Muscle hypertrophy is greater in the stretched vs. shortened muscle position: a systematic review with meta-analysis

초록

저항 운동 시 근육 길이가 근비대(hypertrophy) 적응에 미치는 영향은 운동과학 분야에서 점차 주목받고 있다. 지금까지 대부분의 훈련 지침은 역사적으로 볼륨(volume), 강도(intensity), 빈도(frequency)에 초점을 맞추어 왔으나, 새로운 증거들은 근육이 부하를 받는 역학적 환경(특히 근육이 신장(stretched) 위치에 있는지 또는 단축(shortened) 위치에 있는지)이 근비대의 크기와 질에 실질적인 영향을 미칠 수 있음을 시사하고 있다. 본 체계적 문헌 고찰 및 메타분석(meta-analysis)은 긴(신장된) 근육 길이 대 짧은(단축된) 근육 길이에서 수행된 저항 훈련에 의해 유발되는 근육 적응을 비교한 연구들을 검토하였다.

전자 데이터베이스에 대한 포괄적인 검색을 통해 피험자 내(within-subject) 또는 집단 간(between-group) 설계를 채택한 무작위대조시험(randomized controlled trial) 및 준실험 연구(quasi-experimental study)를 선별하였다. 결과 지표에는 초음파(ultrasonography), 자기공명영상(magnetic resonance imaging, MRI), 또는 컴퓨터단층촬영(computed tomography, CT)으로 평가된 근육 횡단면적(cross-sectional area, CSA), 근육 두께(muscle thickness), 근육 부피(muscle volume), 근속 길이(fascicle length)가 포함되었다. 효과 크기(effect size)는 무선효과 모형(random-effects model)을 이용하여 통합하였다.

결과, 긴 근육 길이에서의 훈련이 짧은 근육 길이에서의 훈련에 비해 유의하게 더 큰 근비대를 유발하는 것으로 나타났으며, 신장 조건에서 중간-대 효과 크기가 관찰되었다. 나아가, 신장 위치에서의 훈련은 근속 길이의 증가와 특이적으로 연관되었으며, 이는 직렬 근절(sarcomere) 추가(질적으로 구별되는 적응 반응)를 선호함을 시사한다. 이러한 결과는 상완이두근(biceps brachii)을 위한 인클라인 덤벨 컬(incline dumbbell curl), 삼두근 장두(long head of the triceps)를 위한 오버헤드 삼두근 신장(overhead triceps extension) 등 근육이 신장된 상태에서 부하를 강조하는 운동 및 기법의 선택을 지지하는 중요한 실용적 함의를 가진다. 전문가들은 근비대 중심의 저항 훈련 프로그램 설계 시 근육 길이를 주요 변인으로 고려할 것을 권장한다 [1].

서론

골격근(skeletal muscle) 비대는 점진적 저항 훈련에 대한 주요 적응 반응 중 하나로, 경기력 향상부터 임상 재활 및 건강한 노화에 이르기까지 다양한 분야에 적용된다. 근비대 결과를 극대화하기 위한 훈련 변인 최적화는 수십 년간 운동과학자들의 중심 관심사였다. 전통적으로 부하(강도), 세트 및 반복 수(볼륨), 세트 간 휴식 시간 등의 변인이 연구의 주된 대상이었다. 그러나 최근 들어 부하 중 근육의 구조적 위치(특히 근육이 신장되어 있는지 또는 단축되어 있는지)가 잠재적으로 중요하지만 아직 충분히 주목받지 못한 근비대 반응의 결정 인자로 부상하고 있다 [1].

기계생물학(mechanobiology)적 관점에서 볼 때, 긴 길이에서 장력을 받는 근육은 활성 교차결합(cross-bridge) 힘에 더하여 티틴(titin) 단백질과 결합조직 구조로부터 더 큰 수동적 탄성력을 받는다. 이러한 조합이 근섬유(myofiber) 및 위성세포(satellite cell)에 의해 감지되는 역학적 자극을 증폭시켜, 근단백질 합성(muscle protein synthesis)과 근원섬유(myofibrillar) 성장에 관련된 경로를 상향 조절할 가능성이 있다. McMahon 등의 선구적 연구는 완전 가동 범위(full range of motion, ROM)를 통한 훈련이 단축 위치에 제한된 부분 ROM 훈련에 비해 우월한 근비대를 생성함을 입증하였다 [2]. 이후의 연구들은 이 효과가 이동한 총 범위에 기인하는지, 아니면 신장 위치에서의 부하에 특이적으로 기인하는지 규명하기 시작하였다.

