본 연구는 다양한 선행연구를 바탕으로 많은 스포츠 선진국에서 다양한 종목의 엘리트 선수들에게 있어 운동수행능력 및 경기력 극대화를 위해 적용하고 있는 자연적・인공적 고지환경에서의 운동 트레이닝의 적용방법과 그에 따른 효용성 검토를 통해 국내 고지 트레이닝 센터 개발 및 활용에 대한 필요성을 강조하고자 한다.
자연적・인공적 고지 트레이닝은 저산소 조건에 대한 혈액학적・비혈액학적인 적응현상을 바탕으로 유・무산소성 운동능력을 개선시키며, 이러한 고지 트레이닝 방법은 LHTH(living high training high), LHTL(living high training low), LLTH(living low training high)로 구분할 수 있다. 1968년 멕시코 올림픽 이후로 개발된 LHTH와 1990년대 Levine과 Stray-Gundersen에 의해 개발된 LHTL은 장시간의 living high를 바탕으로 헤모글로빈 질량 및 적혈구 양 증가와 같은 eryrthropoiesis를 통한 혈액학적 변화에 의해 운동수행능력을 향상시킨다. 반면에, 2000년대 이후부터 지금까지 다양하게 개발되어 온 LLTH는 주로 진공펌프 및 질소발생기를 이용하여 인공적인 고지환경을 조성하며, CHT(continuous hypoxic training), IHT(intermittent hypoxic training) 및 RSH(repeated sprint training in hypoxia)로 구성된다. 일반적으로 LLTH 방법은 3시간 이내의 짧은 시간동안 노출하기 때문에 혈액학적 변화를 유도하지 못하지만, CHT 및 IHT는 골격근과 심장근에서의 다양한 생화학적·구조적 변화를 통해 개선된 운동 경제성, 조직으로의 혈류공급 및 이용, 모세혈관 및 미토콘드리아 밀도, 산화적 효소의 활성도 등을 통해 유산소성 운동능력을 향상시키고, RSH는 해당과정 효소, 글루코스 수성, pH 조절 능력 개선을 통해 무산소성 파워를 증가시키고 반복적인 스프린트 능력을 향상시킨다. 그러나 현재 국내의 경우에는 스포츠 선진국에서 여러 종목의 엘리트 선수의 경기력 향상을 위해 다양하게 적용하고 있는 고지 트레이닝을 적용할 수 있는 시설이 거의 전무할 뿐만 아니라 이에 대한 필요성 인식 또만 매우 부족한 실정이다.
이에 국내에서도 엘리트 선수의 운동수행능력 및 경기력을 극대화할 수 있는 고지 트레이닝 센터에 대한 개발 필요성이 매우 절실하며, 이를 위한 정부 및 지자체들의 많은 지원과 노력이 필요하다.
The purpose of this study is to emphasize the need for the establish and the use of altitude training center via examining exercise training method in natural or artificial altitude environment that is applied to various elite athletes in various advanced countries to maximize exercise performance and its effectiveness.
Altitude training in natural or artificial altitude environment enhances aerobic and anaerobic exercise performance baesd on the hematological and nonhematological adaptations to hypoxic conditions. These altitude training methods can be classified into living high training high (LHTH), living high training low (LHTL), and living low training high (LLTH). LHTH (i.e., developed since the 1968 Mexico Olympics) and LHTL (i.e., developed in the 1990s by Levine and Stray-Gundersen) improve exercise performance via hematologic changes through erythropoiesis such as increased hemoglobin mass and erythrocyte volume. On the other hand, LLTH (i.e., has been developed variously since the 2000s) is composed continuous hypoxic training (CHT), intermittent hypoxic training (IHT) and repeated sprint training in hypoxia (RSH), and the altitude environment is constructed using a vacuum pump and a nitrogen generator. In general, LLTH method dose not induce hematological change in a short time within 3 hours. However, CHT and IHT enhance aerobic exercise capacity by improved exercise economy, supply and utilization of blood to tissues, capillary and mitochondrial densities, and oxidative enzyme activity through various biochemical and structural changes in skeletal muscle and cardiac muscle. RSH enhances anaerobic power and repetitive sprint performance by improving glycolytic enzyme, glucose transport, and pH control. In Korea, however, there are almost no facilities for altitude training that is applied to enhance athletic performance in advanced sports countries and recognition of the need for altitude training is also very poor.
