[Rothman 7th ed] S1 BASIC SCIENCE - 4. Spinal Musailature: Anatomy and Function

 

Anatomy and Architecture of Spinal Musculature

• Spinal musculature는 기능적으로 다음과 같이 분류된다:
  1. Global muscle system: 체간의 큰 움직임을 담당하며, 길고 강한 근육들로 구성
  2. Local (segmental) muscle system: 척추의 segmental stability와 fine motor control에 관여
• 해부학적으로는 다음과 같이 나눌 수 있다:
  • Extrinsic (superficial and intermediate) back muscles: 사지 및 호흡에 관여. ventral rami 지배
  • Intrinsic (deep) back muscles: 척추의 움직임과 안정성 유지. dorsal rami 지배

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Extrinsic Spinal Muscles

Superficial Layer

• 주로 upper limb 움직임에 관여
• 주요 근육:
  • Trapezius
  • Latissimus dorsi
  • Levator scapulae
  • Rhomboid major/minor
• 이들은 ventral rami 또는 **cranial nerve XI (accessory nerve)**에 의해 지배됨.

Intermediate Layer

• 주로 rib cage movement을 통한 보조적 호흡에 관여
• 주요 근육:
  • Serratus posterior superior
  • Serratus posterior inferior
• 척추 운동보다는 thoracic expansion에 역할

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Intrinsic Spinal Muscles

• 진정한 의미의 deep back muscles로, 모두 dorsal rami에 의해 지배되며, vertebrae, ribs, iliac crest, sacrum에 기시 및 정지한다.
• 기능적으로는 다음과 같은 세 층으로 구분된다:

Superficial Layer: Erector Spinae Group

• 가장 크고 강한 근육군으로, spinal extension, lateral bending, postural control에 주된 역할을 한다.

주요 구성:

1. Iliocostalis (lateral)
2. Longissimus (intermediate)
3. Spinalis (medial)

• 이들은 thoracolumbar fascia에서 기시하여 상방의 ribs, transverse process, mastoid process에 닿는다.

Intermediate Layer: Transversospinalis Group

• 작은 근육들이 사선으로 배치되어 rotation, segmental control, proprioception에 관여한다.

주요 구성:

1. Semispinalis: 가장 긴 근육, cervical과 thoracic에서 두드러짐
2. Multifidus: 각 분절마다 존재, lumbar spine에서 특히 중요
3. Rotatores: 가장 깊고 작음, thoracic spine에서 가장 발달

• 이들은 모두 transverse process에서 기시하여 상부의 spinous process에 정지하며, 위로 1~6개 segment까지 연결된다.

Deep Layer (Segmental Muscles)

• 각 척추 사이의 짧은 연결로 구성되어 미세한 운동 조절에 기여

주요 구성:

1. Interspinalis: spinous process–spinous process
2. Intertransversarii: transverse process–transverse process

• 특히 cervical, lumbar spine에서 발달되어 있으며, fine-tuned proprioceptive feedback 기능이 강조된다.

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Intrinsic Spinal Muscles Specific to the Cervical Spine

• Cervical spine은 고유한 형태의 deep intrinsic muscle을 갖고 있으며, craniocervical stability와 fine motor control에 매우 중요한 역할을 한다.

Suboccipital Muscles

• Occiput–C1–C2 complex은 섬세한 감각 조절 및 위치 인식 기능에 특화되어 있음.
• 이 부위에는 4개의 쌍으로 된 suboccipital muscles이 존재하며, 모두 **suboccipital nerve (dorsal ramus of C1)**에 의해 지배된다.

주요 근육:

1. Rectus capitis posterior major
2. Rectus capitis posterior minor
3. Obliquus capitis superior
4. Obliquus capitis inferior

• 이들 근육은 occipital bone, posterior arch of C1, spinous process of C2 등에 부착되며, 주로 head extension, rotation, lateral flexion에 관여한다.
• 이 부위는 proprioceptive density가 높고, upper cervical dysfunction과 관련된 tension-type headache나 cervicogenic dizziness의 병태와도 연관됨.

Longus Capitis and Longus Colli

• 이 두 근육은 anterior cervical spine에 위치한 중요한 deep neck flexors이다.

Longus capitis:

• 기시: transverse process of C3–C6
• 정지: basilar part of occipital bone
• 기능: cervical flexion, 특히 head-on-neck 안정화

Longus colli:

• 세 부분으로 구성됨:
  • Superior oblique fibers
  • Vertical fibers
  • Inferior oblique fibers
• 전체적으로 cervical spine의 segmental flexion, lordosis 유지, stabilization 기능 수행
• 이 근육들은 anterior shear 저항과 segmental stiffness 조절에 기여하여, 특히 **whiplash-associated disorders (WAD)**에서 기능 손실이 중요한 요인이 됨.

Scalenes

• Anterior, middle, posterior scalene muscles는 transverse process of cervical vertebrae에서 기시하여 1st/2nd rib에 정지한다.
• 주 기능은 다음과 같다:
  • Lateral flexion of the neck
  • Elevation of upper ribs (보조 호흡근 역할)
• 이 근육들은 brachial plexus, subclavian artery와 밀접한 해부학적 관계를 가지며, 과긴장 시 thoracic outlet syndrome의 원인이 될 수 있다.