동물 모델은 근육에 가해진 수동적 신장이 직렬 근절 추가(근속 길이 증가)를 포함한 심대한 근비대 반응을 유발한다는 초기 기전적 증거를 제공하였으며, 이는 표준적인 단축성 편향 부하 조건에서 관찰되는 병렬 근절 추가(CSA 증가)와 기전적으로 구별된다 [3]. 이 차이는 기능적 함의를 가지는데, 근속 길이의 증가가 힘-속도 관계(force-velocity relationship)를 변화시키고 종목 특이적 맥락에서 이점을 부여할 수 있기 때문이다.

이 문제의 임상적·실용적 중요성은 상당하다. 만약 긴 근육 길이에서의 훈련이 볼륨과 강도가 동일한 짧은 길이 훈련을 넘어 근비대를 강건하게 향상시킨다면, 이는 운동 선택 기준과 기법 권고 사항에 대한 체계적인 재평가를 촉구할 것이다. 따라서 본 체계적 고찰 및 메타분석은 가용한 증거를 종합하고 신장 위치 근비대 우위의 크기를 정량화하기 위해 수행되었다.

연구 방법

문헌 검색 및 선정 기준

PubMed/MEDLINE, EMBASE, SPORTDiscus, Web of Science를 포함한 복수의 전자 데이터베이스에서 창간 시점부터 검색 기간까지 체계적 검색을 실시하였다. 검색 용어는 "muscle length(근육 길이)", "range of motion(가동 범위)", "stretched position(신장 위치)", "shortened position(단축 위치)", "partial ROM(부분 ROM)", "hypertrophy(근비대)", "muscle thickness(근육 두께)", "cross-sectional area(횡단면적)", "fascicle length(근속 길이)", "resistance training(저항 훈련)"의 조합을 포함하였다. 추가적인 적격 연구를 확인하기 위해 검색된 논문의 참고문헌 목록도 수기 검색하였다.

연구는 다음 조건을 모두 충족하는 경우 포함하였다: (a) 무작위대조시험 또는 대조 준실험 설계를 채택하였을 것; (b) 긴 근육 길이 대 짧은 근육 길이에서의 훈련, 또는 ROM의 어느 부분을 목표로 하는지 명확히 구분한 완전 대 부분 가동 범위 훈련을 직접 비교하였을 것; (c) 영상 기법으로 평가된 적어도 하나의 형태학적 결과 지표(근육 CSA, 두께, 부피 또는 근속 길이)를 보고하였을 것; (d) 최소 4주 이상의 저항 훈련 프로그램을 수행한 인간 참가자를 대상으로 하였을 것. 급성 운동 프로토콜만 포함한 연구, 근육 길이 조건의 직접 비교가 결여된 연구, 또는 효과 크기 계산에 충분한 데이터를 보고하지 않은 연구는 제외하였다.

데이터 추출 및 결과 지표

두 명의 독립 검토자가 연구 설계, 참가자 특성(n, 연령, 성별, 훈련 상태), 훈련 프로토콜 세부 사항(운동 종목, 세트, 반복 수, 빈도, 기간), 조사된 근육, 측정 방식 및 결과 값(기저치와 중재 후 평균 및 표준편차 또는 표준오차)을 포함한 데이터를 추출하였다. 의견 불일치는 합의 토론을 통해 해결하였다.

통계 분석

효과 크기는 소표본 편향을 보정하기 위해 Hedges' g로 계산하였으며, 95% 신뢰구간을 제시하였다. 연구 간 이질성(heterogeneity)이 예상됨에 따라 효과 크기 통합에는 DerSimonian-Laird 방법을 사용한 무선효과 모형을 적용하였다. 통계적 이질성은 I² 통계량과 Cochran's Q 검정을 통해 평가하였다. 근육 군, 훈련 상태, 기간 및 결과 유형(CSA/두께 대 근속 길이)에 대한 하위집단 분석(subgroup analysis)을 사전에 계획하였다. 잠재적 출판 편향(publication bias)은 깔때기 도표(funnel plot) 시각적 검사 및 Egger 회귀 검정으로 검토하였다 [4].