Therefore, it is very urgent to develop altitude training for maximizing athletic performance in Korea and a lot of support and efforts are needed from the government and local governments.
자연적·인공적 고지환경에서의 트레이닝은 과거 수십년간 전세계적으로 유산소성 운동선수들의 경기력 향상을 위해서 활용되어져 왔으며, 오늘날에는 스프린트 및 저항성 종목의 운동선수들에게도 다양한 방법으로 적용될 뿐만 아니라 유·무산소성 운동능력이 모두 요구되는 팀스포츠 선수들의 경기력 향상에도 활용되고 있다(
자연적·인공적 고지환경에서의 트레이닝 방법은 크게 2,000~3,000m 자연적 고지환경에서 생활 및 훈련을 실시하는 living high training high(LHTH), 2,000~ 3,000m 자연적·인공적 고지환경에서 생활하면서 1,500m 이하의 저지대 환경 및 평지 환경에서 훈련을 실시하는 living high training low(LHTL), 평지환경에서 생활하지만 2,000~4,000m의 인공적 고지환경에서 훈련을 실시하는 living low training high(LLTH) 3가지 형태로 나눌 수 있으며, 이러한 트레이닝 방법은 일반적으로 유산소성 운동능력 개선을 목적으로 개발되었으나 최근에는 운동종목 및 트레이닝 목적에 따라서 세부적으로 더 다양하게 분류하여 적용하고 있다(
지구성 운동종목에 있어서 운동수행능력은 전신에서 활동근과 같은 국소부위으로의 산소운반능력(oxygen trasporting capacity)에 의해서 큰 영향을 받는다(
최근에는 무산소성 운동종목 선수들 및 팀스포츠 선수들의 운동수행능력 향상을 위해서 repeatd sprint training in hypoxia(RSH)라는 새로운 자연적·인공적 고지환경에서의 트레이닝 방법이 적용되고 있다. RSH는 일반적으로 2,000~4,000m에 해당되는 자연적·인공적 고지환경에서 4~6주의 기간 동안 30초 이내의 고강도 운동을 10회 이상 반복적으로 실시하는 방법으로 평지환경에서의 인터벌 운동과 비교했을 때 활동근에서 유의하게 더 큰 분자적 수준 및 혈액관류(blood perfusion)의 변화와 보다 더 개선된 젖산에 대한 내성, 산-염기 평형 능력, 해당과정에 관여하는 효소의 활성 등에 의해 무산소성 운동능력을 개선시키는 것으로 보고되고 있다(
이외에도 최근 몇몇의 연구자들은 저항성 트레이닝을 통한 근 기능(muscular funciton) 개선을 위해 자연적·인공적 고지환경을 적용하고 있다. 이러한 원리는 Schoenfeld et al.(2013)이 제시한 바와 같이 운동에 의한 대사적 스트레스가 증가된 근 섬유의 동원, 증가된 호르몬 방출, 마이오카인 생산의 변화, 반응성 산소종 생산의 증가, 세포 부종 등을 일으켜 근 비대 및 근 기능을 개선을 유도한다는 것에 기초한다. 이를 바탕으로 저산소 환경에서 저항성 운동 트레이닝을 적용한 연구들에서는 근 비대 및 근 기능의 개선 효과가 일반적으로 혈중젖산, 무기인산(inorganic phosphate; Pi), 수소이온(hydrogen ion; H+)과 같은 더 큰 대사산물의 축적과 성장호르몬(growth hormone; GH), 인슐린 유사성장 인자(insulin like growth factor; IGF)-1, 카테콜라민, 코티졸, 테스토스테론과 같은 더 큰 호르몬 반응에 의해 나타나는 것으로 보고하고 있다(
현재 고지 및 저산소 환경에서의 운동 트레이닝에 따른 다양한 운동수행능력 향상과 관련된 이론적 근거를 바탕으로 전세계적으로 30개국 이상의 많은 나라들이 자연적 고지환경 훈련장 및 인공적 저압 또는 저산소 훈련 시스템을 보유하고 있으며, 이러한 시설을 바탕으로 선수들의 종목특성에 맞는 운동수행능력 향상을 위해 다양한 형태의 고지 트레이닝을 개발 및 적용하고 있다(Hamlin et al., 2013;
이에 본론에서는 지금까지 개발된 다양한 종목의 엘리트 선수들의 운동수행능력 및 경기력 향상을 위한 자연적·인공적 고지 트레이닝의 생리적 배경과 그 적용방법에 따른 효용성 검토를 통해 국내 자연적·인공적 고지 트레이닝 센터의 개발 및 활용의 필요성을 강조하고 이를 바탕으로 고지 트레이닝을 적용할 수 있는 기초시설 건립에 대한 의욕을 고취시키고자 한다.
