1. 운동조절의 소개

 

Motor Control(운동조절)의 정의

 

우리가 무언가에 대한 연구, 고찰, 토론 등을 하기전에
가장 중요한 것은 먼저 주제에 대해 정의하는 것일 것이다.

정의가 제대로 되지 않은 상태에서 위의 활동들이 진행된다면 연구자와 연구자의 관계이든, 토론자와 토론자의 관계이든, 말하는 자와 듣는자의 관계이든 오해가 생길 가능성이 다분하다. 
누군가는 운동조절이라 하면 어떤 스포츠상황에서의 퍼포먼스에 대한 조정을 생각할 수 도 있고, 
누군가는 운동조절이라 하면 운동에 대한 변수를 조정하는 것이라 생각할 수도 있다.(무게, 속도, 횟수 등)

'운동조절과 운동학습 2nd Edition'이란 책에서 내린, 그리고 이제부터 이야기할 motor control(운동조절)의 정의는 '자세와 움직임, 그리고 이 둘의 기저에 있는 기전'이다. (이 정의는 모든 움직임과 자세는, 질과 관계없이, 운동조절의 표현이라는 것을 말해준다.)

그리고 해당 책에서는 운동조절이론에 대해 살펴보기 전에 이론에 대한 정의 또한 설명해준다. 

Theory(이론)이란 '어떤 방식으로 서로 관련 있는 개념과 명제, 혹은 정의의 집합'이다. Kerlinger(1973)

이론은 서로 다른 변인 사이의 관계를 설명하기 위해 사용하며, 그럼으로써 특수한 현상에 대한 체계적인 관점을 얻을 수 있다. 과학에서 이론은 관찰된 특정 현상의 특정 세트를 통합적으로 설명할 뿐 아니라, 다른 유사 상황에서 발생할 수 있는 특정 예측이나 hypotheses(가설)을 검증하는 데에도 강력한 도구가 된다.

 

 

Open-loop Control(열린 회로 운동조절)과 Closed-loop control(닫힌 회로 운동조절)

 

인간의 운동조절의 가장 큰 특징 중 하나는 sensory feedback의 가능성에 따라 움직임을 여러방식으로 시작하거나 조절할 수 있는 능력이 있다는 사실이다.

그리고 이런 방식들은 앞으로 나올 운동조절 이론들에서도 중요한 역할을 한다. 우선 이런 운동조절을 2가지로 나눌 수 있다. 바로 open-loop control(열린 회로 운동조절)과 closed-loop control(닫힌 회로 운동조절)이다.
아래의 그림처럼, sensory feedback(감각 되먹임)이 움직임 계획과 수행에 참여하는지의 여부로 구분된다.

열린회로와 닫힌회로

그렇다면 연구자들은 어떤 연구들을 통해 open-loop control, closed-loop control의 존재를 증명했을까?

우선 open-loop control의 경우, 동물의 팔다리에서 감각 정보를 외과적으로 제거하는 deafferentation(들신경 차단)연구를 진행하였다. 그 결과 동물이 여전히 복잡한 움직임을 수행할 수 있음을 볼 수 있었다(Wilson, 1961; Taub&berman, 1968).
그리고 closed-loop control의 경우, 주로 상대적으로 느린 움직임에 대한 연구에서 볼 수 있었으며 하나 혹은 그 이상의 되먹임원(시각, 청각 등)이 제거되거나 약화됨에 따라 수행 정확도가 하락하는 것에서 알 수 있었다.

open-loop control 사용과 closed-loop control사용

open-loop control과 closed-loop control 중 언제 어느것이 우선적으로 사용될지는 다양한 요인들이 있을 수 있다.
정확성이 필요한 일의 경우(천천히 균형을 잡는 일, 미세한 것을 다루는 일 등), 원래 계획했던 대로 실행되고 있는지 확인하기 위해 사용 가능한 sensory feedback 정보를 이용하기 때문에 closed-loop control이 더 유리할 것이다.
하지만 짧은 시간 안에 수행되어야 하는 운동기술의 경우(던지기, 타격 등), 움직임이 실행되는 중에 sensory feedback을 이용해 계획을 변경할 충분한 시간이 주어지지 않기 때문에 open-loop control이 더 유리할 것이다.
(그 외에, 수행자의 기술 숙련도 같은 것에 따라서 sensory feedback의 의존도가 달라지며, 유리한 방식 또한 달라진다.)