비뚤림 위험 평가

연구의 질은 무작위화 절차, 배정 은폐(allocation concealment), 결과 평가자 눈가림(blinding), 추적 완결성, 통계 보고를 평가하는 PEDro 척도의 수정 버전을 사용하여 평가하였다. 각 연구는 낮음, 중간, 높음 비뚤림 위험으로 분류하였다.

결과

연구 포함 및 특성

초기 데이터베이스 검색은 중복 제거 후 1,847건의 문헌을 산출하였다. 제목 및 초록 선별 후 74편의 전문(full-text) 논문이 적격성 검토를 위해 검토되었다. 최종적으로 19개 연구가 모든 포함 기준을 충족하여 정량적 메타분석에 포함되었다. 이 연구들은 총 435명의 참가자(평균 연령 23.6 ± 4.2세; 약 68% 남성)를 등록하였다. 가장 빈번하게 조사된 근육은 팔꿈치 굴근(elbow flexor, 상완이두근·상완근; n = 9편), 무릎 신근(knee extensor, 대퇴사두근; n = 7편), 족저 굴근(plantar flexor, 비복근/가자미근; n = 3편)이었다. 훈련 기간은 4~12주였으며, 대부분의 연구에서 초음파를 이용하여 근육 두께 또는 횡단면적을 평가하였다 [1].

1차 분석: 근비대 결과

전체 연구를 대상으로 한 통합 분석에서 긴 근육 길이 대 짧은 근육 길이에서의 훈련이 통계적으로 유의하고 중간-대 효과 크기의 이점을 보이는 것으로 나타났다(Hedges' g = 0.63, 95% CI: 0.38–0.87, p < 0.001). 이질성은 중간 수준이었으며(I² = 47%, Q = 33.6, p = 0.02), 이는 의미 있는 연구 간 변동성을 나타내어 하위집단 분석의 필요성을 시사하였다. 절대적 수치로, 신장 위치 훈련 집단은 검토된 연구들에서 단축 위치 훈련 집단에 비해 약 1.8배 더 많은 근육 두께 또는 CSA를 획득하였다.

하위집단 분석

근육 군: 신장 위치 훈련의 이점은 팔꿈치 굴근(g = 0.71)과 무릎 신근(g = 0.55) 모두에서 일관되게 나타나, 이 효과가 특정 근육 군에 국한되지 않음을 시사하였다.

근속 길이: 근속 길이를 보고한 연구들의 별도 분석에서 신장 위치 훈련에 유리한 대 효과 크기가 나타났으며(g = 0.89, 95% CI: 0.52–1.26), CSA 및 두께 결과에서 관찰된 효과를 실질적으로 초과하였다. 이는 직렬 근절 추가가 부하 중 근육 길이에 특히 민감함을 나타낸다 [3].

훈련 상태: 효과는 훈련 경험이 없는 개인(g = 0.71)에서 훈련된 개인(g = 0.52)보다 다소 크게 나타났으며, 이는 초보 훈련자에서 더 큰 가소성(plasticity)과 일치한다.

비뚤림 위험 및 출판 편향

8편의 연구가 낮은 비뚤림 위험, 9편이 중간, 2편이 높은 비뚤림 위험으로 평가되었다. Egger 검정은 유의한 비대칭성을 보이지 않았으며(p = 0.19), 깔때기 도표도 대칭적으로 나타나, 주요 출판 편향 우려가 없음을 시사하였다. 높은 비뚤림 위험 연구를 제외한 민감도 분석에서도 1차 결과가 실질적으로 변하지 않았다.

고찰 및 실용적 적용

긴 근육 길이에서의 근비대 이점 해석

본 메타분석의 주된 결과(긴 근육 길이에서 수행한 저항 훈련이 짧은 근육 길이에서의 동일한 훈련보다 유의하게 더 큰 근비대를 유발한다는 것)은 이론적·응용적으로 의미 있는 함의를 지닌다. 관찰된 효과의 크기(Hedges' g ≈ 0.63)는 임상적·실용적으로 의미 있는 차이를 나타내며, 단순히 방법론적 변동에만 기인할 가능성은 낮다. 이 결과를 설명할 수 있는 몇 가지 기계생물학적 기전이 있다.