엘리트 운동선수들은 일반적으로 자연적 또는 인공적인 방법에 의한 산소운반 및 이용능력이 감소된 고지환경에의 규칙적인 노출이 가져다주는 다양한 근본적인 이점 때문에 자연적·인공적 고지환경에서의 트레이닝을 반복적으로 수행하게 된다. 고지환경의 경우, 고도가 높아짐에 따라 대기압이 낮아지게 되고, 이에 대기 중의 산소분압이 감소하여 동일 부피의 공기 중에 이용할 수 있는 산소가 적어지게 되어 저산소 환경(hypoxic environment)을 유도하게 된다(
이러한 생리적 반응 이외에도 증가된 미토콘드리아의 밀도(mitochondrial density), 산화적 효소 능력(oxidative enzyme capacity), 지방산화(fat oxidation), 근육 산-염기 평형능력(muscle buffering) 등과 같은 비혈액학적인 측면(nonhematological aspect)의 개선효과를 통해 운동 경제성(exercise economy) 및 VO2max의 상승과 이로 인한 운동수행능력의 개선을 가져오게 된다(
결과적으로 자연적·인공적 고지환경에서의 트레이닝은 적용방법에 따라서 운동수행능력을 향상시키는 주요 기전에 있어서 차이가 나타나지만 위에서 언급한 바와 같이 혈액학적·비혈액학적인 측면(hematologic and nonhematological aspect)의 종합적인 작용에 의해서 운동수행능력의 개선효과가 나타나는 것으로 보고되고 있다.
위에서 언급한 바와 같이 일반적으로 고지환경에의 노출은 평지환경에서 생활하는 사람들에게 있어 erythropoiesis를 자극하여 산소운반능력의 향상을 가져온다(
그러나 실질적으로 고지환경에 의한 혈액학적인 변화에 있어서 가장 큰 영향을 미치는 요인은 RBC의 생산을 증가시키는 호르몬인 EPO이다. 일반적으로 혈액 내 산소농도가 감소하면 이에 반응하여 신장에서 당단백(glycoprotein) 호르몬인 EPO의 분비가 자극되고 이에 적색골수에서 RBC의 생산이 증가하게 된다(
하지만 고지환경에 의한 erythropoiesis 효과는 영구적으로 나타나는 적응현상은 아니다. 고지환경에서 평지환경으로 다시 돌아오게 되면, 더 높은 대기 산소농도로 인해 미성숙 적혈구의 파괴(neocytolosis)가 나타나게 되며, 일반적으로 고지환경에의 적응에 의한 Hb 질량과 RBC 양 증가로 나타나는 erythropoiesis는 평지환경에 돌아온 후 약 16일 정도면 다시 원래 상태로 회복된다(
고지환경에 의한 생리적인 변화는 혈액학적인 측면 뿐만 아니라 근 조직을 산소 및 에너지 활용에 있어서 매우 효율적으로 변화시키는 근신경계, 호르몬, 다양한 단백질 등의 여러 요인들에 의해 영향을 받는다. 이러한 비혈액학적 측면에 영향을 미치는 요인들에는 산화적 효소(oxidative enzyme)의 증가(
HIF, hypoxic inducible factor; EPO, erythropoietin; VEGF, vascular endothelial growth factor; Resp, respiratory; DPG, diphosphoglycerate; Hb, hemoglobin; O2, oxygen.
