Modulationen neuromuskulärer Bewegungsregulation bei Laufbewegungen unter variierenden Bedingungen

Dissertation / Doktorarbeit von Roland Stutz

Einleitung:

Seit mehr als 100 Jahren steht das Laufen im Mittelpunkt wissenschaftlichen Interesses. Die Entwicklung des Wissensgutes um die zentrale Bewegungsfertigkeit des Menschen neben dem Gehen, lässt sich an der Entwicklung der Messtechnik beschreiben.

So wurden neben der Chronofotografie, Filmanalysen durchgeführt, die erste Erkenntnisse über das Bewegungsverhalten des Menschen beim Laufen erbrachten.

Neben der Weiterentwicklung der kinematischen Verfahren, ermöglichte die Dynamografie die Messung der Bodenreaktionskräfte.

Zu den rein biomechanisch orientierten Verfahren, trat die Entwicklung von sportmedizinischen Analyseverfahren hinzu, die grundlegende Erkenntnisse über die Energiebereitstellung beim Laufen lieferten.

Grundlagen für die nach außen in Erscheinung tretenden Bewegungsfertigkeiten des Menschen wie das Laufen, Gehen und Springen sind jedoch die neuronalen Steuerungs- und Regelungsvorgänge. Die Ansteuerung des einzelnen Muskels (Muskelgruppen) als auch dessen Antagonisten unterliegt der Innervation durch das Nervensystem. Diese auf den ersten Blick einseitig gerichtete Abhängigkeit des Muskels vom Nervensystem ist zwar grundsätzlich richtig, beschneidet jedoch die modulierenden Interventionen der Rezeptoren im tendomuskulären System ganz erheblich. Ständige Rückmeldungen der Muskelspindeln und der Golgi-Sehnen-Organe wirken aus der Peripherie via efferenter Bahnen neben anderen neuronalen Einflüssen modulierend auf den Motoneuronenpool ein. Zusätzlich unterliegt die Sensibilität der Rezeptoren einer parallelen Steuerung aus dem Motoneuronenpool (Alpha-Delta - Koaktivierung.).

Seit einigen Jahren werden elektromyografische Untersuchungsverfahren und Auswerteroutinen eingesetzt, die einen wesentlichen Beitrag zum besseren Verständnis der komplexen Bewegungsleistung ‘Laufen’ beim Menschen liefern konnten. Im Mittelpunkt der Betrachtungen standen dabei die Extensorenmuskeln. An ihnen konnte die Bedeutung und Funktion segmentaler Dehnungsreflexe für die menschliche Motorik nachgewiesen werden.

Dies gilt sowohl für die Standregulation, als auch für das Gehen, Laufen und Springen.

In den o. g. Untersuchungen beschränkte man sich überwiegend auf die Plantarflexoren und -extensoren. Erst in neueren Untersuchungen von GOLLHOFER und FRICK wurden die Knieextensorenmuskeln in die Analyse mit einbezogen.

Für die weitaus komplexeren Laufbewegungen erscheint nach funktionellen Überlegungen eine Einbeziehung der Hüftbeuge- und streckmuskulatur notwendig.

Untersuchungen von WIEMANN als auch Überlegungen von WASER beschäftigen sich mit der ischiocruralen Muskelgruppe (im Folgenden i.M. genannt) und deren möglichem Beitrag zur horizontalen Fortbewegungsgeschwindigkeit beim Sprint.

Funktionell zu den Knieflexoren, als auch zu den Hüftextensoren gehörig, wird ein möglicher Beitrag der o. g. Muskelgruppe als ziehende Komponente beim Sprintlauf während der Stützphase diskutiert. Hierbei wurde, in Anlehnung an das Lombard`sche Paradoxon, von WIEMAN ein Modell entwickelt, welches eine kniestreckende Wirkung der i.M. für die Laufbewegung beschreibt.

Zentrales Anliegen bisheriger Laufstudien war die Erfassung von biomechanischen und physiologischen Einflussgrößen und die Quantifizierung ihrer Veränderungen, wenn die Bewegungsgeschwindigkeit verändert wird.

Gleichwohl wurden die Auswirkungen der o. g. Einflussgrößen bei Laufbewegungen gegen unterschiedliche Steigungen untersucht.

