목차
1. motor unit (운동 유닛)
2. Excitability of the Nerve and Muscle (신경과 근육의 흥분성)
3. Propagation of Action Potential
4. Neuromuscular Transmission (신경 근육 전달)
5. Muscle Contraction (근육수축)
근전도학 연구의 해부학적 및 생리학적 기초
1. motor unit (운동 유닛)
하부 운동 신경계는 전위 강직층 세포, 말단 신경, 신경근 연접부 및 근육으로 구성됩니다. 하나의 운동 신경세포와 그 세포가 관여하는 모든 근육 섬유와의 연결인 축삭 및 모든 근육 섬유는 운동 유닛이라고합니다. 단일 운동 신경세포의 자극은 그 하위 근육 섬유들의 수축을 일으킵니다.
근육 섬유 수: 운동 축삭 수로 측정되는 운동 유닛의 평균 크기는 서로 다른 근육에서 다양합니다. 후두 근육에서는 비율이 2:1에서 3:1이고, 종아리 근육에서는 1934:1입니다.
보통, 더 미세하거나 작은 움직임을 제어하는 근육은 더 큰 움직임을 제어하는 근육보다 더 작은 운동 유닛을 갖습니다.
근육 섬유는 두 가지 유형이 있습니다 : 유형 I 및 유형 II. 이러한 유형은 아데노신 삼인산(ATP)효소 염색으로 쉽게 구별할 수 있습니다: 유형 I은 ATPase-비어있고, 유형 Il은 ATPase-풍부합니다. 유형 I ("느린") 근육 섬유는 더 많은 미오글로빈을 함유하고, 덜 명백한 줄무늬를 갖으며, 더 느리게 반응하며, 유형 II 섬유보다 장기간의 능동적인 수축에 적응되어 있습니다 소레우스 근육(고양이의 소아근, 다리 뒷면에 위치한 작은 근육)은 전형적인 예입니다. 유형 II ("빠른") 근육 섬유는 운동 유닛 당 더 적은 섬유와 짧은 "떨림" 지속 시간을 가지고 있습니다. 이것은 미세하고 숙련된 움직임에 특화되어 있습니다. 고양이의 종아리근은 이 범주에 속합니다.
근육의 성격이 일부는 그 근육의 신경에 의해 결정되는 것으로 보입니다. 하나의 운동 신경원에 속한 모든 구성 근육 섬유는 동일한 유형이며, 신경과 근육의 강한 조절을 나타냅니다.
교차 신경 적합 실험에서 빠른 근육과 느린 근육의 신경을 교차시켜 재생을 시켰했을 때, 재생이 완료되고 이전에 느린 근육을 공급했던 신경이 빠른 근육을 공급할 때, 빠른 근육은 느리게 변합니다. 이전의 느린 근육에서 역전된 변화가 일어납니다.
따라서 근육의 생화학적 특성도 일부는 받는 신경의 유형에 따라 달라진다는 것 같습니다.
최근 연구에서는 단일 운동 신경원의 근육 섬유가 이전에 생각했던 것과 달리 다른 근육 섬유들 사이에 흩어져 있다는 것을 보여줍니다. 이는 인간 근육의 유형 I 및 II 섬유의 모자이크 형태와 일치하는 결과입니다.
매우 약한 의도적인 수축으로, 바늘 근전도 (EMG) 전극은 단일 운동 신경원 단위의 활동을 기록합니다. 이러한 작용 전위를 모터 단위 전위(Motor Unit Potentials, MUPs)라고 합니다. 일반적으로, 여러 MUPs가 함께 발생하지만, 환자의 협력과 바늘 전극의 신중한 검사로 단일 MUP을 분리하고 기록할 수 있습니다.
운동 신경원(모터 유닛)은 모터 유닛 전위의 기본적인 해부학적 특징입니다. 최근의 연구에서는, 직경 150 × 580 mm의 동심 바늘로 기록된 모터 유닛 전위의 스파이크 구성 요소가 1mm 반경 내에서 5~12 개의 근섬유에서 발생된다는 것이 알려졌습니다.