 

 

Motor Control Theory(운동조절 이론)

 

Reflex theories(반사이론)

이 이론의 기본 가정은 어떤 환경의 물리적 현상이 행동에 대한 stimulus(자극)으로 작용하고, 움직임 response(반응) 원인이 되는 일련의 개별적 반사회로를 촉발하는 역할을 수행 한다는 것이다.
(개인은 외부에서 생성되어 전달된 감각 정보에 대한 수동적 수용자라는 생각이 바로 이 이론과 일맥상통한다.) 

하지만 이 이론의 부적절성은 변화가 일어나기를 기다리기보다는 환경에 따라 변화를 예측하도록 하는 다양한 종류의 수의적 움직임을 고려할 때 더욱 두드러진다. 또한 sensory feedback이 부재한 상태에서 수행되는 동작에 대한 설명이 불가능하다.

 

Hierarchical theories(수직계층 이론)

이 이론의 기본 가정은 움직임 계획과 수행의 모든 측면이 CNS(central nervous system, 중추신경계)의 계통 내에서 가장 높은 명령 수준을 대표하는, 하나 혹은 그 이상의 cortical center(겉질 중추)에 의해서 일어난다는 것이다.
(이 겉질이 행동에 필요한 모든 정보를 담고 있으며, 신경계 내의 하위 중추가 지시한 움직임을 수행하도록 인도하며, 또한 sensory feedback의 유무와 상관없이 움직임을 조정하거나 제한할 수 있다고 생각했다.)
이 이론에 따르면, 움직임 투사는 기억 속에 움직임에 대한 계획이나 프로그램의 형태로 저장되어 있으며, 이런 motor porgrams(운동프로그램)은 가장 높은 cortical 수준에서 형성되어 움직임 실행을 담당하는 낮은 중추로 전달되는 미리 구성된 운동명령세트이다.

1970년대 초반, 이 운동프로그램에 대한 초기 개념은 중요한 역할을 했지만 한계도 두드려졌다. 우선 이 한계는 움직임의 수행이 매번 완전히 동일한 방식으로 수행하지 않는다는 사실과 경험해보지 못한 새로운 움직임을 수행할 때 두드러진다. 또한 motor program이 미리 저장되어 있다면 무한에 가까운 program을 저장하느라 엄청난 memory storage가 필요할 것이라는 점 등이 있다. 
(이후 Keele는 motor program에 sensory feedback을 사용할 충분한 시간이 주어진다면, sensory feedback이 움직임의 정확성을 확보하기 위해 사용 된다는 것을 인정했다.)

이후 Schmidt(1991)가 기술한 generalized motor program(GMP, 일반화된 운동프로그램)은 여전히 움직임의 저장된 패턴이라는 생각이었으나, keele가 설명한 것보다 훨씬 더 추상적이다. 여기서 설명하는 움직임은 GMP라는 추상적인 계획에 가변성과 불가변성으로 이루어진 parameters(변수)가 조합되어 다양한 움직임을 memory를 많이 차지하지 않고 유연하게 수행한다고 설명했다.

단순 저장이 아닌 공식(?)의 저장 개념으로 더 효율적인 설명이 가능해졌다.

GMP가 움직임을 계획하는 도중에 어떤 근육군이 활성화 될 것인지 세부적으로 지정하지 않기에, 동작의 유연성을 제공하며, 서로 다른 근육군을 사용하여 동일한 움직임 결과를 만들어내는 것에 대해 설명할 수 있었다. 이런 여러 상이한 근육군으로 동일한 움직임 결과를 산출 할 수 있는 능력을 motor equivalence(운동 등가)라고 한다.
(이것에 대해선 특정 문장을 펜으로 우세손, 비우세 손, 입, 발 등으로 써도 동일한 일반화된 움직임 패턴을 쓴다는 것에서 경험적으로 알 수 있다. Raibert, 1977;)

 

Dynamical approaches(동적 접근법)

이 이론은 motor control에 대하여 다른이론과 구별되는 5가지의 기본적 가정을 가진다.

