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Effective Approach to Improving Cognitive Function in the Elderly: Focused on Cognitive-exercise Combination Program
Korean J Clin Geri 2020 Dec;21(2):47-53
Published online December 30, 2020;  https://doi.org/10.15656/kjcg.2020.21.2.47
Copyright © 2020 The Korean Academy of Clinical Geriatrics.

Sang Wook Park1 , Jung Wan Kim2

1Department of Speech Pathology, Daegu University Graduate Program, Gyeongsan; 2Department of Speech Pathology, College of Rehabilitation Sciences, Daegu University, Gyeongsan, Korea
Correspondence to: Jung Wan Kim, Department of Speech Pathology, College of Rehabilitation Sciences, Daegu University, 201 Daegudae-ro, Jillyang-eup, Gyeongsan 38453, Korea. E-mail:?Kimjungwan@daegu.ac.kr
Received July 30, 2020; Revised August 31, 2020; Accepted September 9, 2020.
This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.
 Abstract
Exercise is a method that can be used to improve cognitive functions in the elderly since exercise is known to increase blood flow to the brain which positively changes the electrical signals of the brain cortex. Exercise is also known to improve physical function. It has been found that exercise can synergistically interact with various types of cognitive interventions. This has led to an increased interest in a dual-task intervention that combines cognitive tasks and exercise. Although the concept of a dual-task intervention has gained interest, most studies have only applied basic tasks for the purpose of theoretical establishment. In other words, there is a lack of cognitive-exercise combined programs that can be applied in a clinical setting. Therefore, the we examined studies that dealt with the effectiveness and basic theories of cognitive-exercise dual-task interventions for the elderly and patients with cognitive impairments. This study aimed to lay the foundation for the development of a program that could be safely and effectively applied in a clinical setting.
Keywords : Cognition, Dual-task intervention, Elderly, Exercise
서 론

운동은 신경세포와 혈관의 생성, 신경 영양∙성장 인자의 증가와 같은 생물학적 변화를 촉진하여, 뇌의 구조 및 기능 향상을 유도한다[1,2]. Heyn 등[3]은 운동 중재가 정상 노인(Normal Elderly, 이하 NE)에게만 한정되는 것이 아니라 경도인지장애(Mild Cognitive Impairment, 이하 MCI), 알츠하이머병(Alzheimer’s disease, 이하 AD)과 같은 인지 기능 저하를 보이는 신경장애 환자들에게도 중요한 요소가 될 수 있음을 밝혔다. Burns 등[4]은 AD군의 유산소 능력과 뇌위축의 상관성을 연구하였는데, NE군은 유산소 능력과 뇌위축 간 유의한 상관이 없으나, AD군에서는 유산소 능력이 저하될수록 뇌위축의 정도가 증가하는 부적 상관관계가 있다고 보고하였다. 이는 인지 기능의 저하를 보이는 대상군일수록 운동기능과 인지 기능 사이의 민감성이 강함을 시사하는 것으로, 다른 선행연구들의 결과를 미루어 보았을 때, 인지 기능 저하군은 운동을 통하여 효과적으로 인지 기능의 향상을 이끌어낼 수 있는 집단임을 의미한다. Colcombe와 Kramer [5]의 선행연구 분석에서는 다양한 연령대의 NE군을 대상으로 한 유산소 운동이 전반적 인지 기능에 유의한 향상을 이끌었는데, 그 효과는 운동 처리속도, 공간적 처리과정, 제어처리, 집행기능 모두에서 나타났으며, 그중에서도 접두엽에 의해 통제되는 집행기능에 대한 효과가 가장 크다고 보고하였다.

