NIRS란 생체투과성이 우수한 근적외광을 이용하여 뇌순환산소대사를 계측하는 장비로서, 최초 뇌허혈이나 저산소를 진단하는 것을 목적으로 개발되었다. 그러나 최근 신경활동을 동반하는 뇌혈류 산소대사변화를 측정하는 것이 가능하다는 것이 알려지면서[10,17,18], 뇌기능 이미징 기법으로서 그 활용도가 높아지고 있다.

NIRS와 같은 뇌기능 이미징 장치는 특정한 뇌부위에서 신경활동이 일어날 때, 국소 뇌혈류(regional cerebral blood flow, rCBF)가 증가하는 현상인 neurovascular coupling의 원리를 기반으로 한다[19]. 신경활동이 수반하는 뇌혈류 변화의 메커니즘에는 다양한 가설이 존재하나, 신경활동의 흥분을 교세포의 일종인 성상세포(astrocyte)가 감지하여, 모세혈관을 확장시킨다는 설이 유력하다[20]. 성상세포는 수상돌기를 늘려 한쪽에서는 다수의 시냅스를 형성하면서, 다른 한쪽은 혈관 주위를 감싸는 형상을 하고 있으며, 주변에서 신경활동이 일어나게 되면 성상세포에서 칼슘이온(Ca²⁺)의 농도 변화를 기점으로 아라키돈산(ara-chidonic acid)의 대사산물이 방출되어, 주변의 혈관이 확장된다. 이러한 신경활성이 수반하는 국소혈류량의 변화를 neurovascular coupling 이라 하며, NIRS는 이러한 원리를 이용하여 뇌활동이 수반하는 뇌혈류동태변화를 측정할 수 있다.

NIRS를 통한 뇌혈류동태변화의 계측은 두피 위에 설치한 NIRS의 광송신용 탐침으로부터 근적외광을 두개 안으로 조사한 후, 두개골과 두피를 지나 대뇌 피질(cerebral cortex)과 같은 뇌 조직 내를 산란하며 진행하다가 근적외광의 일부가 광수신 탐침으로 도달하는 과정을 통하여 이루어진다. 이러한 근적외광의 경로 중에 뇌신경의 활성이 일어나면, 뇌신경활동이 일어난 주변 조직의 혈류량이 국소적으로 증가한다. 이때 증가된 혈류 속 헤모글로빈 분자에 의해 광흡수량이 증가하며, 이로 인해 광수신 탐침에 도달하는 광량이 감소하게 된다. 이러한 원리를 바탕으로 광수신 탐침에서 검출된 광량의 변화를 시간의 흐름에 따라 연속적으로 계측함으로써, 간접적으로 뇌신경활성의 변화를 계측하는 것이 가능하다.

일반적으로 NIRS 시스템의 경우, 두 가지 이상의 파장을 광원으로 사용하고 있어 산소화 헤모글로빈(oxy-hemoglobin, oxyHb)과 탈산소화 헤모글로빈(deoxy-hemoglobin, deoxyHb)의 흡수 특성의 차이에 따른 각각의 농도 변화의 계측이 가능하며, oxyHb와 deoxyHb의 총합으로 총헤모글로빈(totalHb)의 흡도 변화도 측정 가능하다. 이러한 oxyHb와 deoxyHb의 동태 변화는 기능적 자기공명영상법(fMRI)에 의한 뇌혈류(cerebral blood flow, CBF) 동태 변화와 일치하며[21], 지금까지 수많은 연구를 통하여 데이터의 신뢰도가 충분히 검증되었다(22,23). 그러나, 빛이 도달할 수 있는 범위는 대뇌 피질(cerebral cortex)의 외측부 정도로 제한되어, 다른 뇌기능 이미징 장치와 다르게 해마와 같이 뇌의 심부에서 일어나는 헤모글로빈의 동태 변화를 측정하는 것은 불가능하다.

