Sports We Love: Swimming 오른팔로 스트로크, 왼팔로 스트로크, 킥, 킥오른팔로 스트로크, 왼팔로 스트로크, 킥, 킥 올림픽 수영 경기에서 볼 수 있는 부드럽고 리드미컬한 움직임은 경쟁력 있는 수영 선수들이 소독약 냄새가 나는 유리처럼 투명한 수영장 물을 엄청난 속도로 수천 미터나 가르며 헤엄칠 수 있는 원동력입니다. 수영 황제 Michael Phelps와 같은 선수의 경기를 보면, 이런 반복적인 스트로크와 킥이 아주 쉬워 보일 수도 있지만, 선수들이 보여 주는 리드미컬한 움직임은 절대 그렇게 쉽게 나오는 것은 아닙니다. 그 리듬은 인간의 뇌가 수백 개의 근육들과 끊임없이 밀접한 상호작용을 유지할 때에만 나올 수 있습니다. 그러나 펠프스와 같은 정상급의 선수들은 정말 물고기가 헤엄치는 것처럼 부드럽게 움직임으로 수영장을 헤집고 다는 것을 볼 수 있습니다. 아주 자동화된 동작처럼 아무런 노력 없이 정말 편안하게 헤엄치는 것처럼 보이는 그들에게는 어떤 비밀이 있을까요? 리드미컬한 모션에 숨겨진 과학지난 수십 년 동안, 과학자들은 수영과 보행 그리고 호흡과 같은 활동에서 나타나는 아주 리드미컬한 패턴들이 뇌에 의해 일어난다는 것에 관심을 가져왔습니다. 여러 신경계의 역할 중 특히 이러한 리드미컬한 움직임을 만들어 내는 신경계의 역할에 대한 연구는 1976년에 러시아에서 먼저 시작되었습니다. 이 연구에서는 뇌간 쪽의 척수가 절단된 고양이가 여전히 점프를 하는 것을 보고, 고양이가 특정 물체 위로 도약하는 동작에서 뇌의 역할은 필수적이지 않다는 것을 발견하였습니다. 이러한 발견은 보행과 같은 간단한 움직임 패턴에서는 인체의 말단부에서 대뇌로 신호가 가고 또 대뇌의 운동피질에서 다시 신호를 보내는 과정이 필요 하지 않다는 것을 나타냅니다. 다시 말해 이런 간단한 움직임에서 나오는 리듬은 뇌까지 가는 신경회로가 이용될 필요 없이, 하위 단계인 척수 수준의 신경 회로 선에서 충분히 나올 수 있다는 것을 의미합니다. 과학자들은 현재 이런 리드미컬한 움직임 패턴을 관장하는 신경회로를 “신경 진동기(Neural oscillators)” 또는 “중앙 중심 패턴 발생기(Central Pattern Generators, CPGs)” 라고 부르고 있습니다. 2001년에 Current Biology라는 학술지에 실린 연구에 따르면, CPGs는 아주 작은 자율 신경 네트워크(Autonomous Neural Networks)인데, 이 CPGs는 감각정보나 중심 입력(Central Input)없이 내부적으로 리드미컬한 패턴의 출력(Outputs)을 만들어 낼 수 있는 능력이 있습니다. 비유를 하자면 CPGs는 컴퓨터에서 여러 단계로 이루어진 반복되는 작업을 일일이 처음부터 하나하나 수행 할 필요 없이 한번에 일련의 과정이 이루어 질 수 있도록 미리 프로그램된 매크로(Macros)와 같은 역할을 우리 몸에서 한다고 생각하시면 됩니다. 우리 몸에서 뇌간(Brain stem)은 숨쉬는 것, 씹는 것, 삼키는 것을 관장하는 CPGs를 포함하고 있고, 척수는 움직임을 관장하는 회로를 포함하고 있습니다. 과학적으로 모든 CPGs는 2개 이상의 과정(Processes)이 상호 작용할 때 제대로 작동을 하는데, 각각의 과정(Process)은 하나가 증가되면 하나가 감소하는 식으로 서로 상반되는 작용을 하게 됩니다. 예를 들면 평형을 할 때의 리드미컬한 움직임을 생각할 수 있습니다. 평형을 할 때는 반드시 두 가지의 과정이 필수적으로 요구 되는데, 팔을 당기는 과정과 원래 위치로 되돌리는 두 가지의 과정(또는 단계)이 있습니다. 당기는 움직임을 관장하는 근육이 활성화 되면 회복 단계(Recovery Phase)와 관련된 근육 군들은 이완되게 됩니다. 반대로 당기는 움직임을 관장하는 근육이 이완되면, 회복 단계와 관련된 근육 군들은 활성화되게 됩니다. 주의할 점은 여기서 회복 단계와 관련된 근육 군은 평형 동작에서 동원되는 특정 근육들을 지칭하는 것이지 운동이나 부상으로부터의 회복을 얘기하는 것은 아닙니다. CPGs의 또 다른 특성 중에 하나는 시스템이 반복적으로 최초의 출발 위치로 돌아 온다는 것입니다. 