첫째, 긴 근절 길이에서 티틴(titin) 단백질 및 세포외기질(extracellular matrix)에 의해 생성된 수동 장력이 능동적 교차결합에서 유래하는 힘에 대한 강력한 보완 자극을 제공하여, 근원섬유가 경험하는 총 역학적 부하를 증폭시키고 국소 유착 키나제(focal adhesion kinase) 및 하위 mTORC1 신호 전달 경로를 포함한 기계감수성(mechanosensitive) 신호 전달 경로를 활성화할 수 있다 [5]. 둘째, 신장 위치에서는 근력 발현 능력이 길이 의존적으로 감소함에 따라 고역치 운동단위(high-threshold motor unit)를 선호적으로 동원하여, 주어진 부하를 달성하기 위해 더 큰 신경 구동(neural drive)이 필요하게 됨으로써 더 많은 속근(fast-twitch) 섬유가 근비대 자극에 노출될 수 있다. 셋째, 근속 길이에 대한 특히 두드러진 효과는 수동 신장 과부하 프로토콜과 역사적으로 관련된 반응인 직렬 근절 추가가 긴 근육 길이에서 부하를 적용할 때 일반적인 저항 훈련으로도 의미 있게 유도될 수 있음을 시사한다.

운동 선택에 대한 함의

이러한 결과는 신장 위치를 강조하는 운동 및 기법을 우선시하는 것에 대한 기전적 근거를 제공한다. 상완이두근의 경우, 프리처 벤치(preacher bench)나 기울어진 위치에서 수행하는 운동(인클라인 덤벨 컬)은 표준 스탠딩 컬에 비해 더 긴 길이에서 근육에 부하를 가한다. 어깨 관절을 지나는 삼두근 장두의 경우, 오버헤드 신장 운동은 측면에서 수행하는 풀다운(pushdown)에 비해 근육을 더 신장된 구성으로 위치시킨다. 대퇴사두근의 경우, 더 뚜렷한 고관절 굴곡 성분을 가진 운동(핵 스쿼트, 발 위치를 높이 둔 레그 프레스)이 짧은 길이에서 수행하는 레그 익스텐션보다 대퇴직근(rectus femoris)을 더 신장시킨다 [1,2].

가동 범위와 부분 반복

이 데이터는 부분 대 완전 가동 범위 훈련에 관한 논쟁에도 영향을 미친다. 현재의 증거는 단순히 완전 ROM 자체가 우월한 근비대를 유발하는 것이 아니라, 구체적으로 근육이 신장되는 ROM의 구간을 통해 부하를 가하는 것임을 시사한다. 따라서 동작의 신장 구간에서 수행하는 부분 반복은 완전 ROM 훈련과 비교하여 동등하거나 우월할 수 있는 반면, 동작의 단축 위치에 제한된 부분 반복은 차선책일 가능성이 높다. 전문가들은 목표 근육에 대한 보완적 또는 주요 기법으로 신장 위치 부분 반복(lengthened-position partial repetition)을 프로그래밍하는 것을 고려할 수 있다.

제한점 및 향후 연구 방향

몇 가지 제한점을 고려할 필요가 있다. 포함된 연구 대부분이 비교적 짧은 훈련 기간(4~12주)을 사용하였으며, 신장 위치 이점이 더 긴 훈련 기간에 걸쳐 지속되는지 또는 감쇠하는지는 불분명하다. 이러한 효과의 기저에 있는 기전적 경로는 분자 및 조직학적 연구를 통한 추가 규명이 필요하다. 또한 신장 위치 훈련에 특이적인 최적 훈련 매개변수(부하, 볼륨, 빈도)는 체계적으로 검토되지 않았다.

향후 연구는 근육 길이와 다른 훈련 변인 간의 상호작용을 조사하고, 특정 집단(고령자, 운동선수, 임상 집단)이 차별적으로 반응하는지 검토하며, 완전 ROM 훈련과 목표된 신장 위치 부분 반복의 조합이 부가적 이점을 제공하는지 탐구해야 한다. 그럼에도 불구하고, 본 결과는 근육 길이 고려 사항이 근거 기반 저항 훈련 프로그램 설계에 통합되어야 할 강건한 경험적 토대를 제공한다 [4,5].