MUP의 진폭, 지속시간 및 위상은 다양한 신경근질환의 진단에 중요합니다. 동심바늘(concentric needle) 전극으로 기록된 정상적인 MUP의 지속시간은 일반적으로 3-15msec이며, 최고-최하 진폭은 300MV-3mV, 양 -삼상(bi- or tri-phasic) 구성을 가지고 있습니다.
근병증 환자에서는 작고 짧은 MUP이 특징적이며, 신경 손상 질환 환자에서는 크고 긴 MUP이 일반적입니다. 5mV 이상의 진폭을 가진 거대한 MUP은 전형적으로 신경 손상 질환에서 발견됩니다. 거대한 MUP은 손상된 신경축에서 정상 모터축에서 비출된 돌출부가 손상된 근섬유에 다시 자극되어 발생하는 것으로 생각됩니다.
파시큘레이션(Fasciculation)은 전방 뿔세포 질환 (예: 근위축성 측삭경화증)에서 흔히 볼 수 있는 짧은 지속 시간의 자발성 근육 경련으로, 질환 과정으로 자극된 모터 유닛의 자발적 방전 (극성화)으로 생각됩니다.
따라서, 파시큘레이션의 다양한 매개변수는 MUP와 차이가 없습니다 . 최근 새로 나온 single-fiber EMG 바늘 (매크로 MG 바늘)을 사용하여 전체 모터 유닛 내에서 작용 전위를 기록하는 시도가 이루어졌습니다. single-fiber 작용 전위는 디지털 평균기를 작동하는 데 사용되었으며, 평균기에는 보통 128-512 충격이 입력되어 큰 기록 표면 인 카뉴라에서 신호가 평균화되었습니다. 매크로 EMG 작용전위의 모양은 모터 유닛 내 개별 single-fiber 작용전위의 시간적 및 공간적 합으로 결정되었습니다.
매크로 EMG 작용전위의 진폭은 정상 인에서 10-290V 범위 내에 있으며, 신경원성 장애가 있는 사람들에서는 보통 증가하며, 근위축성 증후군 환자에서는 정상 또는 감소합니다.
2. Excitability of the Nerve and Muscle (신경과 근육의 흥분성)
대부분의 세포에서는 세포 내부와 외부 간의 전위 차이가 존재합니다.
세포가 휴지 상태일 때, 막 전위는 휴면 전위라고 합니다. 신경과 근육에서는 휴면 전위가 항상 음극성이며, 막 내부는 외부보다 음전하로 유지됩니다. 신경적 근육에서 일시적으로 전막 전위가 급격하게 상승하여 양전위가 발생하는데, 이를 행동전위라고 합니다.
특정 세포에서의 행동전위는 막에서 역치 수준 이상으로 극성화될 때마다 극성화와 극성화가 다시 회복되는 일정한 순서로 진행되게 됩니다. 따라서 행동전위는 "전체 발생" 특성을 갖고, "전부 또는 아무것도 아님"의 성질에 따라 동작한다고 합니다.
액션 포텐셜(신경 근육 세포에서 발생하는 일시적인 양전위 변화)이 유발될 수 있는 세포를 가능하게 하는 것을 흥분성(excitability)이라고 합니다. 흥분성은 신경 근육 세포의 전형적인 특성입니다. 따라서 막이 임계치 수준 이상으로 극성화됨으로써 흥분이 발생합니다.
이 극성화는 자극(stimulation)이라고도 불립니다. 극성화가 일어날 때 자극 전류가 임계치를 넘으면 흥분이 유발됩니다.
이러한 전류 펄스는 자극 전류(stimulating current) 또는 자극(stimulus)라고 합니다. 자극 전류의 강도와 지속 시간은 흥분성 유발에 중요합니다. 자극 전류의 강도와 지속 시간 사이의 관계를 강도-지속시간 곡선(strength-duration curve)로 표시할 수 있습니다.
※ 강도-지속시간 곡선(strength-duration curve)
릴베이스(rheobase)는 흥분을 유발하기에 충분한 길이가 아주 긴 자극 전류의 강도를 말합니다. 그러나 크로낙시(chronaxie)가 근육 또는 신경의 흥분성을 측정하는 데 더 일반적으로 사용됩니다.