다시 평형의 경우를 살펴보면 매 스트로크 이후에 몸은 수평으로, 팔과 다리는 최대로 신전되어 있는 출발 자세로 돌아가게 되는 것을 알 수 있습니다. 간단하게 다시 요약하면, 자유형, 접형, 평형과 같은 리드미컬한 움직임은 대뇌 피질성의 뉴런이 아니라 척수 뉴런에 의해 컨트롤되는 두 가지 반대 작용을 하는 근육의 패턴들의 상호 작용에 의해서만 만들어 진다는 것을 알 수 있습니다. 신경 레벨에서의 중심 패턴 발생기기계론적으로 CPGs는 한 가지 과정을 시작할 때 다른 과정(Process)을 억제하면서 한 가지 과정을 시작해야만 합니다. 평형의 예를 다시 들면, 우리는 하나의 스트로크가 일어나기 위해서는 척수의 CPG가 최초에 당기는 동작을 돕는 근육들을 활성화 시키는 동시에 일시적으로 회복 관련 근육들을 억제를 시켜야만 한다는 것으로부터 앞에서 말한 과정을 이해할 수 있습니다. 다시 말하면 두 가지의 반대되는 일을 하는 근육 군들이 서로 길항적으로 작용하지 않고 동시에 수축을 한다면, 수영 동작이 이루어 질 수 없다는 것을 얘기합니다. 수영은 당기고 회복하고의 일련의 과정의 끊임없는 반복이므로, 각각의 뉴런의 억제를 막는 과정도 반드시 필요합니다. 이런 과정이 있어야만 새로 동작을 시작하고 끊임없이 반복되는 동작이 나올 수 있게 됩니다. 이러한 개념을 일반적으로 반대 억제(Reciprocal Inhibition)이라고 부릅니다. 반대 억제를 잘 나타나는 그림이 아래에 있습니다. 이해를 위해 단 하나의 CPG가 오직 두 개의 뉴런들만 가지고 전체 평형 동작을 컨트롤 한다고 생각해 봅시다. 그 두 뉴런은 각각 당기는 뉴런(Pulling Neuron)과 회복 뉴런(Recovery Neuron)이라고 할 수 있습니다. 당기는 뉴런이 동작을 할 때, 당기는 뉴런은 회복 뉴런의 활성을 막습니다. 그러나 이때 당기는 뉴런은 회복 뉴런을 억제하는 동시에 회복 뉴런이 서서히 억제로부터 빠져 나올 수 있게 돕는 작용도 하게 됩니다. 회복 뉴런이 천천히 억제 상태로부터 벗어나고, 결국 회복 뉴런은 활성화를 위한 문턱 전압에 도달하게 되고, 즉시 회복 뉴런이 활성화가 됨과 동시에 당기는 뉴런의 활성화를 억제하게 됩니다. 회복 뉴런이 활성화된 상태에서, 억제된 당기는 뉴런은 서서히 억제가 풀리면서 결국 활성화를 위한 문턱 전압에 또 도달하게 됩니다. 일단 당기는 뉴런이 활성화 되면, 그 사이클이 다시 시작점으로 돌아오게 됩니다. 이런 과정은 평형 동작은 하는 동안 계속 반복되게 됩니다. 비록 척수 레벨에서 CPGs가 수영에서 요구되는 리드미컬한 패턴들을 컨트롤하기는 하지만, 이 과정에서 뇌가 전혀 관여를 하지 않는 것은 아닙니다. 사실 운동 피질은 지속적으로 수영을 할 때 나오는 패턴들을 모니터링하고 움직임을 수정하고, CPGs를 적절하게 조절합니다. 1992년도에 이루어진 칠성장어(Lamprey)의 물속에서의 움직임 패턴에 관한 연구 덕분에 과학자들은 수영 동작이 이루어 지기 위해서는 CPGs의 분절 간의 협응이 매우 중요하다는 것을 잘 알고 있습니다. 수영의 전반적인 움직임 패턴에서 동원되는 여러 가지 CPGs는 서로 다른 근육 군을 활성화 시키기 위해 각각의 근육 군에 아주 시기 적절하게 작용해야 하는데, 이런 아주 세밀한 컨트롤을 대뇌 피질이 담당하고 있습니다. 수영 동작은 인간이 만들어 내는 주요 동작은 아니므로, 걷는 것과 뛰는 것과 같이 인간이 자주 만들어 내는 동작에서보다 수영 동작에서 대뇌 피질은 움직임 패턴을 조율하는데 더 많은 역할을 하게 됩니다. CPG를 잘 컨트롤 할 수 있는 능력은 대뇌피질의 필수적인 역할이고, 이런 분야는 특히 적절한 운동의 결과물을 정확히 만들어 내기 위한 운동 기술 학습(Motor Skill Learning)을 위해서 반드시 선행 되어야 됩니다. 다른 경쟁자보다 더 빠르게 나아가기 위해서 뇌를 어떻게 이용해야 할까요?많은 수영 선수들이 리드미컬하게 움직인다고는 하지만, 그들이 보여주는 퍼포먼스에는 분명히 차이가 있습니다. 