과제 지향접근법은 크게 단일과제와 이중과제 중재로 분류된다. 인지 기능의 저하와 함께 신체기능 저하가 나타나는 AD군에서는 단일과제 중재보다는 이중과제 중재가 더 효과적이라는 결과가 보고되며[6], 뇌 혈류량의 증가가 광범위한 뇌영역의 활성화를 유도하고, 이로 인해 인지 기능 향상에 더욱 효과적이라는 보고가 있다[7]. 이중과제 중재는 신체활동과 함께 두 가지 이상의 과제가 동시에 실시되는 것으로, NE군을 대상으로 한 이중과제 적용에서, 인지 기능 및 신체기능 모두에 긍정적인 영향을 미친다고 보고되었다[6]. 더불어 우리가 일상생활을 수행하는 동안 많은 활동들이 신체활동뿐만 아니라 인지적 요소들도 동시에 요구하듯이 이중과제 중재는 일상생활과도 높은 관련성이 있다[8]. 이렇듯 인지장애 환자의 뇌를 활성화시키고, 지남력, 기억력, 집행기능 등의 인지 기능 및 일상생활수행력의 향상을 위해 인지 과제를 적용한 이중과제 중재의 필요성은 점차 증가하고 있다.

그럼에도 불구하고 지금까지는 주로 단일과제에 국한하여 연구가 진행되다 보니, 임상현장에서 인지장애 환자들에게 적용할 수 있는 프로그램의 범위에도 제약이 따른다. 이에, 본 연구에서는 인지장애 환자들의 인지 기능 향상에 있어 운동중재 및 인지-운동 이중과제 중재의 효과, 프로그램 적용방법, 최근 연구 고찰 등을 통해 향후 인지-운동 이중과제 프로그램의 고안에서 고려해야 할 요소에 대한 의미있는 기틀을 마련하고자 한다.

본 론

1. 운동과 인지 기능 간의 상관성

신체활동과 운동의 장점은 선행연구에 의해[9] 잘 확립되어 있으며, 오늘날에는 정부기관 또는 노인 관련 협회 및 기관들에 의해 지속적으로 다루어지고 있다. 운동과 인지 기능 사이의 관계는 최근 들어 강하게 강조되었는데[10], 핵심요소는 이러한 능력 간의 인과관계, 즉 인지적 감소에 앞서 이미 감소된 신체적 활동이 그 변화의 원인인지, 아니면 독립적 인지 기능 저하의 결과일 수 있는지의 여부이다[11]. 기존의 연구들은 활동적인 사람들이 인지 기능 저하와 치매 위험도가 낮다는 것을 보여주었는데[12], 유산소운동, 심혈관 건강기능, 집행기능 사이의 상관성은 가장 일관된 연구 결과 중 하나로 간주되었다[5,13]. 유산소운동과 근력운동이 집행기능과[14] 기억력을[15] 향상시킨다는 보고에도 불구하고, 일부 연구자들은 운동 중재가 인지 기능 향상에 작용하는 기전에 대해 의문을 제기하고 있다. 이들은 여러 경로들을 제안하고 있지만 대부분은 최종적 합의에 이르지 못하는데, 인지 기능 저하의 위험인자 감소(예: 심혈관 질환, 인슐린 저항성, 고혈압)에[16] 따른 간접적 영향을 받을 수 있다는 추측이 지배적이다.

2. 운동중재에 따른 신체 생물학적 변화

운동은 신경세포 생성을 촉진하여 뇌 기능을 향상시키는데 효과적인 것으로 알려져 있는데, 대표적으로 뇌유래신경성장인자(brain-derived neurotrophic factor; BDNF), 인슐린유사 성장인자(Insulin like growth factor 1; IGF-1), 혈관내피성장인자(vascular endothelial growth factor; VEGF)가 있다[17].

Berchtold 등[18]은 운동 후 해마에서 신경세포에 의한 BDNF 유전자와 단백질이 증가되는 것을 발견하였고, 이렇게 운동에 의해 증가된 BDNF는 인지 기능의 향상을 촉진하는 것으로도 알려져 있다[19]. Jeon 등[20]은 유산소 운동이 BDNF를 유의하게 증가시켰음을 보고하였고, NE군을 대상으로 한 Erickson 등[21]의 연구에서는 40분 걷기운동을 통해 BDNF가 증가하였고, 인지능력이 향상되었음을 보고하였다.