NIRS는 기존의 다른 뉴로이미징 기법과는 다르게 헤모글로빈 농도의 절대량을 측정할 수 없다. 따라서 NIRS를 이용하여 대뇌 피질에서 일어나는 뇌활성을 추정하고자 할 때, 실험 참가자에게 임의의 행동(실험) 과제를 부과하고, 그 과제에 따른 헤모글로빈의 동태 변화를 파악해야 할 필요가 있다. 예를 들어, 「화면에 ‘+’가 표시되면, 검지로 키보드의 ‘ A’의 버튼을 빠르게 눌러주세요.」와 같은 행동 과제를 실험 참가자에게 제시할 수 있으며, 검사자는 이 행동 과제에 의해 나타나는 헤모글로빈의 변화를 계측할 수 있다. 그러나 뇌에서는 특정한 과제를 수행하지 않는 안정상태에서도 끊임없이 뇌활성이 나타나기 때문에, 과제에 따른 뇌활동을 보다 정확하게 평가하기 위해서는 과제 전 최적의 베이스라인을 설정한 후 안정 시와 과제 수행 시를 비교할 필요가 있다. 이러한 과정을 통해 NIRS는 과제 제시 전 안정시로부터 어떠한 뇌 혈류동태변화가 나타났는지를 평가할 수 있고, 이를 통해 정확히 과제로 인한 뇌활성의 변화를 계측할 수 있다.

지금까지 운동의 구성하는 신체의 움직임과 관련된 기본적인 메커니즘과 관련된 뇌영역은 대부분 조사되어 있기 때문에[24], 운동과학분야의 연구자들에게는 실제 운동의 과정에 있어 뇌가 어떻게 작동하고 관련되어 있을 지와 같은 주제에 대한 관심이 높을 것이다. 예를 들어, 운동 선수와 일반인이 동일한 동작을 수행함에 있어서 뇌의 반응 또는 구조적으로 어떠한 차이가 나타날 것인지, 또는 연습을 통해 나타난 행동의 변화가 뇌에서는 어떻게 반영되어 나타날 지 등 수많은 운동과학분야에서 다룰 수 있는 연구과제에 NIRS의 적용 가능할 것이다. 또한 이러한 연구문제를 밝히기 위해 적절한 운동과제를 구성하고, 운동 중 NIRS를 이용하여 과제 관련 대뇌 활성의 변화를 측정하면 해답을 찾을 수 있을 것이라 판단하기 쉽다.

그러나, 운동 중 실험참가자의 두부에 NIRS 탐침을 설치하면, 먼저 몸의 움직임에 의한 노이즈가 운동 중 두부의 움직임량에 비례하여 증가하게 될 뿐만 아니라, 신경활동의 항진과 무관한 체내 혈류량이 운동 강도에 비례하여 증가하여[12,25], NIRS로 운동과제에 따른 대뇌 활성의 변화에 대한 정확한 계측이 거의 이루어 지지 않게 된다. NIRS가 일상생활 중에 나타날 수 있는 체동에는 비교적 강하더라도, 운동과 같은 격렬한 신체활동이 수반하는 체동에 의한 노이즈 발생은 반드시 고려해야 한다. 또한 NIRS 측정 경로(광로) 속에 위치한 두피 내의 운동으로 인한 혈류량의 증가 등은 신경활동의 지표가 되는 헤모글로빈 시그널의 베이스 라인에 영향을 주기 때문에 이러한 문제를 잘 제어할 수 있는 운동과제나 실험 조건을 면밀히 검토하지 않으면, NIRS로 측정한 결과의 해석에는 제한이 따를 수 밖에 없다. 따라서 본 총설에서는 운동과제 중 전전두엽 피질에서 일어나는 변화를 NIRS로 측정한 논문은 제외하였다.

