운동단위 : motor unit - 운동단위 크기/ 분류

운동단위 : motor unit - 운동단위 크기/ 분류

운동단위는 운동뉴런과 뉴런에 의해 신경이 공급되는 근섬유그룹으로 구성됩니다. 운동단위 내의 근육 섬유의 수는 다양하며 정확하고 세련된 동작을 위한 근육의 기능에 따라 달라지고, 정밀도는 운동단위의 크기에 반비례합니다. 따라서 작은 운동단위는 큰 운동단위에 비해 더 높은 정밀도로 운동 할 수 있습니다. 예를 들어, 큰 움직임을 담당하는 허벅지 근육은 각 단위에 1000 개의 섬유를 가질 수 있으며, 작은 정확한 움직임을 필요로하는 눈 근육은 단지 10 개일 수 있습니다. 오늘은 운동단위의 정의와 크기에 따른 차이, 그리고 운동단위 분류에 대해 알아보도록 하겠습니다.

 

 

 

 

 

 

운동단위 (Motor unit)  란?

근육이 수축하려면 중추신경계통에 위치하는 알파운동신경세포(α-motor neuron)에서 발생된 신경충동(nerve impulse)이 근육섬유들을 흥분시켜야만 합니다. 뇌줄기나 척수의 앞뿔(ventral horn)에 위치하는 운동신경세포의 세포체들로부터 나오는 운동축삭(신경섬유)은 여러 근육섬유로 가지를 내고, 하나의 알파운동신경세포와 이것이 신경지배하는 근육섬유들을 합쳐서 운동단위(motor unit)라고 합니다.

 

하나의 알파운동신경세포에 활동전위가 발생하면 구조적으로 손상이 없는 한 운동단위를 이루고 있는 근육섬유들은 함께 수축되는데, 이를 동원(recruitment)이라 합니다. 그러므로 근육의 힘(근수축력)은 운동단위가 많이 동원될수록 커지게 됩니다. 동원된 운동단위가 빠른 속도로 연속적으로 활성되는 것을 동원의 발화율(firing rate)이라 합니다. 근육의 힘은 운동단위의 발화율이 클수록 커지는데, 신경계통은 동원하는 운동단위의 수와 운동단위의 발화율을 조정함으로써 근육의 힘(근수축력)을 조절합니다.

 

 

 

 

운동단위의 크기 (size of motor unit)

운동단위의 크기는 운동단위를 형성하는 근육섬유의 수에 의해 결정됩니다. 하나의 알파운동신경세포가 신경지배하는 근육섬유는 두세 개에서부터 2~3천 개로 다양합니다. 작은 세포체와 작은 굵기의 축삭을 가지고 있는 작은 크기의 운동단위(small-size motor unit)는 눈이나 손가락 운동을 조절할 때와 같이 미세하고 정밀한 움직임(fine movement)을 조절하는 반면, 큰 세포체와 굵은 축삭을 가지고 있는 큰 크기의 운동단위(large-size motor unit)는 큰 힘을 생성하고 덜 정교한 움직임(gross movement)을 만들어 냅니다. 눈 움직임을 조절하는 작은 크기의 운동단위는 6개 정도의 근육섬유들을 포함하는 반면, 큰 크기의 운동단위의 장딴지근(gastrocnemius)은 2,000개의 근육섬유들을 지배합니다.

 

단일 운동단위당 포함되는 근육섬유의 수가 많은 근육들은 단일 운동단위당 근육섬유의 수가 적은 근육보다 상대적으로 운동단위의 수가 적습니다. 목에 있는 넓은목근(platysma)은 약 25개의 근육섬유를 포함하는 상대적으로 작은크기의 운동단위이지만, 이 근육은 1,000개의 운동단위를 가지는데, 한편 장딴지근(gastrocnemius)은 단일 운동단위당 2,000개의 근육섬유들을 포함하는 상대적으로 큰 크기의 운동단위이지만, 이 근육은 상대적으로 작은 600개의 운동단위를 가집니다.

 

 

 

 

 

 

근육활동을 하려고 할 때는 작은 세포체와 작은 수의 근육섬유를 지배하는 작은 크기의 운동단위가 먼저 신경계통에 의해 자동 선택됩니다. 근육활동을 하는 동안 작은 크기의 운동신경세포(smallest notor neuron)가 먼저 동원(recruitment)되고, 큰 크기의 운동신경세포(largest motor neuron)가 나중에 동원되는 원리를 운동단위 동원의 크기원리(size principle of recruitment)또는 헤너만(Hennenman)의 크기원리라고 합니다. 근육수축이 일어난 후 이완하려고 할 때 동원 순서와는 역순으로 동원해제(decruitment)가 일어납니다.

 

 

 

 

운동단위 분류

느린 운동단위(Slow unit, S)

운동단위는 운동단위의 크기, 조직화학적 특성 및 단일수축 반응에 따라 세 가지 유형으로 분류합니다. 작은 운동신경세포에 의해 신경지배를 받는 근육섬유들은 비교적 작은 힘으로 오랜시간 수축하는 특성을 갖습니다. 이런 근육섬유를 느린 단일수축 섬유(slow twich muscle fiber)라고 부르고, 이들 섬유를 포함하고 있는 운동단위를 느린 운동단위(Slow unit, S)라고 합니다.