IGF-1은 세포 분화와 증식을 촉진하고 인슐린을 조절하며, 신경세포, 신경교세포 등에 의해 뇌에서 합성되어 미세혈관의 구조 및 기능, 가소성을 조절한다[22]. 운동은 IGF-1의 흡수를 증가시키고, 뇌 기능 및 인지 기능에 관여하는 것으로 알려져 있는데[23], Carro 등[24]은 운동 후 뇌의 IGF-1을 차단했을 때, 치이랑(dentate gyrus) 신경세포의 확산이 차단됨을 발표하며, IGF-1은 신경 발생의 주요 인자로써 인지능력에 영향을 미친다고 주장하였다.

BDNF와 IGF-1는 해마의 가소성과 운동 효과에 있어 공통적인 기전을 가지고 상호작용하는데[1], Carro 등[23]은 IGF-1이 BDNF를 증가시키는 데 영향을 미친다고 보고하였으며, Arsenijevic과 Weiss [25]는 IGF-1가 BDNF와 동시에 또는 순차적인 활성화를 통해 신경전구물질의 분열을 보조한다고 보고하였다.

VEGF는 신경 및 혈관 신생성에 관여하는 단백질로[26], 해마에서 신경 발생을 일으키는 신경전달물질의 운반 및 유지, 그리고 신경전구세포에 도움을 줌으로써, 신경전구세포들의 생존을 돕는 것으로 알려져 있다[27]. 운동은 VEGF를 효과적으로 제어하는 것으로 알려져 있는데, VEGF는 신경세포 보호와 재형성, 생존에 중요한 요인으로 작용하여 인지 기능과도 상관성이 높다고 알려져 있다[28]. Mateo 등[29]은 AD군과 NE군의 VEGF를 분석한 결과, NE군의 VEGF가 유의하게 높았고, VEGF가 하위 1/3에 해당하는 사람은 상위 1/3에 해당되는 사람에 비해 AD의 위험성이 급격하게 증가한다고 보고하였다.

3. 인지-운동 이중과제가 인지 기능에 미치는 영향

인지재활과 운동을 결합한 이중과제 중재는 상호작용을 통해 더 큰 효과를 이끌어낼 수 있다고 보고되었다[30]. 이는 단일과제만 실시했을 때보다 더 향상된 인지 기능을 보이는 것을 의미한다[6]. 특히, 인지-운동 이중과제 중재를 적용한 집단은 단일과제 중재 적용군과 비교하여 중재 종료 후 추적관찰에서 5년 동안 인지 기능이 지속되는 것으로 보고되었다[31].

Hwang과 Park [32]은 MCI군에게 가상현실 이중과제 중재를 실시한 후, 중재 전후의 뇌파 비교분석을 통해 집행기능과 관련이 깊은 Fp1, Fp2 (전두 영역), 기억력과 관련이 깊은 T3, T4 (측두 영역)에서 유의한 변화가 있음을 보고하였다. 이는 주의력이 향상될수록 전두-두정엽의 활성화가 활발해짐을 보고한 선행 연구와[33] 일치하는 것으로, 이중과제 중재를 실시한 실험군의 뇌파가 긍정적으로 변화됨을 의미한다. 이 밖에도 MCI군에게 운동과 작업기억 과제를 접목한 이중과제 중재의 실시를 통해 α파(집중력), β파(주의력, 인식능력), θ파(안정상태)에서 유의한 정적 변화를 보고한 연구도 있다[34].

인지-운동 이중과제 중재는 인지적 요소와 운동 요소가 번갈아 적용되는 순차적 실시법과 각 요소를 동시에 적용하는 동시적 실시법으로 나누어 볼 수 있다. 이 중에서도 순차적 인지-운동 이중과제 중재의 효과성을 살펴본 연구들은 몇 차례 보고되었다. 운동 전후로 인지자극 훈련을 포함하거나, 요일별로 인지 과제와 운동 과제를 번갈아 실시한 연구 등[35,36]에서 NE군의 기억력과 집행기능의 유의한 향상이 보고되었으며, 주 1-2회 주어지는 각각의 기억력 훈련과 중강도의 에어로빅 훈련을 통해 단일과제만 실시하는 것보다는 기억력 개선에서 유의한 차이가 있었다는 보고가 있다[37].

