소뇌와 운동학습 : 감각과 운동정보의 오차를 해석하고 수정
소뇌와 운동
오늘은 소뇌와 운동학습에 대해서 살펴볼까 합니다. 소뇌(Cerebellum)는 감각 시스템, 척수 및 뇌의 다른 부분으로부터 정보를 수신한 다음 모터 움직임을 조절합니다. 소뇌는 자세, 균형, 조정 및 언어와 같은 자발적인 움직임을 조정하여 부드럽고 균형 잡힌 근육 활동을 유도합니다. 그것은 또한 운동 행동을 학습하는 데 중요합니다. 뇌의 상대적으로 작은 부분으로 전체 무게의 약 10 % 이지만 전기 신호를 통해 정보를 전달하는 특수 세포인 뇌의 신경 세포의 약 절반을 포함합니다.
소뇌의 운동학습에 중요한 부분은 바로 몸이 주어진 제스처를 만들려면 관련된 각 신체 부위의 기본 동작의 순서와 지속 시간을 매우 정확하게 제어해야 합니다. 소뇌의 일 중 하나는 신체 움직임의 타이밍을 제어하는 것입니다. 모터 회로를 모터 피질에 연결하고 모터 피질이 모터 뉴런에 보내는 신호를 변조하는 루프 회로를 통해 이를 수행합니다.
인간에서는 소뇌가 움직임과 관련된 시각 신호를 분석하는 역할을 합니다. 이러한 신호는 시야 내의 물체의 움직임 또는 움직이는 몸체 부분 자체의 시야에서 발생할 수 있습니다. 소뇌는 이러한 움직임의 속도를 계산하고 이에 따라 움직임 명령을 조정하는 것처럼 보입니다. 이러한 계산의 오류는 소뇌에 상해를 입은 환자에서 관찰된 열악한 운동 조절로 설명이 됩니다. 이러한 세부적인 기능을 통해 소뇌와 운동학습이 가능하게 됩니다.
인지 장애와 관련하여 언어, 주의력, 기억력 및 감정의 영역에서 소뇌 관련 증상의 일부 징후가 발견되었습니다. 예를 들어, 일부 자폐아의 인지 지연은 부분적으로는 소뇌의 특정 부분의 발달 부족으로 인한 것입니다. 소뇌의 또 다른 중요한 특성은 소뇌 피질의 특유의 세포 구조에 기반을 둔 배우고 기억할 수 있는 능력입니다.
소뇌의 역할(Cerebellar Function)
소뇌는 뇌의 뒤쪽과 아랫면과 뇌간에서 발견되는 영역입니다. 소뇌는 다음과 같은 운동과 조정과 관련하여 여러 가지 역할을 합니다.
- 운동 조정 : 대부분의 신체 운동은 여러 근육 그룹의 조정이 필요합니다. 소뇌가 근육을 움직이면 몸이 부드럽게 움직일 수 있습니다.
- 유지 밸런스 : 소뇌에는 균형과 움직임의 변화를 감지하는 특수 센서가 있습니다. 그런 다음 신체가 조정하고 움직일 수있는 신호를 보냅니다.
- 비전 : 소뇌는 안구 운동을 조정할 책임이 있습니다.
- 소뇌와 운동학습 : 소뇌는 신체가 연습과 미세 조정이 필요한 움직임을 학습하도록 도와줍니다. 예를 들어, 소뇌는 자전거 타기에 필요한 동작을 학습하는 데 중요한 역할을 합니다.
- 다른 기능 : 연구원은 소뇌가 언어와 분위기 와 관련된 생각을 포함하여 사고에 어떤 역할을 한다고 생각 합니다. 이러한 기능은 아직 잘 이해되지 않았습니다.
소뇌의 장애
소뇌 질환의 가장 흔한 징후는 근육 조절 장애입니다. 이것은 소뇌가 균형과 자발적인 움직임을 조절하기 때문입니다. 소뇌의 장애에 따른 증상이나 징후는 다음과 같습니다.
- 근육 조절 및 조정 부족
- 걷기의 어려움
- 흐릿한 말 또는 어려움
- 비정상적인 안구 운동
- 두통
운동 실조증
운동 실조증은 소뇌에 문제가 있어 근육 조정과 조절이 불가능해집니다. 바이러스 또는 뇌의 종양은 뇌의 근본적인 문제를 일으킬 수 있습니다. 조정의 상실은 흔히 운동 실조증의 초기 징후이며 일반적으로 말하기가 어려워집니다. 다른 증상으로는 흐릿한 시력, 삼키는 어려움, 피곤함 , 정확한 근육 조절의 어려움 , 기분이나 사고의 변화 등이 있습니다.
소뇌와 운동학습(Cerebellar Motor Learing)
우리가 어렸을 적에 자전거 타기나 정확하게 공을 던지기 같은 큰 동작들이나 혹은 글씨 쓰기, 피아노 치기와 같은 작은 동작에서도 움직임 혹은 운동에 대한 학습이 필요합니다. 처음부터 다 잘 할 수는 없습니다.
처음에는 많이 넘어지기도 하고 글씨가 삐뚤삐뚤하던지, 정확하게 건반을 누르던지, 정확한 위치에 공을 던질 수 없을 겁니다. 많이 연습하고 반복하여 결국에는 정확한 동작을 해낼 수 있게 됩니다. 이러한 운동 학습과 관련된 부분이 바로 소뇌와 바닥핵 입니다. 그중에서 소뇌와 소뇌의 운동학습에 대해서 한번 알아보려고 합니다.