Trotz umfangreicher Erkenntnisse, die hierbei für das Verständnis von Laufbewegungen gewonnen wurden, gibt es bisher nur sehr wenige und uneinheitliche Aussagen über die Regulationsmechanismen bei ermüdenden Läufen.

Inhaltsverzeichnis:

Textprobe:

Kapitel 2.3.2, Ermüdungsverhalten im Dehungs-Verkürzung-Zyklus (DVZ ):

Nach Erläuterung der Bedeutung und der Eigenständigkeit des DVZ sollen die profunden Studien, die die ermüdungsbedingten neuromuskulären Anpassungserscheinungen dieser Muskelaktionsform untersuchten, ergänzend zu den o. g. Ermüdungsstudien bei Laufbewegungen zusammengetragen werden.

Untersuchungen von GOLLHOFER et al. zeigen bei einem Ermüdungstreatment eine Reihe interessanter Ergebnisse. Als ermüdungsinduzierende Bewegungen im DVZ wurden 100 submaximale Muskelaktionen der Hand und Ellenbogengelenkextensoren gesetzt. Hierbei lag der Proband bäuchlings auf einem Schlitten, der auf einer 15 Grad geneigten Rollbahn montiert war. Die Abwärtsbewegung wurde durch beide Arme auf eine Kraftmessplatte abgebremst (exzentrische Phase) und eine unmittelbare Bewegungsumkehr (konzentrische Phase) eingeleitet, die ein beidarmiges Abstoßen zur Folge hatte. Dieser unmittelbare Übergang von exzentrischer zu konzentrischer Arbeitsweise lässt die Armextensoren im DVZ arbeiten. Der Rollabstand zwischen den Fingerspitzen der gestreckten Arme und den Kraftmessplatten betrug 10 cm. Hierdurch konnte die Ausgangsstellung kontrolliert werden. Jeder submaximale Abdruck der von der Ausgangsstellung durchgeführt wurde, sollten den Schlitten 70% der Wegstrecke nach oben bewegen, die bei einem Maximalversuch vor Eintritt in das Ermüdungstreatment von jedem Probanden erreicht wurde. Hierdurch konnten individuelle Belastungsvorgaben exakt bestimmt bzw. vorgegeben werden.

Die Ermittlung der aktuellen maximalen Leistungsfähigkeit im DVZ der Armextensoren wurde für alle Probanden gleich von einer Ausgangsstellung 50 cm Abstand zu der Messdruckplatte bestimmt. Von dieser Ausgangsstellung startend, rollte der Proband bäuchlings auf dem Schlitten liegend bahnabwärts um nach Auftreffen auf die Messdruckplatten sich anschließend mit maximalem Kraftansatz bahnaufwärts zu drücken. Die so ermittelten maximalen Abstände zwischen Messdruckplatte und Schlitten dienten erstens zur Kontrolle vor und nach dem Ermüdungstreatment und zweitens zur individuellen Vorgabe der submaximalen Leistungsforderung von 70% bis zum Belastungsabbruch. Neben dieser maximalen Leistungsgenerierung innerhalb des DVZ untersuchten die Autoren zusätzlich rein exzentrische Abfangbewegung die durch Fallen in den Liegestütz auf die Kraftmessplatte realisiert wurden. Hierzu dienten 10 Wiederholungen in einem zeitlichen Intervall von 5 sec. Die Ausgangsstellung für diese exzentrische Belastung war der aufrechte Stand. Zur Kontrolle von Auswirkung des Ermüdungstreatments auf die rein konzentrische Arbeitsweise der Armextensoren dienten maximale Abdruckbewegung der Probanden aus einem Startwinkel von 90 Grad im Ellenbogengelenk. Hierzu lagen die Probanden wie unter der Bedingung des Ermüdungstreatments bäuchlings auf dem Schlitten. Zur Kontrolle der Bewegungstechnik wurden die Kraftzeitkurven mit Hilfe von Messdruckplatten und die Winkelzeitkurven des Ellenbogengelenks mit Hilfe von Goniometern aufgezeichnet. Zusätzlich registrierten GOLLHOFER et al. die Elektromyogramme des musculus trizeps brachii, m. bizeps brachii, m. capi ulnaris und m. flexor capi radialis des rechten Armes. Die wesentlichsten Erkenntnisse der Ermüdungsstudie lassen sich zunächst in 2 Kategorien einteilen. Hierzu werden zunächst wegen der Übersichtlichkeit die rein mechanischen Kenngrößen dargestellt. Im Anschluss daran erfolgt die Zusammenfassung der neuronalen Anpassungserscheinung, die durch das Ermüdungstreatment gesetzt werden konnten.