현재까지 노인의 인지 기능에 대한 순차적 훈련과 동시적 훈련의 효과를 맞비교 한 연구는 존재하지 않는다. 그러나, 인지 과제와 유산소 훈련을 통합한 동시적 인지-운동 이중과제 중재가 노인들의 인지 기능 향상과 관련이 있다는 결과가 존재하고[6], 동시적 이중과제 중재가 이중과제 상황(예: 걷거나 균형을 잡는 동안 청각 신호에 반응하기 등)에서 노인들의 신체기능과 인지 기능 모두에서 긍정적인 변화를 이끈다는 결과들[38]을 통해 이에 대한 연구도 가능해지리라 생각한다.

동시적 인지-운동 이중과제 중재를 통한 인지 기능의 향상은 운동 시 수행하는 2차 주의력 요구에 의해 형성될 수 있다. 언어 및 청각단서에 대한 기능적 반응이 필요한 과제(예: 보행 중 명령에 따라 방향전환) 또는 분산된 주의력이 필요한 과제(예: 보행 중 공 던지기)는 노인의 다중인지 기능을 향상시킨다[39]. 더불어, 언어 및 운동 과제가 동시에 실시된 걷기 운동은 일반적인 치료와 비교하여 낙상 위험성이 증가된 노인의 집행기능을 크게 향상시키며, 낙상 위험을 감소시킨다[40]. 종합적으로 이러한 결과는 주의집중, 반응억제, 계획 및 실행 등과 같이 외부 자극에 반응하는 데 필요한 집행처리 과정이 운동과 결합할 때 인지 기능 향상을 더 효과적으로 유도할 수 있음을 시사한다. 이는 다요소 운동[41], 움직임 기반 운동 훈련[42]을 수행하는 인지장애 환자를 대상으로 한 연구에서 얻은 증거로 뒷받침될 수 있다.

인지-운동 이중과제의 실시 유형은 나라별로 약간의 차이가 나타나는데, 미주권과 유럽권의 경우 대부분 순차적 인지-운동 과제를 실시하는 반면, 아시아권의 경우 주로 동시적 인지-운동 과제를 선호하는 양상을 보인다. 현재 주로 실시되는 인지-운동 과제의 대상군, 과제의 유형, 회기 등에 대한 정보을 Appendix 1에 정리하였다.

4. 인지-운동 이중과제 실시 동향

최근 들어, 인지-운동 이중과제는 디지털 디바이스를 활용한 가상현실 프로그램과 대면접촉을 통한 집단 인지-운동 프로그램으로 구분되는 양상을 보인다.

디지털 디바이스를 활용한 대표적인 가상현실 프로그램으로는 Exergame이 있다. Exergame는 대상자의 신체 움직임을 필요로 하는 비디오게임으로, 다양한 연령에서 인기를 얻고 있으며[43], 신체활동 증가를 도모할 뿐만 아니라 재활 프로그램에서도 활용되고 있다[44]. 몇몇 연구들을 통해 Exergame이 전통적인 운동보다 효과적이라는 것이 입증되었기 때문에 일반적인 중재의 보조 또는 대체하여 사용될 때 유익할 수 있다고 결론지었다[45]. 또한 이중과제나 의사결정 및 작업기억[46]을 통해 대상자의 인지능력에 영향을 줄 가능성이 있는데, 이러한 과제 중 다수가 다양한 인지 과정을 요하기 때문에 동시적 신체활동이 시너지 효과를 극대화하는 데 필수적일 수 있다[47]. 오늘날, Exergame을 대표하는 유형의 디바이스로는 Wii Fit U (Nintendo, 2013)가 있다.

