Theories of motor learning(운동학습이론)

감각피드백이 숙련된 움직임을 만들어 내는데 사용된다는 닫힌고리이론(closed-loop process)이 Adam(1971)에 의해 제시되었다. 이 이론에서는 감각의 중요성을 강조하였고 두 가지 유형의 기억이 이 과정에 중요하다고 하였다. 그것이 지각흔적(perceptual trace)와 기억흔적(memory trace)이다. 지각흔적은 훈련기간에 형성이 되고 운동을 수행하면서 오류를 찾아내는 일을 담당하고 정확성을 위한 내부기준이 되고 기억흔적은 동작의 선택과 개시에 이용되어 진다. 환자는 동작수행을 반복하면 지각흔적이 강화되는 것이다. 동작의 정확성은 지각흔적의 강도와 정비례한다. 환자는 정확하게 하나의 목표지점까지 반복해서 실시 하는게 중요하다. 여기서는 동작을 배우는 동안에 나타나는 오류들은 부작용을 준다고 제안, 그러한 잘못된 정보들이 부정확한 지각흔적을 강화시키기 때문이라고 생각했다. 따라서 정확한 지각흔적을 강화하고 부정확한 지각흔적이 약화되는 것이 학습과정이라고 할 수 있다.

 

하지만 이 학습이론에도 제한점이 있다. 감각피드백이 없어도 움직임은 일어날 수 있다는 것이다. 그리고 전에 해본 적이 없던 동작도 정확하게 수행할 수도 있다. 그러므로 닫힌고리이론은 열린-고린운동의 실행을 설명할 수 없는 제한점을 갖는다.

 

최근 연구에서는 하나의 움직임을 반복하는 것보다 움직임연습의 다양성(variability)를 강조, 하지만 이러한 다양성은 무작정 많은 오류를 만들어내기만 하는게 아니라 결과지식(knowledge of results)과 이후에 동작수정(movement correction)을 만들어내야 한다는 것이다.

 

열린고리이론은 일반화된 운동프로그램 개념을 강조하였다. 운동프로그램의 개념이 운동조절을 위해서는 중요하다고 인식하지만 어떻게 운동프로그램을 배울 수 있는가에 대한 궁금증이 있었다. 슈미트(Schmidt)는 이러한 운동프로그램에 대한 학습은 다양한 연습이 인식도식(Recognition schema)와 회상도식(Recall schema)를 통해 운동학습을 개선시킬 수 있다고 하였다. 회상도식은 특정 운동반응을 선택하기 위해 사용한다. 이전에 시행한 적이 없더라도 필요한 변수를 예측 할 수 있게 한다. 대상자가 동작수행을 할 때 원하는 수행결과를 선택하고 그에 따른 시작 자세를 선택하게 된다. 인식도식은 특정반응을 평가하기 위해 사용된다. 이것은 adam’s의 지각흔적(perceptural trace)와 같은 맥락으로 기대한 감각결과와 실행된 동작에 대한 오류를 수정하게 되는 것이다. 이러한 이론에 따라 지속적으로 움직이는 동작은 회상도식(recall schema)와 인식도식(recognition schema)를 통해 계속 업데이트된다. 이러한 이유로 도식이론(schema theory)은 훈련의 양보다 훈련의 다양성을 더 강조하는 것이다. 또한 다양한 연습이 일반화된 운동프로그램 규칙을 강하게 만들 수 있다. 또는 이전에 경험이 없더라도 운동실행의 일부분이 이전 시행하던 규칙성에 기초하는 것이라면 동작은 정확하게 일어날 수 있다고 하였다.

 

 

이러한 이론의 임상적 적용을 보면 동작학습은 과제의 다양성의 중요성을 강조한다. 컵을 드는것을 배운다면 다양한 크기의 컵이나 재질(유리, 종이컵)을 사용한다면 과제의 다양성안에서 환자는 일반화된 규칙을 만들어내려고 할 것이다. 이러한 reaching(손뻗기)의 규칙이 개선은 다른 비슷한 유형의 동작을 만들어내는데 적절한 전략을 사용하게 할 것이다.