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Implications of Spinal Muscle Anatomy and Architecture for Motor Control

• 척추 주변 근육의 anatomy와 architecture는 단순한 힘 생성 외에도 neuromuscular control에 중대한 영향을 미친다.
• Local stabilizer system(예: multifidus, transversus abdominis)은 관절의 미세 안정성을 유지하고, segmental shear와 rotational load에 저항한다.
  • 특히 multifidus는 짧은 fiber length, 높은 PCSA, 높은 muscle spindle density를 가지고 있어 proprioception과 미세 조절에 매우 효과적이다.
• 반면, global muscle system(예: erector spinae, rectus abdominis)은 주로 큰 관절 운동을 유도하고 torque generation에 관여한다.
• 운동 제어 측면에서는 feed-forward mechanism이 중요한데, 이는 움직임 이전에 deep stabilizer가 먼저 활성화되어 spinal alignment를 유지하는 방식이다.
  • Chronic low back pain 환자에서는 이 feed-forward 반응의 지연이 흔하게 관찰됨.
• Coordination과 timing은 stability를 위한 핵심 요소이며, 단순히 근력 강화만으로는 완전한 회복이 어렵다.
  • 이는 motor control retraining의 중요성을 시사함.

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Muscle Activation Patterns and Coordination

• 정상적인 움직임에서는 다수의 근육이 동시 또는 순차적으로 활성화되며, 이를 통해 balanced spinal control이 유지된다.
• Electromyographic (EMG) studies에 따르면, 다음과 같은 특징이 확인된다:
  • Multifidus, transversus abdominis는 운동 전에 조기 활성화
  • Erector spinae, rectus abdominis는 움직임 중 후반에 활동 증가
  • Rotational control 시 좌우 비대칭 activation이 관찰됨
• 병적 상태에서는 co-contraction pattern이 증가하거나, 특정 근육의 지연된 활성화, 과도한 사용 등의 maladaptive strategy가 나타난다.
  • 예: low back pain에서 global muscle overactivity와 local muscle inhibition이 흔함
• Motor learning 관점에서, 안정성 회복을 위해서는 muscle synergy, sequencing, timing을 재조정하는 neuromuscular retraining이 필요하다.

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Moment Arm Changes With Posture

• Moment arm은 joint axis로부터 force application point까지의 거리로 정의되며, 이는 torque production과 직접적으로 연관된다.
• 자세에 따라 각 근육의 moment arm은 달라지며, 이는 운동 효율성과 부하 분포에 영향을 준다.
  • 예: extension posture에서는 erector spinae의 moment arm이 짧아지고, flexed posture에서는 길어진다.
• Cervical spine에서는 flexion 시 semispinalis capitis, splenius capitis 등 후방 근육의 moment arm이 증가하며, external load compensation에 유리하다.
• Lumbar spine에서도 flexion이 증가하면 erector spinae는 더 긴 moment arm을 가지지만, 동시에 compressive load도 증가하여 disc pressure 상승을 초래할 수 있다.
• 따라서 임상적으로는 neutral spine posture가 가장 효율적이고 안전한 부하 전달을 제공한다고 여겨진다.

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Implications of Spinal Muscle Anatomy and Architecture for Injury and Pain

• Spinal musculature는 외상이나 만성 통증 상태에 반응하여 구조적, 기능적 변화를 겪는다. 이러한 변화는 injury, disuse, pain inhibition, neuromuscular adaptation 등 다양한 기전으로 발생한다.
• Acute injury 또는 nociception은 다음과 같은 반응을 유발할 수 있다:
  • Inhibition of deep stabilizers (특히 multifidus, transversus abdominis)
  • Overactivation of superficial global muscles
  • Protective co-contraction 증가 → 근육 비효율성 및 에너지 소모 증가
• Chronic pain에서는 다음과 같은 구조적 변화가 관찰된다:
  • Muscle atrophy, 특히 multifidus와 같은 segmental stabilizer에서 뚜렷
  • Fatty infiltration: 주로 MRI에서 관찰되며, 예후 예측 인자로 사용됨
  • Fiber type transformation: Type I fiber 비율 감소, Type II 증가 → 피로 저항성 감소
• 이러한 변화는 lumbar, cervical, thoracic spine에서 공통적으로 관찰되며, 특히 **whiplash-associated disorders (WAD)**나 chronic low back pain에서 중요성이 강조된다.
• 근육의 기능 저하는 단순한 약화뿐만 아니라 motor control impairment, proprioception loss, maladaptive movement strategy를 동반하여 recurrence risk를 증가시킨다.

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Summary

• Spinal musculature는 구조적 다양성과 기능적 특성에 따라 안정성 및 움직임을 정교하게 조절한다.
• Deep segmental stabilizers (예: multifidus, rotatores, interspinalis)는 짧은 섬유와 큰 PCSA, 높은 proprioceptive innervation을 통해 fine control, segmental stability, postural reflexes를 담당한다.
• Global muscles (예: erector spinae, latissimus dorsi)는 큰 움직임과 torque generation에 관여하며, load transfer와 motion production에 기여한다.
• Pain, injury, immobilization에 의해 근육 구조 및 기능은 변화하며, 특히 atrophy, fatty degeneration, delayed activation이 핵심 소견이다.
• 따라서 척추질환의 예방과 재활에는 단순한 근력 강화보다 motor control retraining, segmental stability restoration, sensorimotor re-education이 포함된 다면적 접근이 필수적이다.