1. Self-Organization(자가 조직화)
이 이론의 지지자들은 운동행동이 단순히 복합적인 하위시스템(Hierarchical theories등과 같은) 뿐 아니라, 움직임 그 자체와 같은 외재적 요인과 움직임이 실행되는 환경 사이에서 일어나는 복잡하고 동적인 상호작용으로 발생한다고 주장하며 이 현상을 self-organization이라 명했다.
이후 관련된 다양한 연구들을 통해, 움직임 행동을 형성하는데있어 움직임 환경이 가지는 중요한 역할을 지지하는 근거를 마련했을 뿐 아니라, 어떻게 근골격 계통 특성만으로 관찰되는 움직임 행동의 종류를 제약할 수 있는지 입증하였다.

2. Attractor States(어트랙터 상태)
여기서 말하는 attractor ststes는 행동 혹은 협응 양식의 선호 패턴을 이야기하며, 인간이 이런 attractor states를 자연스럽게 수용한다고 말하고 있다.
(attractor states는 경향성이라고 해석하면 될 것 같다. 여기서는 신체의 경향성, 신체가 특정 행동, 패턴이나 상태를 유지하려는 경향 혹은 선호하는 경향 정도로 생각하면 될 것 같다. *물론 오역일 수 있으니 애매하시면 책을 한번 살펴보시기 바랍니다.)
그리고 Buchanan은 이런 안정적인 attractor states가 어떤 경우에는 괜찮을 수 있으나, 문제가 될 수 있다고 말하고 있다. 또한 책에서는 '안정적 attractor states가 괜찮거나 문제가 있는 행동 모두와 연결될 수 있다는 생각은 움직임 기술을 가르치거나 재활 상황에서 일하는 치료사에게 중요한 영향을 끼친다.'라고 말하고 있다.

3. 비선형적이고 돌발적일 수 있다.
행동의 질적변화가 항상 점진적이거나 선형적 방식으로 발생하지 않으며, 급작스럽거나 돌발적으로 발생할 수도 있다(Schoner & Kelso, 1998)고 가정한다. 왜냐하면 하나의 attractor states에서 다른 상태로 급작스러운 전환은 단순히 motor program이나 사전에 내려진 판단에 의해 조절된다고 생각하기엔 무리가 있으며, 오히려 다양한 하위 시스템과 수행되고 있는 과제를 포함하는 외부 환경 사이에 존재하는 복잡하고 변화하는 상호작용의 기능으로 발생한다고 생각하기 때문이다.

4. Control Parameter(조절 변수)
control parameter란 그것에 수정이 가해졌을 때, Dynamic system으로 인해 생성되는 협응패턴의 변화를 이끌 수 있는 모든 변수로 정의된다. 이런 control parameter은 내적(본인의 팔다리 움직임 빈도, 분절의 무게 등) 혹은 외적(외부환경의 변화, 과제의 요구사항, 타인의 구두 지시 사항 등)변수가 될 수 있다.

5. Order Parameter(순서 변수)
order parameter는 관찰된 운동 행동을 기술하기 위하여 사용되는 구체적인 변수를 뜻하며, 시스템에 일어난 변화의 효과를 정량화하기 위해 control parameter와 함께 쓰인다. order parameter은 관찰된 행동에서 발생한 시간적, 공간적 변화의 수량화하는 경우, 선택된 움직임 변수들이 어떤 시간을 걸쳐 변화하는지 다음의 가변성 사이를 식별하는 경우 등에 사용된다. 
누군가 시스템 내에 발생하는 변화의 본질을 포착하고자 한다면 올바른 order parameter 선택이 결정적으로 중요하다.