 

도식이론은 다양한 형태의 훈련이 가장효과적인 운동도식이나 운동프로그램을 만들어낸다는 것이다. 한가지 새로운 과제의 일정한 훈련조건과 새로운 과제의 다양한 훈련조건을 고려할 때 이 이론은 새로운 과제의 다양한 훈련조건을 강조한다. 하지만 성인의 경우 많은 경험으로 인해 가변적인 훈련을 할만한 실험적인 과제를 찾기가 어렵다. 또한 이러한 도식이론은 지네의 다리가 절단된 채로 네발보행이 가능하듯이 새로운 형태의 협응동작을 즉각적으로 획득하는지에 대해 설명할 수 없다. 소아의 경우 다양한 환경에서 과제의 효과가 증가하였지만 성인은 양분된 결과를 보였다. 이러한 이유는 가변적이고 다양한 실험과제를 찾기가 어렵기 때문이다.

이전까지 adams와 schmidt의 이론은 반복에 의한 운동프로그램도식의 강화로 인한 행동의 변화를 학습과정으로 보았다. Newell(1991)은 과제와 환경적 제한 안에서 그것과 일치하는 방법으로 지각과 운동(perception과 action)사이의 협응(coordination)증가를 설명하였다. 이는 학습 동안 과제와 환경에 따른 최적의 운동전략을 찾으려고 한다는 것을 주장하였다. 예를 들어 과제를 수행하기 위한 연관된 지각 신호(relevant perceptual cue)를 구별해 내는 게 중요하다. 손을 뻗어 컵을 들어올리는 과제를 시행하는 경우 컵의 재질, 무게, 위치에 대한 지각인식을 통해 보다 더 적절한 운동전략을 만들어내게 되는 것이다. 만일 이러한 필수적인 지각인식을 구별해내지 못한다면 부정확한 움직임이 만들어질 것이다. 하지만 색깔과 같은 지각신호는 비조절적 신호(nonregulatory cue)로서 적절한 움직임을 만들어내는데 필요한 지각정보는 아니다. 그래서 운동학습의 중요한 부분은 움직임을 만들어내는데 관련없는 정보 안에서 연관된 정보를 구분해내는 능력이다. 환자가 새로운 과제에 직면했을 때 그 문제를 해결하기 위해 필요한 정보를 찾아내기 위해 지각신호(perceptual cue)를 능동적으로 탐색해내야 한다.

 

이러한 이론이 개인, 과제, 환경에 걸쳐 많은 부분들을 고려하였지만 아직 운동기술습득을 위해 적용되어지지 못했다는 것이다.

 

운동조절이론은 임상행위를 위한 가이드를 제공하고 검사와 중재에 대한 작업가설을 설계하는데 유용하다.

벽돌을 쌓아 집을 만들기 위한 구조를 설계도가 제공하는 것처럼 이론은 여러 사실에 의미를 부여하게 된다. 하지만. 같은 벽돌로 다른 집을 지을 수 있는 것처럼 운동조절의 이론이 다르면, 같은 사실에도 다른 의미와 해석이 주어지게 되는 것이다.

반사이론은 Charles Sherrington에 의해 제시되었다. 운동조절이론의 하나인 반사이론은 자극을 통해 반응이 일어나는 반사가 운동조절의 기본단위이며, 복잡한 행동은 사슬처럼 함께 연결된 개개의 반사가 복합적으로 작용하여 일어나게 된다는 이론이다.

이 이론의 한계로는 자발적이고 수의적인 동작이 받아들일 수 있는 행동의 부류로 인식된다면, 외부 인자에 의해 활성화되는 반사는 행동의 기초단위라 생각할 수 없게 되며, 감각자극 없이 일어나는 움직임에 대해서 적절하게 설명하지 못한다. 또한 감각정보를 받아들일 시간이 없는 타이핑 활동 같이, 빠른 동작을 설명하지 못하며, 단일자극이 내림명령과 전호사정에 의존하는 다양한 반응을 야기할 수 있다는 사실을 설명할 수 없다. 마지막으로 새로운 동작을 만들어내는 능력을 설명하지 못한다는 한계가 있다.

임상적 의미는 환자의 움직임이 반사의 연쇄적 반응이나 복합적으로 연결되어 이루어진 것이라면 반사의 검사를 통해 환자의 기능을 예측하거나 해석할 수 있을 것이다. 또한 환자의 운동조절 재훈련 동안 반사의 효과를 감소하거나 향상시키는데 초점을 둘 수 있다.