Chronaxie는 반드시 2배의 릴베이스(rheobase) 강도를 가진 자극 전류의 필요한 지속 시간을 의미합니다.
신경의 강도-지속시간 곡선을 신경의 흥분성이라고 합니다. 신경의 흥분성은 심각한 신경 손상 후 72시간 이내에 비정상적으로 변하며, 신경 손상 후 초기 단계에서 예후를 예측하기 위해 벨마비 (자가면마비) 평가에서 여전히 사용됩니다.
심각한 신경 손상 후 5일째, 근육의 강도-지속시간 곡선이 비정상적으로 변화합니다. 근육의 강도-지속시간 곡선은 과거에 근전도 검사에서 광범위하게 사용되었지만, 그 한계 때문에 최근 임상에서는 사용되지 않고 있습니다.
3. Propagation of Action Potential
액션 포텐셜의 전파 신경과 근육의 실제 역할은 흥분을 전파하는 것입니다. 한 번 시작하면 액션 포텐셜은 자기 전파성을 가지며, 전체 세포를 따라 파동처럼 전파됩니다.
액션 포텐셜의 전파 기전은 비수금속(non-metal) 신경섬유와 수금속(metal) 신경섬유에서 다릅니다. 비수금속 신경섬유에서는 "지역 회로(local circuit)" 전도가 있고, 수금속 신경섬유에서는 "소금물(saltatory)" 전도가 있습니다.
미엘린화되지 않은 신경 섬유의 경우, 신경 구간의 피크 때마다 막 전위가 극성을 반전시켜 내부가 외부보다 양성이 됩니다. 이 극성 반전은 양에서 음으로 지역 전류 흐름을 일으키게 됩니다. 이 동안, 액션 포텐셜 앞쪽의 안정 막을 통해 외부로 나가는 전류 흐름은 막을 탈분극화시키게 됩니다. 이 과정이 연속적으로 일어나면서 신경 전위는 전체 신경 섬유를 따라 이동하게 됩니다. 미엘린화되지 않은 섬유의 전도 속도는 섬유의 지름에 따라 결정되며, 지름이 큰 섬유일수록 전도 속도가 빠릅니다.
미엘린화된 신경 섬유의 경우, 미엘린층은 절연체 역할을 하여 간극에서는 횡단막 전류 흐름을 방지합니다. 전류의 움직임은 란비에르 결절(node of Ranvier)에서만 일어나게 됩니다. 란비에르 결절은 더 큰 섬유에서는 약 2mm 간격으로 배치되어 있습니다. 이러한 신호의 이동 방식을 미엘린화된 섬유에서는 엽폐식(saltatory conduction)이라고 합니다. 척추동물에서는 전도 속도가 3m/sec 이상인 모든 신경 섬유가 미엘린화되어 있습니다. 미엘린화된 신경 섬유의 전도 속도는 다음 공식을 사용하여 계산됩니다.
NCV of myelinated fibers (m/sec) = conversion factor X outer diameter of myelinated fiber (um)
이 공식에서 conversion factor는 상수입니다.
대개 인간에서 측정하는 NCV는 큰 지름의 신경 섬유에서 발생하는 것입니다. 변환 계수는 신경 및 동물에 따라 다양합니다. 예를 들어, 인간 신경(sural nerve)에서는 4.4이고, 원숭이의 중간 신경과 팔목 신경에서는 5.2이며, 고양이의 대퇴 신경에서는 6.0입니다.
NCV의 느린 전도 속도는 큰 신경 섬유의 손실 또는 구간성 발생으로 인해 발생합니다. 신경 섬유가 질병 과정에 주로 영향을 받을 때는 NCV가 최소한으로 영향을 받습니다.
실제로, 축삭성 신경병증에서 NCV는 정상적이거나 정상치의 40% 미만으로 느려집니다. 반면, 미엘린성 신경병증에서 NCV는 정상치의 40% 이상으로 느려집니다.