지금까지 높은 수준의 신체활동량이나 체력, 특히 높은 수준의 유산소성 운동 능력을 가진 개인이 비활동적 생활습관으로부터 기인되는 성인병의 유병율이나, 사망률 등과 부적 상관이 있다는 많은 연구 결과들이 발표되었지만, 이들이 후기 고령기의 치매 유병율 등과 밀접한 관련이 있는 것으로 알려진 전전두엽이 담당하는 집행기능과 어떠한 관계가 있는지, 또는 집행기능을 담당하는 전전두피질의 신경활성(또는 oxyHb의 국소혈류변화)에 미치는 영향에 대해서는 잘 알려져 있지 않았다. 최근, 연구자들은 전전두엽의 기능을 평가하기 위한 적절한 인지 과제와 과제 수행 중 전전두엽 피질의 헤모글로빈의 동태 변화를 평가할 수 있는 NIRS 시스템을 동시에 적용함으로써, 전술한 연구 문제에 대한 해답을 제시하고자 하였다(Table 1).

먼저, 건강한 젊은 성인을 대상으로 신체활동 설문지를 이용하여 신체활동 수준이 집행기능에 미치는 영향을 분석한 연구 결과에 따르면, 높은 수준의 신체활동량은 일반적인 인지적 조절능력(Stroop interference) 뿐만 아니라, 감정과 관련된 인지적 조절능력(cognitive reappraisal success)과 높은 수준의 정적 상관을 가지는 것으로 나타났으며[31], 특히, 높은 수준의 신체활동량을 가진 사람일수록 부정적인 내용을 담은 사진에 대한 전전두엽 피질의 활성이 감소하는 것(oxyHb 변화의 감소)으로 나타났다. 이는 습관적인 운동이 감정적인 자극에 의한 스트레스에 대한 저항력을 키워줄 수 있다는 것을 의미한다[32]. 또한, Goenarjo et al.[33]도 신체활동 설문지(GPAQ)를 사용하여, 세계보건기구(2009)에서 제시하고 있는 신체활동 가이드라인에 부합하는 활동적 생활습관(150 min/week 이상)을 가지고 있는 사람들이 그렇지 않은 사람들보다 전전두엽의 기능을 평가하는 Stroop 과제 수행 능력이 높았을 뿐만 아니라, 보다 인지적 조절 능력이 요구되는 switching 과제를 수행하는 동안 더 많은 oxyHb의 변화가 나타남을 제시하고 있다. 신체활동 설문지 보다 객관적인 신체활동량에 대한 정보를 획득할 수 있는 가속도계 기반의 신체활동량계를 사용한 연구에서는 신체활동량이 높은 노인이 Stroop 과제 중 인지적 조절이 가장 많이 요구되는 과제의 반응시간 즉 퍼포먼스가 비활동적 노인에 비해 높다는 것을 보고 하였다. 또한 이 연구에서는 노인의 신체활동량 중에서, 중 ·고강도의 신체활동량이 집행기능을 나타내는 반응시간과 부적 상관을 가지고 있으면서, 동시에 과제 중 oxyHb 반응과는 정적 상관관계가 있음을 보고 하였다[34].

신체활동량 뿐만 아니라, 유산소성 운동능력의 대표적인 지표인 최대산소섭취량(또는 최고산소섭취량)과 집행기능 및 그에 따른 신경 기전에 대한 다수의 연구가 보고되고 있다. Dupuy et al.[35]은 젊은 여성과 노인 여성을 대상으로 전전두엽의 기능을 평가하는 다양한 인지과제(Stroop, Trail making A and B 등)를 이용하여 집행기능과 유산소성 운동 기능의 관계를 규명하였는데, 최대산소섭취량이 높은 여성일수록 집행기능 과제에 대한 반응시간이 빠르며, 특히 집행기능과 인지적 조절을 담당하고 있는 것으로 알려진 우반구의 inferior frontal gyrus에서 Stroop 과제 중 oxyHb의 농도 변화가 높게 나타난 것을 보고 하였다. 66명의 노인을 대상으로 한 연구에서는 Trail making A/B 과제를 이용하여 집행기능과 관련이 높은 Trail making B를 수행하는 시간이 빠른 사람이 심폐지구력(최대산소섭취량)이 높다는 사실을 밝혀냈으며, 매개 분석을 통하여 체력이 높은 사람들에게서만 과제 수행 중 높은 수준의 피질의 산소화(oxygenation)가 높은 집행기능 수준을 이끌고 있음을 나타내고 있다[36]. 젊은 성인을 대상으로 한 연구에서도 최대산소섭취량이 높을수록 Stroop 과제에 의한 간섭(반응시간)이 낮게 나타나며, 낮은 반응시간과 좌반구 배외측 전전두엽 피질의 활성 간에 유의한 상관이 있음을 보고하고 있다[37]. 이외에도 낙상 유무에 따른 집행기능을 담당하는 전전두엽 피질의 활성의 차이를 보고한 연구에서는 cingulo-frontal parietal network을 활성화시키는 것으로 알려진 (multi-source interference task, MSIT) 과제 수행력은 낙상의 유무에 따른 차이가 나타나지 않았지만, 낙상을 경험한 사람일수록 과제를 정확하게 수행하기 위하여 더 많은 피질을 동원하는 것으로 나타났다[38].