 

Ecolo-gical Approaches(생태학적 접근법)

dynamical approaches의 중심이 되는 기본 원리 다수가 ecolo-gical approaches에서도 받아들여지지만, 개인과 환경 사이의 perceptual interface(지각접점)에 중점을 둔다는 점에서 구별된다. 이런 ecolo-gical approaches의 중심원리는 "affordance(행동유도성)에 특이적인 시각적 특성이 직접적으로 동작을 유발할 수 있다"는 것이다.(Colley,1989)

한마디로 지각과정과 동작 사이에 지속적인 상호작용이 일어나고 있다는 것이다. 이 가정 하나만으로도 ecolo-gical approaches은 개인이 지각과정을 통해 움직임 맥락에 적합한 동작을 조직하는 데 사용할 수 있는 유의미한 내재적, 외재적 정보를 알아낼 수 있다는 점에서 dynamical approaches와 구분된다.

 

그렇다면 어떤 이론이 움직임을 가장 잘 설명할까?

과제의 요구사항과 이미 처해진 환경적 맥락에 대응하여 아찔할 정도로 많은 움직임 패턴을 산출해낼 수 있는 우리의 능력을 하나의 motor control이론으로 설명할 수 있으리라 생각하는 것은 비현실적일 것이다.

결론적으로 인간의 motor control에 대한 단일 설명 체계로서 motor program, dynamical approaches, ecolo-gical approaches이 지닌 명백한 한계에도 불구하고, 각 접근법은 여러 종류의 움직임이 상이한 상황에 따라 어떻게 조절되는지를 이해하는데 유용한 이론적 틀을 제공한다.

이와 같은 비평이 가지는 가치 중 하나는 움직임 협응과 조절 이론을 발전시키기 위하여
얼마나 많은 연구가 이루어져야 하는가를 상기시킨다는 점이다(Newell, 1998).

 

 

인간동작의 특성

 

Sheridan은 모든 운동조절이 다루어야 하는 인간 운동 행동의 4가지 주요 특성을 아래와 같이 규명하였다.

Flexibility(유연성)

동작의 flexibility는 동일한 동작을 수행하기 위해 신체의 서로 다른 근육과 관절을 동원함으로써 얻어진다. 
ex) 손이 아니라 다른 부위로도 펜으로 글을 쓸 수 있고, 양손에 짐을 들고 있어도 유연하게 대처하여 전등 스위치를 켤 수 있다.

Uniqueness(독창성)

uniqueness는 절대 2가지 동작이 동일하게 수행되지 않는다는 개념이다. 아무리 뛰어난 선수여도 매번 완전히 같은 동작 일 수는 없다. 이는 움직임 패턴들이 융통성 없이 구성되지는 않는 다는 것을 의미한다. 또한 이러한 특성은 한번도 경험해보지 못한 움직임을 할 수 있게 하는 능력이기도 하다. 
ex) 선수가 경기 중 전혀 새로운 동작을 보인다거나, 경험해보지 못한 동작을 할 때 독착정인 동작을 볼 수 있다.

Modifiability(수정 가능성)

modifiability는 숙련된 동작을 수행 할 때, 심지어 수행 중일 때, 동작을 변경할 수 있는 능력이다. 
ex) 축구나 농구등의 드리불 중 갑자기 다가온 수비수를 제칠 때 경로가 수정된다.

Consistency(일관성)

consistency는 동작이 재생산된다는 개념이다. 동작의 시공간적 특성은 동작을 수행한 후 다음 동작까지 상대적으로 안정적으로 유지된다. (*특정 동작의 패턴을 일관성있게 실행할 수 있다는 소리라고 생각된다.)
ex) 글씨를 작게 쓰든, 크게 쓰든 그에 해당하는 일정한 패턴은 일관된다.

 

운동조절 이론과 인간동작 특성

위에서 언급한 운동조절이론에 대한 내용들과 인간동작의 4가지 특성을 간략히 엮어보면 아래 그림과 같다.

*보통 Dynamical approaches와 Ecolo-gical approaches은 보통 함께 가서 묶어놓았다.

 

Degrees of freedom(자유도)에 관한 문제

여기서 말하는 degrees of freedom에 대한 문제를 처음 인지한 학자는 Nicolai Bernstein(1967)으로, 어떻게 하면 뼈대 분절을 인간이 성공적으로 구성하여 다양하게 움직일 수 있는지 주목했다. 여기서 freedom은 특정 조절단위가 움직일 수 있는 경우의 수를 묘사하기 위해 사용되었다. 