4. Neuromuscular Transmission (신경 근육 전달)
신경의 활동전위로, 근육의 행동전위가 근육섬유와의 신경근 연접점(motor end-plate 또는 신경근접합)에서 발생됩니다. 축삭은 시냅스 간격(200-500 Å)으로 근육섬유의 시냅스 후막과 분리되는 프리 시냅틱 말단에 도달합니다. 프리 시냅틱 말단에는 미토콘드리아와 많은 시냅스 소포가 있습니다. 많은 실험들은 이러한 소포들이 아세틸콜린(ACh)을 포함한다는 것을 나타내고 있습니다. 시냅스 후막은 ACh 수용체가 위치한 다양한 주름지어진 구조로 이루어져 있습니다.
신경 말단에서의 활동전위는 소포에서 ACh가 시냅스 간격으로 방출되도록 유도합니다. 방출된 ACh는 간극을 통해 확산하여 시냅스 후막의 ACh 수용체에 부착됩니다. 이로 인해 근막의 분극화가 유도되고 근막의 행동전위가 발생됩니다.
이러한 근육의 근접점에서의 분극화는 end-plate potential (EPP)로 불리며, 일관성이 없고 단계가 나눠진 all-or-none 법칙을 따르지 않습니다. EPP는 인접한 근육세포막을 통해 전류가 흐르는 점을 유도하여 한계점값을 초과하게 만듭니다.
그리고 이로 인해 하나의 presynaptic action potential은 근육섬유에서 수축을 유발합니다.
따라서, 신경근전달은 일반적으로 필수적인 과정입니다.
Ca2+ 이온의 존재는 전위돌기가 일어나게 하는 presynaptic action potential에 의해 유발된 ACh의 정상적인 양자 방출 (quantal release)에 절대적으로 필수적입니다. Ms2+ 이온은 presynaptic 막에서 Ca2+이온과 정반대의 효과를 갖습니다. Ms2+ 이온은 작용 위치에서 Ca2+ 이온과 경쟁합니다.
보툴리눔 독소는 ACh의 방출을 억제하여 보툴리즘에서 관찰되는 신경근육 차단을 유발합니다. 항생제 유발 근무력증에서도 비슷한 메커니즘이 추측됩니다. 여기서는 Ca2+ 이온이 ACh의 방출을 촉진하기 때문에 정맥 내 칼슘 글루코네이트가 권장되는 치료법입니다.
신경근육 전달에서 결함을 유발하는 전통적인 질병은 두 가지가 있습니다.
근무력증 환자에서 기본적인 결함은 postsynaptic 막에 있으며, ACh 수용체 항체가 작용하여 기능적인 ACh 수용체의 감소를 유발합니다. 항콜린 에스테라제 (예: Mestinon)는 postsynaptic 막에서 ACh 분해가 느려지기 때문에 근무력증 증상을 완화시킵니다. 이로 인해 end-plate(신경과 근육 사이의 연결부)의 보다 지속적인 depolarization(세포막의 전위차가 양으로 돌아가는 것)이 가능해집니다.
Eaton-Lambert 증후군 (Lambert-Eaton myasthenic syndrome)에서는 주로 폐암과 관련된 전압 의존성 칼슘에 대한 항체에 의해 유발되는 presynaptic 막에서의 ACh 방출의 부족이 주된 결함입니다.
ACh 방출을 촉진하는 guanidine 및 aminopyridine(약물)은 이러한 질환에서 근무력증 증상을 완화하는 데 효과적입니다.
MG(Myoasthenia Gravis) 환자의 근육에서 기록된 MEPPs는 크기가 크게 감소하지만 정상적인 빈도를 보입니다. MEPP 크기의 감소는 처음에는 ACh 양 감소 때문이라고 생각되었지만, 최근에서는 이것이 후성막 ACh 수용체 수의 감소로 인한 것임이 밝혀졌습니다.
반면, Eaton-Lambert 증후군에서는 MEPP 크기는 정상이지만, 외부 칼륨 이온 농도 증가에 의해 운동 신경 말단이 극분될 때 정상적으로 증가하는 MEPP 빈도가 증가하지 않는 것으로 나타났습니다. 이 관찰 결과는 신경 작용 전위에 의해 방출되는 ACh 수가 매우 적다는 결론을 이끌어냈습니다.