이와 같이, 노인 뿐만 아니라 젊은 성인에게도 높은 수준의 신체활동량이나 체력 수준을 유지하는 것은 인지적 조절 능력과 같이 전전두엽이 담당하고 있는 집행기능을 높게 유지하게 해주며, 이러한 신경학적 배경에는 전전두엽의 신경활성을 나타내는 과제 중 oxyHb이 전전두피질이 담당하고 있는 과제 수행에 의해 원활히 동원되어 과제의 수행력을 향상시키기 때문인 것으로 판단된다.

지금까지 장기적이며 습관적인 운동은 건강 관련 체력 요소의 개선을 통하여 인지기능 향상에 긍정적인 효과를 가지는 것으로 알려져 있다. Colcombe et al. (2004, 2006)은 건강한 고령자를 대상으로 6개월간 주 3회의 빈도로 1시간의 중강도 유산소 운동을 시킨 결과, 전전두엽을 중심으로 한 회백질과 백질의 체적이 증가했다는 것을 MRI 연구를 통해 밝혔다. 또한, 1-2년간의 운동 중재에 의하여 노화에 의한 해마의 위축이 제한되며, 동시에 해마가 담당하고 있는 기억력이 향상된다는 것을 보고하고 있다[8]. 이러한 연구 결과는 장기적 운동을 통한 뇌의 구조적 변화가 인지기능 향상과 관련되어 있음을 나타내고 있으나, 1-2년이라는 오랜 기간의 운동에 의해 나타나는 구조적 변화에 선행하여 나타날 것으로 예상되는 뇌의 기능적 변화에 대한 연구는 부족한 실정이다. 최근 전전두엽이 담당하고 있는 집행기능을 평가하기 위한 인지과제 중 전전두엽 피질에서 일어나는 신경활동과 관련된 국소 뇌혈류 변화, 즉 헤모글로빈의 동태 변화를 다채널의 NIRS로 측정함으로써 장기적인 운동에 의해 나타나는 뇌의 기능적인 변화를 밝히고자 하는 연구들이 진행되고 있다[41–44] (Table 2).

건강한 젊은 성인 42명(오른손잡이 대학생, 26명 여학생)을 대상으로 8주 동안 90분간의 Banduajin(기공의 한 종류) 운동을 주5회 실시한 후, Flanker 과제(block design; 8 block)를 이용하여 장기간의 운동 중재가 집행기능에 미치는 영향을 검토한 연구에서는, 운동 중재 그룹의 학생들이 비교적 어려운 과제인 불일치(incongruent) 과제에서 더 나은 수행을 나타냈으며, 이때 불일치 과제 중의 oxyHb의 농도 변화의 증가, 즉 좌반구의 전두엽 피질의 신경활성이 나타났음을 보고하고 있다[41]. 기공과 비슷한 강도를 가진 Tai chi Chuan (TTC)을 45분씩 주 3회 8주간 건강한 노인을 대상으로 실시한 후, 위와 동일한 Flanker 과제를 이용하여 운동 중재 효과를 분석한 연구에서는 젊은 성인과 마찬가지로 불일치과제에 의한 반응시간이 일상생활을 수행한 통제군에 비해 유의하게 감소한 것을 보고하였다. 또한 이러한 실행 기능의 향상의 신경 기전으로서 Flanker 과제를 수행하는 동안 통제군에 비해서 좌반구에서의 기능적 신경활동의 항진이 나타났음을 보고하고 있다. 이러한 연구 결과는 fMRI를 이용하여 40명의 노인을 대상으로 TCC 운동의 중재 효과를 분석한 연구 결과(middle frontal sulcus의 두께 향상)와 상응하는 결과로서[45], Flanker 과제 수행에 중요한 뇌 부위의 신경활성 항진과 이로 인한 구조적 변화를 통해 집행기능이 향상되었을 가능성을 시사하고 있다.