한편 아시아권의 노인관련 기관에서는 많은 인원이 동시에 참여할 수 있는 집단 인지-운동 프로그램에 주목하고 있는데 그 중 대표적인 것으로 Cognicise를 들 수 있다. Cognicise는 운동과 인지자극의 시너지 효과를 유도하기 위해 운동 중 학습과제와 같은 인지적 부하를 제시하는 다요소 운동 프로그램이다. 앞서 밝힌 바와 같이 규칙적인 운동은 노인의 인지 기능 감소의 위험성을 줄이는 데 도움이 된다. 따라서 Cognicise는 인지 기능 저하의 위험성을 감소시키기 위한 목적으로 실시된다. 중재는 보통 15-25명의 참가자가 1개 집단을 이루며, 치료사 2명이 함께 실시한다. 프로그램은 10분의 준비운동 및 스트레칭과 20분의 근력운동으로 시작된다. 그 다음 계단 발판, 보행, 유산소운동 및 균형 조절 등의 요소가 포함된 60분의 프로그램이 진행되며, 이때 유산소운동의 평균 강도는 최대 심박수의 60% 정도로 유지된다. 60분의 프로그램은 대상자가 운동 과제 중에 인지 과제를 수행하는데(예: 걷는 동안 시를 지어 보거나 일련의 숫자를 연속적으로 빠르고 정확하게 암기하기 등), 이때 일반적인 운동 과제보다 낙상이나 골절과 같은 부작용의 위험성이 증가할 수 있으므로, 안전성이 확보된 범위의 운동 과제를 기본으로 하여 동시에 인지 과제를 실시하는 프로그램으로 구성되어 있다. 일본 국립 노년학센터(Japan’s National Center for Geriatrics and Gerontology)에서는 기본적인 프로그램으로 (1) 2인 1조가 되어 보행 중 덧셈과 뺄셈하기, 끝말잇기, (2) 왼발과 오른발을 번갈아가며 계단발판에 오르고, 동시에 3∙6∙9게임하기, (3) 제자리에서 앉았다가 일어서기를 반복하며 동시에 100에서 5씩 빼기와 반대로 5씩 더하기와 같은 활동들을 소개하고 있다[48].

결 론

운동은 인지장애, AD와 관련이 있는 생물학적 지표의 증가에 대응하여 혈관과 신경조직을 효과적으로 보호할 수 있다는 결과가 다수 보고되고 있다[1,49]. 더불어 BDNF와 IGF-1과 같이 운동에 의해 유발된 성장인자의 방출이 신경 및 혈관 생성, 그리고 시냅스 생성에 중요하다는 것을 입증하였다[1,2]. 운동 과제로 유발된 시냅스의 안정성은 시냅스의 활성화에 달려 있고, 인지 과제는 시냅스의 활성화를 유도한다[50]. 새로 생성된 시냅스의 생존, 즉 기존 신경망의 통합은 시냅스의 활성화에 따라 달라지게 되는데, 운동 과제로 인하여 신경생성과 시냅스 생성이 유발되는 동안 생성된 시냅스의 활성화를 촉진하는 반복적 인지 과제의 실시는 신경 생성과 시냅스를 각각의 뇌 회로에 기능적으로 통합하여 인지 기능을 향상시킬 수 있는 것으로 사료된다. 더불어, 이중과제 중재는 뇌실질의 부피를 증가시킴으로써[51], 인지 기능과 밀접한 관련이 있음을 시사한다. 이러한 신경학적 변화는 이중과제 운동[52], exergaming [53]과 같이 인지적 요소가 포함된 운동 과제에 뒤이어 일어날 수 있다는 것을 의미한다.

이중과제 중재는 인지적 요소와 운동이 결합되는 프로그램으로 운동처방 전문가와 인지재활 전문가의 협업이 중요하다. 양 분야의 전문가 참여 아래 적합한 프로그램을 개발하고, 적절한 운동 강도로 안정성이 보장된 인지-운동 이중과제 프로그램의 고안이 필요하며 이를 검증하기 위한 노력도 수반되어야 한다. 이러한 검증을 기반으로, 고령화 사회에서 지속적으로 증가하는 인지장애 환자의 중재에 효과적으로 적용할 수 있는 프로그램의 토대가 마련되기를 기대한다.

Supplemental Materials
KJCG-21-47_Appendix.pdf
CONFLICTS OF INTEREST

No potential conflict of interest relevant to this article was reported.

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December 2020, 21 (2)