계층이론은 신경계가 계층으로 조직화 되어있다는 관점이 특징이다. Huglings Jackson는 뇌는 상위, 중위, 하위의 조절수준을 갖는다고 하였으며, 엄격한 수직계층구조에서 제어계열은 엇갈리지 않으며 결코 하-상향식 제어는 없다고 하였다.

1920년대, Rudolf Magnus는 신경계의 여러 부분에서 반사들을 연구하던 중에 하위단계의 반사들은 상위단계의 피질중추가 손상 받을 경우에만 나타난다고 하였다(Magnus 1925,26).

또한, Stephan Weisz(1938)은 인간이 평형을 유지할 수 있는 기본은 계층적으로 조직화된 반사반응에 의한 것이라고 제시하였다. 이러한 학자들의 기반이 된 수직계층이론의 제한점은 어느 특정 상황에서 반사의 우세성을 설명할 수 없다는 것이다. 특히 통증 자극시 회피반응을 보이는 것을 예로 들 수 있다.

운동프로그램밍 이론(Bernstein, 1967; Forssberg, 1975)은 말초의 감각입력 없이도 중추 처리과정에 의해서 움직임이 활성화될 수 있다는 것이다.

이 이론의 임상적 의미는 중추신경계 내의 상위수준에서 동작을 위한 운동프로그램이 저장이 되어있어 이러한 명령이 신체의 각 부분에 전달되어 근육 공동운동패턴을 만들어 낸다는 것이다. 동작이 중추패턴발생기(CPG) 또는 상위수준의 운동프로그램에서의 비정상적인 문제가 발생한 환자에게, 활동에 대한 올바른 규칙을 재학습 하도록 환자를 돕는 것이 중요하다고 설명하고 있다. 또한 여기서는 특정근육의 재교육보다는 운동프로그램에 의해 형성되는 기능적 과제 동작을 재훈련 하는데 초점을 맞추도록 하고 있다. 하지만 이러한 중추 운동프로그램이 활동을 결정짓는 유일한 요소가 아니며 신경계가 근골격계와 환경적인 변수에 따라 동작처리를 해야 한다는 것을 고려하지 못했다. 그리고 감각 신경절단시, 입력 없이도 움직임은 발생하지만 동작의 질이 떨어지게 된다.

운동프로그램 이론의 개발에 참여하려고 했던 Bernstein은 움직이고 있는 시스템의 특성과 신체에 작용하는 외부와 내부의 힘을 이해하지 않고 신경의 동작제어를 이해하는 것은 불가능하다고 생각했다(Bernstein, 1967).

시스템이론은 외부로부터 주어지는 힘(중력)과 관성이나 근육의 발생힘과 같은 내부로부터 주어지는 힘에 의해 작용하는 신체는 위에서 설명했던 중추의 운동명령에 의해 다른 동작을 야기할 수 있고 다른 운동명령에 같은 동작을 일으킬 수 도 있다. 하지만 여기서 신체는 수많은 자유도를 가지고 있다는 것이다. 계속 변화하는 환경에서 신체는 어떻게 제어되는가? 움직임의 협응(movement coordination)은 동작에서 불필요한 자유도(redundant degree of freedom)을 억제하여 신체를 조절 가능하게 되는 것이다(Bernstein, 1967). 하나의 단위로 활용 되어지는 근육군의 시너지를 Bernstein은 자유도 문제를 해결하는 중요한 역할로 단정하였다.

시스템이론은 신경계의 기여와 근골격계 뿐만 아니라 중력과 관성의 기여도 고려한 것이다. 그래서 실제 동작을 더 잘 예측할 수 있다. 하지만 환경과의 상호작용에 대한 고려가 부족하다. 예를 들어 뇌졸중환자의 움직임 제한이 신경계의 운동제어상실로 나타나지만 이 후에 근골격계에서 나타나는 변화는 다시 신경계의 회복을 제한시킬 수 있다. 시스템이론은 각 시스템계의 문제와 서로 간의 상호작용에 기인한 문제들도 고려해야 한다는 것을 보여준다.

시스템이론은 움직임은 말초, 중추 영향에 의해 발생되는 것이 아닌 많은 계통들 사이의 상호작용에 의해 발생된다는 이론이며, 이 이론의 원리를 기반으로 동적 시스템이론으로 발전되었다. 동적 시스템이론은 행동을 조절하기 위해 많은 시스템이 상호작용할 뿐만 아니라 각각의 시스템들은 역동적이고 자기 조직화하는 능력이 있다고 가정하였다, (여기서 자기 조직화는 개개의 각 부분이 함께 움직일 때, 그 요소들이 집합적으로 질서정연하게 행동한다는 것을 의미한다.)

