마나 주의를 기울일 수 있는지와 깊게 연관되어 있습니다. 연구는 뇌졸중 환자들에게 있어 자신의 움직임을 추정하는 오류가 내부 모델이 부상에 어떻게 적응하려고 애쓰고 있는지를 보여주는 측정 가능한 징후임을 나타냅니다. 비록 이 연구가 변화를 장기간 추적하기보다는 특정 시점의 스냅샷을 포착하는 횡단적 연구였지만, 결과는 정신적 예측, 신체 기능, 그리고 인지 능력 사이의 관계에 대한 명확한 그림을 제공합니다. 이 연구는 재활이 단순히 사지의 물리적 힘뿐만 아니라, 움직임에 대한 자신의 내부 표현을 정확하게 인지하고 업데이트하는 뇌의 능력까지도 다루어야 함을 강조합니다.