Veränderung der mechanischen Kenngrößen:

– Zunahme der Kontaktzeiten innerhalb des Ermüdungstreatments als auch in den Maximalversuchen (von 1085 ms auf 1325 ms bzw. 960 ms auf 1212 ms). Die Zunahme dieser Kenngrößen ist vor allem auf die Verlängerung der konzentrischen Phase (Streckphase nach vorgeschalteter Beugephase) um 30,5% bzw. 34,1% zurückzuführen.

– Beibehaltung der Gelenkwinkel zu Beginn und am Ende der Kontaktphase in den Bedingungen des Ermüdungstreatments als auch in den Maximalversuchen. Die Bewegungsamplituden nehmen jedoch in beiden Bedingungen ab.

– Signifikante Abnahme der maximalen Winkelgeschwindigkeit in der konzentrischen Phase unter beiden Bedingungen.

Dahingehend ist der exzentrischen Phase eine Zunahme der maximalen Winkelgeschwindigkeit unter beiden Bedingungen zu registrieren. Diese Zunahme ist jedoch nur in den Versuchen mit maximaler Leistungsgenerierung signifikant.

Analysiert man die Kraft-Zeit-Kurven im Ermüdungstreatment ist festzustellen, dass diese sich vor allem durch die Ausbildung einer ausgeprägten Kraftspitze (impact-peak) kurz nach Beginn der Kontaktphase verändert. Weiterhin charakterisiert die Kraft-Zeit-Kurven ein sich unmittelbar anschließendes Minimum. Vergleicht man die Bedingungen der maximalen DVZ-Versuche, vor und nach der Ermüdung, so fällt auf, dass die mittlere Kraft in der konzentrischen Phase stark reduziert ist.

Der Kraftanstieg und das Kraftmaximum nehmen bei den Bedingungen eines rein konzentrisch arbeitenden Muskelsystems um 48% bzw. 23% ab. Die Muskelaktionsdauer ist hingegen um 61% erhöht. Innerhalb des Ermüdungsversuchs bleibt der Nettoimpuls der exzentrischen und konzentrischen Phase konstant. Im Vergleich der Maximalversuche vor und nach dem Ermüdungstreatment nimmt jedoch der Nettoimpuls in der konzentrischen Phase signifikant ab.

Ein weiterer beachtenswerter funktioneller Parameter der durch die Übergangsgeschwindigkeit von der exzentrischen Phase in die konzentrische Phase bestimmt ist, verringert sich im Zuge der Ermüdungsversuche. GOLLHOFER et al. interpretieren die Anpassungserscheinung der mechanischen Kenngrößen in der maximalen und ermüdungsinduzierenden Versuchsbedingung als ein Umschalten des neuromuskulären Systems von einer Dämpfungsregulation in eine Regulation des Stiffnes. Die erhöhte Stiffnes soll durch Verbesserung der elastischen Potenzierung zur Kompensation der verminderten kontraktilen Eigenschaften dienen. Die Folge ist eine Modifizierung des Kraft- und Bewegungsverhaltens welches sich durch eine hohe initiale Kraftspitze, eine geringere Bewegung im Ellbogengelenk und durch eine höhere Dehnungsgeschwindigkeit auszeichnet. Unter den Bedingungen des Ermüdungstreatments scheint die Regulation in die Erhöhung der Stiffnes zur Konstanthaltung der Leistungsvorgabe von 70% zu gelingen (Nettoimpuls konstant).

Geht es um die Generierung eines maximalen DVZ reicht die Erhöhung der Stiffnes nicht mehr aus, um die geleistete Arbeit auch in der konzentrischen Phase aufrecht zu erhalten. Die Autoren erklären dies damit, dass durch die Verlängerung der Kontaktzeit wahrscheinlich auch die Zeit für den Übergang von der exzentrischen zur konzentrischen Phase zunimmt. Dies führt unmittelbar zu einer Reduktion der elastischen Potenzierung.