만약 어떤 수영선수가 에너지를 비축하기 위해 페이스(Pace)를 조금 늦춘다면 어떻게 될까요? 또는 마지막 Lap에서 속도를 올리는 경우에는 또 어떻게 될까요? 앞서 움직임 수정하고 바로 잡을 때의 방식과 같은 방식으로 이번엔 척수가 아니라 뇌가 페이스(Pace)의 변화를 컨트롤 하게 됩니다. 2013년도에 스포츠 의학 학술지에 게재된 연구에 따르면 중추신경계는 속도를 조절하기 위해 신경의 두 가지 다른 시스템을 이용한다고 합니다. 소뇌(Cerebellum)*에 위치한 내부적으로 발생하는 시스템 기저핵(Basil Ganglia)*에 위치한 외부적으로 발생하거나 시작정보에 의해 발생하는 시스템 *여기서 중요한 것은 소뇌와 기저핵 모두 운동피질과 연접을 이루고 있다는 것입니다. 내부적으로 발생한 스피드(Internally-generated Speed)는 특정한 속도로 움직이기 위해서 필요한 에너지 소모량을 평가하고 비교 검토하는 과정을 포함합니다. 예를 들면 한 명의 수영 선수가 레이스 도중에 지쳤다면, 그 선수는 남은 거리에서 속도를 줄여야 할 것입니다. 수영선수의 피로감은 소뇌의 뉴런들 안에서 내부적으로 생성되는 피로 신호를 만들게 하고, 이 신호는 대뇌 피질로 보내져서, 수영선수에게 속도를 줄이라는 신호를 보내게 됩니다. 내부적으로 생성되는 스피드와는 달리, 외부적으로 발생하는 속도(Externally-generated Speed)는 외인성의 자극의 반응하는 과정을 포함합니다. 예를 들면, 한 명의 수영 선수가 마지막 랩(Lap)에서 턴을 도는 상황을 생각해 봅시다. 마지막 결승선을 향해 가고 있다는 짧은 시각 자극을 감지함으로써 수영선수는 더 동기 부여가 되게 되고, 그 결과 더 속도를 올리게 됩니다. 신경학적으로 이러한 페이스의 변화는 대뇌 피질에 의해 철저하게 분석된 시각 정보에 의해 나타난다고 알려져 있습니다. 이 시각 정보는 그리고 나서 기저핵의 뉴런으로 보내 지게 되고, 결국에는 또 운동 피질로 보내지게 됩니다. 왜 모든 랩이 중요할까요?명백하게 수영선수들은 속도를 적절하게 조절하고 동작에 필요한 다양한 근육 패턴을 조화롭게 잘 이용하기 위해서 엄청난 양의 뇌의 파워를 끌어다 씁니다. 뇌의 관점에서 단지 리드미컬하게 움직이고 있다는 것이 그 동작을 쉽게 하고 있다는 것을 의미하지는 않습니다. 사실 CPGs를 잘 조절하는 것과 스피드와 페이스 조절, 조화로운 움직임을 마스터하는 것은 수천 시간의 피나는 노력이 필요합니다. Muscle Prodigy 사에 따르면, Michael Phelps는 가장 많이 연습할 때 한 주에 약 50마일을 헤엄친다고 합니다. 척수 내에 CPGs의 형태로 회로가 이미 존재 할 지라도, 선수가 정상급의 수영선수가 되기 위한 최적의 신경 회로를 뇌와 척수에 만들기 위해서는 끊임없는 스트로크를 통한 연습이 필요합니다. 그래서 Halo Sport는 선수들이 수영과 조정과 같은 리드미컬한 움직임이 중요한 스포츠에서 좀 더 뛰어난 퍼포먼스를 낼 수 있도록 도와줍니다. 트레이닝 동안에 운동 피질을 자극함으로써 각각의 반복에서 최대한의 향상을 이끌어 내고, 이 과정을 통해서 수영 선수들은 더 정교하게 CPGs를 최적화 할 수 있고, 이러한 운동 패턴의 향상은 척추에서 근육이 기억을 더 빨리 할 수 있도록 돕습니다. 이 과정들을 통해 Halo는 페이스 조절 능력, 테크닉을 더 빨리 마스터 할 수 있게 해주고, 전반적인 퍼포먼스 향상을 돕습니다. 펠프스가 완벽하게 조화를 이루는 CPGs를 하루 아침에 저절로 얻은 것은 아닙니다. (연구에 따르면 미성숙한 중심 패턴 발생기(Central Pattern Generator)는 배아 발생기부터 발생한다는 연구도 있긴 합니다만) 오히려 그는 그의 평생을 수영장에서 레인을 수 없이 왕복하는데 보냈고, 그 결과 그의 운동 피질은 중심 패턴 발생기를 제대로 작동하게 만들 수 있었고, 또 나아가 그 중심 패턴 발생기를 근육 메모리에 이용할 수 있었고, 결과적으로 자동 조절 장치로까지 발전 시킬 수 있었습니다. 이건 정말로 주목할 만한 현상입니다.