다이나믹 행위이론에서 자기조직 원리(self organization)는 개개의 요소가 하나의 시스템으로 조직화가 될 때 그러한 요소들이 질서가 잡힌 상태로 가동한다는 것이다. 물을 이루는 분자들은 외적으로 적용되는 열의 흡수/방출에 의해 기체, 액체, 고체의 형태로 변화하게 된다. 불규칙한 상태에서 물리적 요구반응에 의해 자동적으로 규칙적인 상태로 변하게 되는 것이다. 즉 고위중추도 협응된 행위를 만들기 위해 지시나 명령을 할 필요가 없다. 특정 명령이나 운동프로그램이 없어도 요소들이 상호작용하는 결과로 동작이 출현할 수 있다는 것이다. 자동적 움직임(automatic movement)을 예로 들 수 있다.

동작은 운동제어를 하는 매개변수의 변화로 달라진다. 걷기에서 빠른 걸음(속보), 그리고 달리기까지 동작의 변화를 보이게 되는데, 여기서 매개변수는 속도가 된다. 자기조직(self-organization)의 개념은 인간 행동이 생성되는 원리를 설명하기 위한 것으로, 세 가지의 제한요소의 상호 작용의 결과가 특정한 조건에 부합될 때 인간의 운동은 저절로 발생한다는 것이다. 동적 시스템의 자기조직화는 비선형 행동을 보인다. 비선형계란 그 출력이 입력에 비례하지 않는다는 것이다. 그림에서 보듯이 보행의 속도가 임계점에 도달하면 완전히 새로운 형태로 변화하는 것이다.

보행과 같이 움직이는 동적행위의 변화는 동작을 조절하는데 있어서 중추신경계로부터 전달되는 명령을 강조하는 것이 아니라, 동작특성에 기여할 수 있는 물리적 설명방법을 찾으려고 노력하는 것이었다. 동적시스템 이론의 관점의 중요한 개념은 운동조절에서의 변동성 역할이다.

동작의 흡인상태(attractor states)는 모든 동작은 사용하는 선호유형이 있다는 것이다. 다른 속도로 걷기가 가능하지만 외부의 영향력이 없다면 선호하는 속도에서 보행한다. 이것은 에너지 효율성 때문이다. 흡인홈(attractor well)은 동작의 선호유형을 변경하기 위한 융통성을 말한다. 강바닥이 매우 깊으면 강물의 흐름이 바꾸기 어렵지만 낮을 경우는 밖으로 넘쳐나가기도 쉽다. 홈이 깊다는 것은 안정적인 동작이고 얕은 것은 불안정한 동작이 된다. 이런 경우 안정된 동작을 바꾸기보다는 불안정한 동작을 변화시키기가 쉽다. 신경학적 손상환자들의 동작변화를 생각해 보면 학습되어진 안정화된 보상동작을 바꾸는 것은 쉬운 일이 아닐 것이다. 모든 동작은 안정된 형태로 되기 직전에 보다 더 가변적 또는 불안정해지고(Kelso & Tuller, 1984), 새로운 동작을 학습하는 동안 안정된 동작이 나오기 전에 가변성이 증가하게 된다(Woolacott & shumway-cook, 1990).

다이나믹 시스템 이론은 시스템이론과 다이나믹 행위이론을 혼합 수정된 모형으로 동작이 물리적 요소와 신경적인 요소들이 상호작용에서 나온다고 주장하였다(Perry, 1998). 하지만 이 이론의 제한점은 신경계는 중요하지 않고 물리적 시스템과 환경과의 상호작용의 행동을 결정짓는데 우선시 되며, 신경구조의 관계보다 물리적 원리가 동작행동의 변화를 야기한다는 것이다. 환자들의 운동제어장애를 치료하는데 이것의 의미는 무엇인가? 안정성을 위해 속도를 낮춘다면? 안정성이 증가될 수 있지만 속도의 감소는 운동량생산이 감소하게 되며 이는 반대로 더 많은 노력이 요구됨을 의미한다.