이러한 기전에 의한 생리적 변화들은 고지환경에서의 운동 트레이닝에 의한 VO2max 및 운동수행능력의 개선효과가 erythropoiesis와 같은 혈액학적인 측면 뿐만 아니라 앞에서 설명한 다양한 비혈액학적 측면에 의해서도 나타날 수 있다는 것을 의미하며, 이러한 생리적 근거를 바탕으로 고지대에서의 생활(living high)의 비중을 낮추어 효율적 접근 및 활용이 가능한 다양한 방법의 고지 트레이닝 방법이 개발되었으며, 현재 다양한 형태의 저산소 환경에서의 운동 트레이닝 방법을 적용하여 비혈액학적 요인의 변화에 따른 VO2max 및 운동수행능력의 개선효과를 증명한 다양한 연구들이 보고되었다(
엘리트 선수의 운동수행능력 및 경기력을 향상시키기 위한 자연적·인공적 고지환경에서의 트레이닝 방법은 저산소 환경에의 노출 및 운동 트레이닝의 시너지 효과를 극대화할 수 있는 원리에 기초하여 이루어져야 한다. 이에 이상적인 저산소 환경에서의 운동 트레이닝 방법은 저산소 환경과 운동 트레이닝 적용 시 적정한 자극조건을 바탕으로 혈액학적 변화 및 비혈액학적 변화 모두를 극대화하여 조직으로의 산소운반 및 조직에서의 산소이용능력 모두를 개선시켜야 하며, 부적절한 트레이닝 조건으로 인한 골격근으로 혈류량 감소(
일반적으로 자연적·인공적 고지환경에서의 트레이닝 방법은 크게 living high training high(LHTH), living high training low(LHTL), living low training high(LLTH) 3가지 방법으로 구분할 수 있으며, 최근에는 운동선수의 종목 특성 및 트레이닝 목적에 따라
LHTH, living high training low; LHTL, living high training low; LHTLH, living high training low and high; LLTH, living low training high; IHE, intermittent hypoxic exposure; CHT, continuous hypoxic training; IHT, interval hypoxic training; RSH, repeated sprint training in hypoxia; IHIT, IHE during interval training; HH, hypobaric hypoxia; NH, normobaric hypoxia.
다양한 고지 트레이닝 방법 중에서 가장 전통적인 형태는 <
Classification | Altitude (m) | Equivalent FIO2(%) |
---|---|---|
Near sea-level | <500 | 19.8-20.9 |
Low | 500-2,000 | 16.7-19.8 |
Moderate | 2,000-3,000 | 14.8-16.7 |
High | 3,000-5,500 | 10.9-14.8 |
Extreme | >5,500 | <10.9 |
FIO2, fraction of inspired oxygen.
본 단락에서 설명할 LHTL 방법은 LHTH 방법에서 나타나는 부정적인 효과인 고지환경에서의 운동 트레이닝 시 나타나는 운동강도 및 운동량 감소에 의한 운동수행능력 개선에 있어 효용성 감소를 극복하기 위해 1990년대 초에 두 명의 미국 국적의 연구자인 Levine과 Stray-Gundersen에 의해 개발되었다(
이와 관련된 연구들을 살펴보면, 초창기에
지금까지 설명한 선행연구들을 살펴보면, 자연적·인공적 고지환경에서의 운동 트레이닝은 혈액학적 변화와 비혈액학적인 변화를 바탕으로 한 다양한 생리적 적응현상을 통해 운동수행능력 및 경기력을 향상시키는 것으로 보고되고 있는데, LHTL 방법은 고지환경에의 노출에 의한 erythropoiesis 자극을 통한 혈액학적인 개선효과와 평지와 가까운 환경조건에서 트레이닝을 함으로써 강한 운동자극을 가하고, 이를 통한 근 조직으로의 산소운반 및 이용 증가, 운동경제성(exercise economy) 개선, 심장기능의 강화 등과 같은 다양한 비혈액학적 변인의 개선효과를 동시에 가져와 운동수행능력 및 경기력 향상을 유도할 수 있는 매우 효율적인 고지 트레이닝 방법인 것으로 판단된다. 또한 LHTL 방법에 의한 운동수행능력에 있어서 긍정적인 효과를 극대화하기 위해서는 2,000~3,000m 사이의 적정고도, 최소 21일 이상의 트레이닝 기간, 최소 일일 12시간 이상의 노출시간을 가져야 하는 것으로 판단된다(
이에 국내에서도 LHTL을 다양한 종목의 선수들에게 적용할 수 있는 고지 트레이닝 센터의 설립과 함께 다양한 유산소성 종목의 엘리트 선수를 대상으로 앞에서 언급한 바와 같은 합리적인 적절한 조건의 LHTL을 적용함으로써 우리에게 알맞은 LHTL 방법을 찾기 위한 다양한 노력이 필요하며, 이를 적용하여 유산소성 종목 선수들의 운동수행능력 및 경기력 향상을 위한 많은 노력을 경주하여야 된다고 판단된다.