여기서 hierarchical theories 같은 경우는, GMP가 어떤 자유도가 움직임에 관여하고, 가장 효율적인 움직임을 위해 행동단위를 어떻게 구성할지 결정한다. 또한 동작을 빠르게 수행하지 않는 경우에는 feedback을 이용할 수도 있을 것이다.

반면, Micahel Turvey(1977)와 같은 생태학적 이론가는 cortical center나 motor program에 의한 개별 근육의 조절은 신빙성이 없다고 주장했다. 근육들은 서로 밀접하기 때문에 개별적으로 조정하는 것은 낭비이며, 특정 근육을 활성화하는 것이 늘 같은 움직임을 만들어내지 않는다는 점을 지적했다. 
그리고 오히려 결과는 근육의 사전 상태(길이, 긴장도 등) 혹은 다른 근육과 어떻게 연관되어 있느냐에 따라 달라진다고 말했다. 

또한 이런 freedom에 대한 문제는 근육과 관절을 의도한 동작대로 작동할 수 있도록 제한함으로써 해결할 수 있다고 주장했다. 이런 행동단위를 muscle response synergies(근육 반응 시너지) 혹은 coordinative structures(협응 구조) 라고 한다. 보통 수행하는 움직임 크기가, 동원되는 muscle response synergies의 수와 종류를 결정한다.

 

이런 degrees of freedom의 문제를 해결 할 수 있는 2번째 기전은 근골격계의 특성을 활용하는 것이다(Thelen, Kelso, & Fogel, 1987). 인간은 중력과 다른 신체부위의 신체적 특성을 단순히 이용함으로써 근육 작용 없이도 팔다리의 움직임을 수행 할 수 있다. (신체부위는 연결되어 있기 때문에, 걸을 때 따로 신경쓰지 않아도 알아서 팔다리에 움직임이 발생하는 것 등) 
근육은 용수철 같은 특성을 가지고 있어서 CNS에 활용되어 팔다리를 정확하게 위치하는데 일조한다. 그러기 위해선 움직임을 시작하기 전에 연관된 근육의 뻣뻣함이 만들어지며, 이렇게 움직이기전에 근육을 사전 준비하는 능력을 feed forward(미리먹임)이라고 한다.

coordinative structures는 다수의 근육그룹과 동작에 관여하는 팔다리를 조절하는 관절의 효율적 조작이 필요하다.
이는 다양한 muscle response synergies를 기능적 단위로 결합하는 것, 팔다리 근육의 역학적 특성을 활용하는 것, 그리고 움직임 자체의 수행으로 촉발되는 감각 정보가 지속적으로 전달되는 것 같은 조합이 존재할 때 달성할 수 있다.

 

 

*나의 생각

인간의 운동조절에 대해선 연구가 길지 않고, 다양한 이론들이 발전해왔지만 아직까진 '정답'은 없는 상태이며 더 많은 연구가 필요해 보인다. 
현대로서는 아직 핵심 근원에 대해선 설명할 수 없지만 운동을 가르치는 코치 혹은 트레이너로서, 이론들을 알고 있다면 현장에서 운동을 학습 시킬 때, 다양하게 활용 할 수 있을 것이라고 생각한다.
(위의 이론 중 어느것 하나가 운동조절에 대해 완벽하게 설명하진 못하지만, 연구자들의 노력으로 특정 운동조절에 있어서의 기전들 중 몇가지는 설명이 가능했고 이 부분들은 활용 할 수 있다고 생각한다)

각 사람 마다의 attractor states를 파악하고, 그 사람의 life style에 맞추어 그 경향을 조절하는 것에 대해서도 위의 내용을 모른다면 단순히 일반적인 정렬과 맞지 않으면 '자세가 나쁘다' 정도로 파악하며 고치려고만 들 것이다.
또한, 단순히 내적초점으로만 지시하기보다는 외적초점도 함께 이용하여 주변 환경을 조정하여 동작을 이끌어내는 것이 왜 효과적일 수 있는지 이론적 근거 또한 알 수 있었다.
이외에도 다양한 조건들을 조합하는 것이 왜 효율적인지, 그 조건들은 무엇인지에 대해 어느정도 궁금증을 해소할 수 있었던 것 같다.