 

S 운동단위에 속하는 근육섬유를 SO(Slow Oxidative, type Ⅰ)섬유라고 하는데, 이는 느린(slow)단일수축 반응을 보이고 산화성(Oxidative)에너지원을 사용하기 때문입니다. 또한 SO섬유는 오랜 시간 수축하여도 피로가 거의 발생하지 않습니. 정리하면 S 운동단위는 작은 운동신경세포가 적은 수의 SO섬유들을 신경지배하기에 작은 힘으로 오랜 시간 수축하나 근육피로는 거의 발생하지 않습니다. 작은 힘으로 오랜 시간 수축이 요구되는 앉은 자세나 선 자세를 유지할 때, 일반적으로 작은 크기의 S 운동단위들이 가장 먼저 동원됩니다.

빠른 운동단위(Fast Fatigable unit, FF)

이와는 다르게, 큰 운동신경세포에 의해 신경지배를 받는 근육섬유들은 비교적 큰 힘으로 짧은 시간 수축하나 쉽게 피로해지는 특성을 갖고 있습니다. 이런 근육섬유를 빠른 단일수축 섬유(fast twitch muscle fiber)라고 부르고, 이들 섬유를 포함하고 있는 운동단위를 빠르고 쉽게 피로해지는 빠른 운동단위(Fast Fatigable unit, FF)라고 합니다.

 

FF 운동단위에 속하는 근육섬유를 FG(Fast Glycolytic, type Ⅱb) 섬유라고 하는데, 이는 빠른(Fast)단일수축 반응을 보이고 해당성(Glycolytic)에너지원을 사용하기 때문이죠. 정리하면 FF운동단위는 큰 운동신경세포가 많은 수의 FG 섬유들을 신경지배하기에 큰 힘으로 짧은 시간 수축 가능하나 쉽게 근육피로가 발생합니다. 짧은 시간에 큰 힘을 내야 할 때, 일반적으로 작은 크기의 S 운동단위들이 동원된 이후에 추가적으로 큰 크기의 FF운동단위들이 동원됩니다.

 

빠르고 덜 피곤한 운동단위(Fast Fatigue-Resistant unit, FR)

세 번째 운동단위는 S 운동단위와 FF 운동단위의 중간 유형으로 빠르고 덜 피로한 운동단위(Fast Fatigue-Resistant unit, FR)라고 합니다. FR 운동단위는 운동단위의 크기, 조직화학적 특성 및 단일수축 반응에서 중간 형태라 할 수 있습니다. FR운동단위에 속하는 근육섬유는 SO 섬유보다는 더 큰 힘으로 짧은 시간 수축하나 FOG 섬유보다는 덜 피로한 특성을 보입니다. FR 운동단위에 속하는 근육섬유를 FOG(Fast Oxidative Glycolytic, Type Ⅱb)섬유라고 하는데, 이는 산화성 에너지원과 해당성 에너지원을 모두 사용하기 때문입니다.

 

 

 

운동단위의 작용순서

신경계통은 큰 힘이 요구될 때, 작은 크기의 S운동단위, 중간 크기의 FR운동단위, 그리고 큰 크기의 FF운동단위 순서로 운동단위를 동원합니다. 이 운동단위 동원의 크기 원리는 전반적으로 움직임이 부드럽게 진행되게 하며, 피로가 거의 발생되지 않은 작은 크기의 S 운동단위를 먼저 동원시키고 지속적으로 동원시키기 때문에 에너지 보존 측면에서도 의미가 있게 됩니다. 서 있다가 머리 위로 지나가는 공을 잡기 위해 뛰어 올라야 한다고 생각해 보면. 서 있는 동안에는 큰 힘을 요구하지 않기 때문에 작은 크기의 S 운동단위만을 동원시키면 되지만, 공을 잡기 위해 뛰어 오르려면 짧은 시간에 큰 힘이 요구됩니다. 이때 순간적으로 FR 운동단위들을 추가적으로 동원시키고, 더 큰 힘이 요구된다면 FF 운동단위들을 추가적으로 동원시킴으로써 공을 잡는 동작에 대한 과제목적을 이룰 수 있습니다. 중추신경계통이 손상된 뇌졸중이나 척수손상 환자들은 운동단위의 동원 순서에 변화가 일어날 수 있으며, 이로 인해 부적절한 근육수축과 더 많은 피로를 일으키게 됩니다.

 

	type I fibers	type IIa fibers	type II x fibers	type II b fibers
contraction time	slow	moderate fast	fast	very fast
size of motor nueron	small	medium	large	very large
resistance to fatigue	High	fairly high	intermediate	Low
activity used for	Aerobic	long term anaerobic	short-term anaerobic	Short - term anaerobic
maximum duration of use	Hours	< 30 minutes	< 5 minutes	< 1 minutes
power produced	Low	Medium	High	Very High
mitochondrial density	Very High	High	Medium	Low
capillary density	High	intermediate	Low	Low
oxidative capacity	High	High	intermediate	Low
glycolytic capacity	Low	High	High	High
major stroage fuel	Triglycerides	Creatine phospahte, glycogen	ATP, creatine pohsphate, glycogen(little)	ATP, creatine pohsphate
note	consume lactic acid	produce lactic and creatine phosphate	consume creatine phosphate	consume creatine phosphate