소뇌는 대뇌로 가는 모든 종류의 감각 정보를 따로 받습니다. 기타 근수용기로 부터 근 수축 상태에 관한 상세한 정보를 입력을 통해 소뇌에 제공합니다. 전정 기관으로부터의 입력은 머리의 위치에 관한 정보를 소뇌에 전달합니다. 청각과 시각 정보를 전달하는 뉴런 역시 소뇌에 투사되지만, 대뇌 피질에서 만큼 상세하지는 않습니다.
이러한 정보를 받아들인 소뇌는 움직임과 관련된 여러 뇌구조를 통해 정보를 전달합니다. 이때 중요한 것은 소뇌와 대뇌 피질의 감각-운동 영역 사이의 상호 연결 입니다. 이 과정이 있어야 우리가 움직임을 만들어 낼 때, 머리로 생각하여 낸 움직임과 실제 움직임 사이의 오차를 알아낼 수 있는 겁니다. 이 오차를 알아채는 것이 바로 소뇌입니다.
예를 들면, 앞에 보이는 물건을 잡으려고 할 때 선행적으로 시각적 정보와 공간적 정보등(파란색 화살표) 감각 정보가 우리 뇌로 들어갑니다(feedfoward). 이 정보는 brainstem의 핵들을 거쳐 대뇌와 소뇌로 들어가게(연두색 화살표) 됩니다.
소뇌는 대뇌와의 상호 연결로 인해 이 정보를 공유하게(보라색 화살표) 됩니다. 소뇌는 움직임을 조절 하게 하고 대뇌는 그 움직임을 계획 운동 실행에 옮기게 됩니다. 그래서 그 정보는 다시 올리브핵(빨간색 동그라미)을 통해서 팔을 뻗어 물건을 잡게 됩니다. 그런데 예상보다 손을 덜 뻗게 되면 내가 가지고 싶어하는 물건을 잡을 수 없게 됩니다!
그러면 다시 정보가 같은 루트로 들어가게 됩니다. 잘못된 정보를 뇌를 받아들이는 거죠
“이때 소뇌에서의 역할이 중요합니다.”
소뇌에서는 이 앞의 움직임에 대한 정보와 지금 실패한 움직임의 정보를 취합하고, 그 둘 사이의 차이(오차)를 감지하게 됩니다. 그리고 얼마나 더 혹은 덜 움직이게 할 것인지에 대해 대뇌와 정보 교환을 하게 됩니다. 그리고 그 정보들을 통해서 전의 움직임보다 더 정확하게 목표에 도달할 수 있는 조절을 할 수 있게 됩니다. 어느 분들은 이 기능을 보고 ‘소뇌는 오차 감지기의 기능을 한다’ 라고도 합니다. 그래서 저희는 활동을 할 때 오차를 줄이면서 좀 더 잘하게 되고 학습이 가능하게 됩니다.
소뇌 손상과 운동 학습의 결함
실험적 연구에 따르면 소뇌 손상은 인간 환자와 실험 동물 모두에서 운동 학습에 결함을 일으키는 것으로 나타났습니다. 대표적인 실험 모델 중 하나는 전정안 반사(VOR, vestibuloocular reflex) 입니다. 이 반사를 통해 머리가 회전할 때 물체에 대한 시선을 유지할 수 있습니다. 전정 신호는 머리 움직임을 감지하고 소뇌를 통해 눈 근육에 신호를 보내 머리 회전에 정확하게 대응하고 안정적인 시선 중심을 유지합니다.
눈에 대한 운동 명령은 경험을 통해 정확하게 조정되어야 하며, 이 조정은 소뇌의 역할인 것으로 보입니다. 피험자들이 시각적 이미지를 확대하는 프리즘을 착용하는 실험이 수행되었습니다. 피험자의 머리가 움직일 때 VOR로 인해 시각적 이미지가 안정적으로 유지되지 않고 망막에서 이동하게 되었습니다. 그러나 며칠이 지나면서 VOR은 천천히 조정되어 머리가 회전할 때 망막 이미지가 안정적으로 유지되도록 적절한 보상 안구 운동이 이루어졌습니다.
정상적인 조건에서 인간이나 동물 피사체가 머리를 앞뒤로 회전하면 망막에 이미지가 안정적으로 유지되도록 눈이 동일하고 반대 방향으로 회전합니다. 전정 시스템은 머리 움직임에 대한 입력을 제공하고 운동 시스템은 이미지를 안정적으로 유지하기 위해 정확한 출력 명령을 학습해야 합니다. 동물에게 돋보기를 씌우면 확대된 이미지의 이동 속도 증가를 보상할 만큼 눈이 충분히 빠르게 움직이지 않아 이미지가 망막을 따라 머리의 움직임 반대 방향으로 움직입니다(망막 활면_retinal slip이라고 함).
그러나 시간이 지남에 따라 운동 시스템은 눈을 더 빠르게 움직이는 방법을 학습합니다(예: 눈 움직임 명령의 이득이 증가함). 그러면 이미지가 다시 안정됩니다. 고글을 제거하면 이제 눈이 너무 빨리 움직여 머리 움직임과 같은 방향으로 망막 미끄러짐이 발생합니다. 시간이 지나면 시스템은 VOR을 다시 보정하는 방법을 학습하게 됩니다. 전정 소뇌가 손상된 환자와 실험 동물은 VOR을 고글의 추가 및 제거에 적응시킬 수 없으며, 이는 이러한 형태의 운동 학습에서 소뇌의 역할을 입증합니다.
[Mov] 전정안 반사(VOR, vestibuloocular reflex)