근육 섬유가 신경 지배를 받지 않게 되면, 1-2 주 동안에 최대 100 배까지 ACh에 대한 민감도가 증가합니다.
이를 Denervation hypersensitivity라고하며, 이는 비신경 접합 막에 다수의 고민감도 부위가 발생함으로 인해 근육 섬유가 보통 효과적인 양보다 적은 양의 ACh에 대해 수축합니다.
Fibrillation은 흔히 알려져 있듯이 근육내 전극미세조작 검사에서 약 2 주 이후에 검출됩니다. 신경 감도를 대표하는 것으로 여겨지며, 근육 섬유 내 적은 양의 ACh에 반응하여 발생하는 과도한 섬유 수축을 말합니다. Fibrillation은 일반적으로 축삭 축삭 변성의 징후를 나타내며, 신경유전증 환자에서는 없거나 적은 수로 나타납니다.
5. Muscle Contraction (근육수축)
횡격막 시스템으로 전달되는 근육 섬유의 극막 전위 변화가 근육 수축의 초기 단계를 이룹니다.
극막 전위는 근육 섬유의 끝점에서 시작하며 국소 회로 전류 흐름에 의해 전파됩니다. 이 전도 속도는 신경축삭 내의 속도보다 훨씬 느리며 약 5m/s입니다. 횡격막 시스템을 통해 근육 섬유의 깊숙한 곳으로 극막 전위가 전달됩니다. 이는 횡격막과 인접한 사륜체망(sarcoplasmic reticulum)에서 칼슘이 방출되도록 합니다.
사륜체망은 골격근 섬유 내에 위치한 굴곡성 구조물로서, 골격근 섬유 내의 신호 전달 및 근육 수축에 중요한 역할을 합니다. 근육 세포의 사륜체망에서 자유로운 칼슘 이온은 얇은 필라멘트 (액틴, actin)와 두꺼운 필라멘트 (미오신, myosin) 사이의 다리 형성을 촉발시켜 근육 수축을 유도합니다. 극막 전위가 사라짐에 따라 사륜체망은 칼슘을 빠르게 다시 저장하며, ATP는 다리 연결 필라멘트를 분리시키고 섬유가 이완됩니다. 이 동작의 움직임에 필요한 에너지는 미오신 ATPase에 의해 ATP가 가수분해에 되며 에너지를 발생시킵니다.
Myotonia는 수축된 근육이 이완하기 어려운 증상으로, ACh 방출로 인한 근육 섬유막의 과도한 발달로 인해 발생합니다.
이 증상은 "dive-bomber(폭격기 소리)" 소리와 함께 고주파 방출로 쉽게 감지할 수 있습니다.
McArdle's disease에서는 근육 글리코겐 대사 결함으로 인해 고통스러운 경련 증상이 가장 두드러집니다.
이 경우, 경련된 근육의 바늘 MG 검사에서 전기적인 활동이 검출되지 않으며, 이는 물리학적으로 수축 상태로 정의됩니다. 이 질환에서는 대부분의 에너지가 글리코겐에서 유래하기 때문에, 격렬한 운동 중 근육의 ATP 고갈로 인해 근육 이완이 억제됩니다.
SFEMG는 주로 Myasthenia gravis(근무력 약화 증상을 유발하는 신경-근연접부의 기능 이상)와 관련된 이상적인 Jitter(신경-근연접부에 대한 신호의 변동) 검출에 사용되며, 25-um전극으로 반경 약 300 Mm 내에서 1~2개의 근육 섬유로부터 발생하는 작용전위를 기록합니다. 이 작용전위는 0.2-20 mV의 진폭과 300초 이하의 지속시간을 가지며, 개별 근육 섬유(전파 속도), 모터 엔드 플레이트 기능(Jitter) 및 모터 유닛의 지역적 특성(섬유 밀도)에 대한 정보를 가지고 있습니다.
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