목표지향적 행동을 위한 환경과의 효율적인 상호작용은 어떻게 일어나는가? 동작을 위해 환경적인 정보를 어떻게 탐지하고 이 정보를 어떻게 사용하여 동작을 제어하는가? 환경에 맞는 동작을 위해 어떻게 조정하는가에 초점, 이를 위해서 특별한 지각정보가 필요하다. 감각과 지각의 차이, Gibson은 과제에 중요한 환경적 요인들을 지각하는 능력이 필요하다. 이러한 이론은 인간의 동작이 환경적 변인에 반응하는 감각-운동 시스템에서 목표를 달성하기 위해 환경을 능동적으로 탐색하는 지각-운동 시스템으로 넓혀왔다. 이것이 생태학적 이론의 관점이다. 생태학적 이론은 먹이를 찾고, 은신처를 짓고, 놀이를 하기 위해 효과적으로 움직이면서 그들을 둘러싸고 있는 환경에 대처하기 위해 운동조절이 진화하였다는 이론이다. 이 이론에선 동물에게 중요한 것은 감각이 아니라 지각이며 특히, 과제에 중요한 환경인자의 지각이 중요하다고 하였다.

생태학적인 관점에 의한 중추신경계 기능은 환경에 반응하는 감각/운동계로서의 기능에서 자기 자신의 목표를 충족하기 위해 적극적으로 환경을 탐색하는 지각/활동계로서의 기능으로 넓혀졌다. 이 이론의 한계로는 환경의 상호작용을 강조했으나 신경계의 조직화와 기능을 덜 강조한다. 환자는 과제수행을 위해 환경을 능동적으로 탐색함으로써 과제를 성취할 다중적인 방식을 만들어낸다. 환자는 다중적 적응 능력이 있어야 문제를 해결할 수 있다. 그 방식들 중에서 환자는 자신의 한계 내에서 가장 적합한 최선의 해결책을 발견하게 된다. 하지만 운동능력의 감소, 지각, 인지의 한계는 이러한 능력을 방해한다. 요약하면 생태학적 이론은 유기체가 움직임을 수행하는 과정에서 지각과 동작을 서로 분리시켜 설명할 수 없는 유기적인 관계로 보고 있다. 즉 수행자는 지각의 과정을 통해 움직이기 위해 필요한 정보를 수집하여 동작을 수행한다. 그리고 수행자는 움직임이 일어나는 동안 시시각각 변화하는 환경 정보를 지각함으로써 동작을 계속적으로 수행할 수 있다는 것이다.

과학적 이론은 실무적인 중재를 일관된 이론적 틀에 통합시켜준다. 절대적의미로 옳고 그름이 아니라 문제해결을 위한 유용성이 중요하다. 동작은 특정근육의 운동프로그램이나 반사결과만이 아니라 지각, 인지, 행위시스템간의 다이나믹한 상호작용의 결과이다.

운동조절모델이 변화함에 따라, 운동조절 장애 환자를 평가, 치료하기 위해 신경학적 재활 모델이 고안되었고, 임상실무가 과학적 이론에 병행하여 발전한 것을 볼 수 있다. 이 중 신경학적촉진법은 정상운동출력을 자극하기 위한 감각 입력을 통하여 중추신경계를 수정하는 것에 중재의 초점을 둔다.(Gordon, 1987; Horak,1992)

지난 30년간 과학적 이론의 변화는 치료적 접근방법도 시각의 변화를 가져왔으며 반사억제와 정상동작 재훈련보다는 운동학습 원리를 강조하게 되었다. 여러 접근방법이 그 자체의 이론적 기반을 운동조절과 관련한 새로운 개념들로 통합하기 때문에 여러 접근법들간의 경계는 뚜렷하지 않다.

뇌졸중 환자의 보상패턴은 병변에 의한 결과적 문제보다는 나머지 시스템들이 부족한 부분을 채우기 위한 기능적 노력의 결과를 의미한다. 하지만 보상전략이 항상 적절한 것이 아니고 그러한 보상적 움직임의 효율성을 향상시키려는 것이다. 정상동작 유형을 반복적으로 연습하기보다는 기능적 과제에서 고유의 문제를 능동적으로 해결하려고 하도록 해야 한다. 환경적 맥락에서 일어나는 변화에 적응하는 것이 기능회복의 결정적 부분이다. 과제의 목표를 해결하려는 다양한 방식을 배우려고 도움을 받게 된다.