노인들의 경우, 유산소성 운동 능력뿐만 아니라 근기능의 향상을 도모할 필요성이 제기되고 있기 때문에, 노인을 대상으로 한 운동 중재의 경우, 다양한 형식의 운동이 인지기능에 미치는 효과에 대한 연구도 진행되고 있다. 먼저, Liao et al.[44]은 신체적 기능이 떨어지는 허약한 46명의 노인들을 대상으로 12주간의 주당 3회 60분간 진행된 복합운동(combined physical exercise, CPE)과 가상 공간 안에서 이루어진 복합운동(3D 공간 안에서 이루어진 운동, exergaming, EXER)의 운동 중재 효과를 분석한 연구에서는, Montreal Cognitive Assessment (MoCA)를 이용하여 전반적인 인지기능의 변화를 평가하였으며, 전통적인 복합운동(CPE) 중재가 집행기능을 포함한 전반적인 인지기능의 향상을 가져온 것 이상으로 가상공간에서의 복합운동(EXER) 중재가 효과적이라고 보고하고 있으며, 특이적으로 기존의 연구와는 다르게 전전두엽의 신경활성이 운동 중재 이후에 감소되었음을 보고하고 있다. 하지만 운동 중재 이후 과제에 대한 신경활성의 감소의 이유로 신경의 과활성(hyperactivation)은 주로 노인들에게 주로 발생하며, 젊은 성인과 비교하여 기존 과제를 담당하고 있던 뇌 부위의 기능적 저하에 대한 보상의 형태로 나타나기 때문에[46–48], 운동 중재의 결과 과활성이 나타나는 것이 좋은 지표라 할 수 없다. 오히려, 12주간 운동중재로 인해 인지과제를 수행함에 있어서 나타난 신경활성의 저하를 과제-효율적 신경활동의 변화라 추정하는 것, 즉 과제와 관련된 신경활성 효율(neural efficiency)이 높아진 것으로 해석하는 것이 타당하다고 판단할 수 있다.

흥미롭게도 Coetsee et al.[42]은 세가지의 서로 다른 운동의 강도와 형식을 가진 운동 프로그램을 구성하여 16주간 비활동적인 노인의 집행기능에 미치는 영향을 한 연구에서 비교 검증하였다. 이 연구에서는 최대심박수를 활용하여 중강도(HRmax의 70-75%)와 고강도(HRmax 의 90-95%)의 기준을 나누었으며, 근력 운동의 경우 10 Repetition maximum을 기준으로 점증적으로 부하를 증가시켜 나가는 방식을 차용하여 주당 3회, 50분간의 운동을 진행하였다(Table 2). 24개의 naming 조건과 24개의 executive 조건으로 구성된 Stroop 과제(Block design)를 통해 평가한 집행기능에 각각의 운동 중재는 효과적이지 못한 것으로 나타났지만, 중강도 지속운동이나 고강도 간헐운동의 형식으로 진행된 유산소 운동 프로그램의 경우 운동 후 인지과제 수행 중의 oxyHb의 농도 변화, 즉 신경활성이 더 낮아졌음을 보고하였다. 이는 전술한 복합운동의 결과 나타난 과제 관련 신경활성의 효율이 증대된 결과와 유사한 것으로, 운동 중재로 인한 인지기능의 향상은 나타나지 않았지만 과제를 수행하는 데 필요한 신경자원이 효율적으로 활용되고 있음을 나타내고 있다.