지금까지 살펴본 두 가지의 자연적·인공적 고지 트레이닝 방법인 LHTH 및 LHTL은 운동수행능력 및 경기력 개선을 위한 충분한 생리적 효과를 얻기 위해서는 상대적으로 긴 노출 시간(3주 이상의 기간 동안 매우 최소 12시간 이상의 노출)이 요구된다. 그러나 구기종목과 같이 팀 단위로 운동 트레이닝이 이루어지는 다양한 팀스포츠의 선수들은 거의 매주 또는 2주마다 반복적으로 실전 경기를 수행해야 하며, 또한 living high를 위해 근처에 자연적 고지환경이 존재하거나 거주를 할 수 있는 넓은 공간에 저산소 환경을 시뮬레이션할 수 있는 장비가 구비되어있지 않으면 실질적으로 이러한 고지 트레이닝 방법을 적용할 수 없는 실정이다.
이에 접근성이 쉽고 적용이 간편한 대체 고지 트레이닝 방법(alternative hypoxic training method)이 개발되었는데 이것이 LLTH 방법이다. 다양한 종목의 선수들에게 적용할 수 있는 LLTH 방법은 일반적으로 진공펌프를 이용하여 실내공기의 양을 줄여 저압・저산소 환경을 만들거나, 질소발생기를 이용하여 내부공간으로 질소를 유입하여 상대적으로 산소농도가 낮은 평압・저산소 환경을 조성하여 인공적인 고지환경을 조성한다. 이러한 LLTH 방법은 평소에 평지환경에서 노출하면서 운동 트레이닝 시에만 자연적·인공적 고지환경에서 운동 트레이닝을 실시하는 방법으로 일반적으로 3시간 이하로 고지환경에 노출하기 때문에 저산소 자극이 충분하게 이루어지지 못하며, 이에 LHTH 및 LHTL 방법처럼 erythropoiesis와 같은 혈액학적인 변화를 유도하지 못한다. LLTH 방법은 저산소 환경에서 간헐적으로 노출하는 방법(intermittent hypoxic exposure; IHE)과 저산소 환경에서 간헐적으로 운동 트레이닝을 실시하는 방법으로 크게 구분할 수 있다. 또한, 저산소 환경에서 간헐적으로 운동 트레이닝을 실시하는 방법은 엘리트 선수의 운동종목 및 얻고자 하는 운동수행능력 형태에 따라서 CHT(continuous hypoxic training), IHT(interval hypoxic training), RSH(repeated sprint training in hypoxia)로 구분할 수 있다.
고지환경에서 단순히 노출만을 실시하는 IHE의 경우,
이와는 다르게 간헐적으로 수행하는 고지환경에서의 운동 트레이닝 즉, IHE와 운동 트레이닝의 결합(e.g., CHT, IHT, RSH)은 골격근과 심장근에서의 다양한 생화학적·구조적 변화를 통해 개선된 운동 경제성(exercise economy), 조직으로의 혈류공급 및 이용, 모세혈관 및 미토콘드리아 밀도, 산화적 효소(oxidative enzyme)의 활성도의 개선효과 등을 보이며, 이를 바탕으로 유산소성 운동능력을 향상시킨다(
우선 다양한 LLTH 방법 중 CHT와 관련된 내용을 살펴보면, 평지환경에서와 동일한 상대강도로 저산소 환경 조건에서 CHT를 적용하는 경우,
다음으로 IHT와 RSH 관련된 연구를 살펴보면, 이 두 가지의 LLTH 적용에 따른 운동수행능력 및 경기력 향상을 검토한 연구는 지금까지 많이 보고되지 않았으며, 그 결과 또한 대상자에게 적용한 IHT 및 RSH의 운동형태, 강도, 트레이닝 기간, 운동수행능력의 측정방법에 따라서 긍정적·부정적 결과로 상반되어 나타나고 있는 실정이다(
IHT를 적용한 연구의 경우,
마지막으로 RSH와 관련된 내용을 살펴보면, LLTH 방법은 전통적으로 지구성 종목의 운동선수의 경기력 향상을 위해서 적용되어져 왔다. 그러나 2010년대에 들어와서는 저산소 환경에서의 반복적인 스트린트 훈련이 고강도의 운동수행능력 및 팀스포츠의 경기력에 미치는 영향에 대한 연구가 많이 이루어지고 있는 실정이다(
지금까지 살펴본 운동수행능력 및 경기력에 있어 LLTH 방법의 효용성에 대한 내용을 정리하면, 유산소성 종목 선수들의 운동수행능력 개선을 위해서는 CHT와 더불어 IHT가 복합적으로 수행되어야 하며, 또한 평지환경에서도 충분한 양의 추가적인 훈련을 수행해야 되는 것으로 판단된다. 이외에도 스프린트 및 팀스포츠 선수들에게 있어 무산소성 운동능력을 향상시키기 위해서는 RSH 형태의 고지 트레이닝 방법이 활용되어야 하며, 이 형태의 운동 트레이닝 또한 무산소성 파워의 효과적인 개선을 위해서는 근 조직 내 보다 큰 저산소증을 유발할 수 있는 짧은 시간 동안 이루어지는 고강도 형태의 운동 트레이닝이 반복적으로 이루어져야 효용성을 극대화시킬 수 있는 것으로 판단된다. 국내에서도 다양한 LLTH 방법을 적용할 수 있는 고지 트레이닝 훈련장을 개발하여 엘리트 선수들의 경기력을 극대화할 수 있는 적절한 CHT, IHT 및 RSH 방법들의 개발 및 검증이 절실하다고 판단된다.
본 연구는 저산소 조건에 의한 혈액학적・비혈액학적 적응현상을 바탕으로 엘리트 선수의 운동수행능력 및 경기력 향상에 있어 효과적인 것으로 보고되고 있는 자연적・인공적 고지 트레이닝의 생리적 기전과 그 종류 및 효용성에 대해서 살펴보았다. 앞에서 확인한 바와 같이 고지 트레이닝은 얻고자 하는 운동능력(유산소성 또는 무산소성)에 따라서 다양한 형태로 적용할 수 있으며, 많은 스포츠 선진국에서 얻고자 하는 운동수행능력에 따라 고지 트레이닝을 다양하게 세분화하여 적용하고 있다. 그러나 국내의 경우, 경기력의 극대화를 위해 다양한 종목에 맞는 맞춤형 고지 트레이닝 형태를 개발해야하는 시대적 흐름에도 불구하고, 엘리트 선수들에게 고지 트레이닝을 적용할 수 있는 기초시설 자체가 매우 부족한 실정이다. 이에 유・무산소성 운동능력의 개선을 통해 경기력의 향상을 유도하는 고지 트레이닝을 다양한 종목의 엘리트 선수들에게 적용할 수 있는 종합적인 고지 트레이닝 센터가 다양하게 개발될 필요성이 매우 절실한 실정이며, 이를 위해 정부 및 지자체 들의 많은 지원과 노력이 필요하다.
이 논문은 2015년도 정부(과학기술정보통신부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 과제임 (2015M3C1B1019479)
이 논문은 건국대학교 KU연구전임 프로그램에 의해 수행된 과제임
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