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Forschung


Forschungsansatz

Menschliche Bewegungen sind aus bewegungswissenschaftlicher Perspektive das Ergebnis eines koordinativen Einsatzes der Skelettmuskulatur unter den gegebenen physikalischen Bedingungen. Der Ausdruck „koordinativer Einsatz der Skelettmuskulatur“ spiegelt diesbezüglich zwei Aspekte wider: die Muskulatur und deren neuronale Kontrolle, woraus die Forschungsidee einer muskuloskelettalen Neuromechanik resultiert. Im Kontext von (sportlicher) Bewegung werden am LFB Bewegungswissenschaft mit einem breiten, interdisziplinären Ansatz das Zusammenspiel und die Wechselwirkung zwischen Nervensystems und Biomechanik der Muskulatur, also die neuromuskuläre Funktionsweise des Menschen untersucht. Ziel der Forschung ist es, neuromuskuläre Mechanismen als Basis für fundierte Diagnostik und daraus abgeleitete Interventionen besser zu verstehen.
Zur Untersuchung der neuromuskulären Funktionsweise wird ein breites Methodenspektrum eingesetzt. Dazu zählen 3D-Bewegungsanalyse, dynamometrische Verfahren sowie die elektromyographische Erfassung der Muskelaktivität. Zudem kommen Methoden zur Stimulation motorischer Nerven, wie periphere elektrische Nervstimulation, elektrische oder magnetische Stimulation des cervicomedullaren Übergangs, sowie transkranielle Magnetstimulation des Motorkortex zum Einsatz. Des Weiteren erfolgt die Modellierung von Bewegungsabläufen anhand so genannter Muskel-Skelett-Modelle.


Forschungsprojekte

'Das Muskelprotein Titin bei exzentrischen Muskelkontraktionen'
Muskelzellen können aktiv Kraft erzeugen und sich dabei verkürzen, z. B. um eine Last zu überwinden. Ist eine von außen wirkende Kraft jedoch größer als die vom Muskel selbst erzeugte Kraft, so wird der aktive Muskel gedehnt und man spricht von einer exzentrischen Kontraktion. Dies hört sich ungewöhnlich an, tritt aber im alltäglichen Leben häufig auf, z. B. beim Treppabgehen. Zusätzlich zur aktiv erzeugten Muskelkraft spielen dabei auch passiv-elastische Eigenschaften der Muskulatur eine wichtige Rolle. Aktuelle Forschung zeigt diesbezüglich, dass das Muskelprotein Titin eine wichtige Rolle für die passive Elastizität sowohl von Skelett- als auch Herzmuskelzellen einnimmt und auch für exzentrische Kontraktionen von Bedeutung zu sein scheint. Zudem haben Studien gezeigt, dass pathologische Veränderungen von Titin im Zusammenhang mit (Herz-)Muskelerkrankungen auftreten, Training jedoch auch zu physiologischen Veränderungen von Titin führen kann. Die Ziele dieses Forschungsvorhabens gestalten sich dementsprechend wie folgt: Erstens möchten wir überprüfen, ob exzentrisches Training zu spezifischen Anpassungen am Muskelprotein Titin führt. Das bietet zweitens die Chance, die Funktion von Titin im Zusammenhang mit exzentrischer Muskelaktivität besser zu verstehen, woraus sich möglicherweise auch erste trainingstherapeutische Ansätze zur Behandlung muskuloskelettaler Erkrankungen ergeben.

Kooperationspartner: Prof. Dr. Wolfgang Linke

Gefördert durch Mercator Research Center Ruhr


'Kontraktile, elastische und neuronale Mechanismen der muskulären Leistungssteigerung im Dehnungs-Verkürzungs-Zyklus'

Der Dehnungs-Verkürzungs-Zyklus (DVZ) beschreibt die muskuläre Funktionsweise, wenn ein aktivierter Muskel exzentrisch gedehnt wird und sich in direktem Anschluss daran wieder verkürzt. Diese kombinierte Abfolge von exzentrischer und konzentrischer Muskelaktivität stellt die häufigste muskuläre Aktionsform während menschlicher Fortbewegung dar und ist Bestandteil grundlegender Bewegungsmuster wie Gehen, Laufen oder Springen. Dabei zeichnet sich der DVZ durch zwei Besonderheiten aus: Erstens sind Muskelkraft, Arbeit und Leistung während der konzentrischen Vortriebsphase des DVZ im Vergleich zu rein konzentrischen Muskelaktionen um bis zu 50% erhöht. Zweitens geht diese gesteigerte Leistungsfähigkeit mit einer erhöhten Effizienz einher. Obwohl der Nachweis von Krafterhöhung und Effizienz im DVZ bereits in einer Vielzahl von Experimenten an Mensch und Tier erbracht wurde, werden die zugrundeliegenden Mechanismen bis heute kontrovers diskutiert.

Ziel dieses Forschungsprojektes ist eine ganzheitliche Analyse kontraktiler sowie bio- und neuromechanischer Faktoren, welche im DVZ zur muskulären Leistungssteigerung beitragen. Der Fokus liegt dabei insbesondere auf einem bisher vernachlässigten Mechanismus, der im kontraktilen Element vermutet und mit dem Muskelprotein Titin in Zusammenhang gebracht wird. Dazu erfolgen eng aufeinander abgestimmte Experimente sowohl an isolierten Muskelfasern des M. soleus der Ratte als auch am M. triceps surae des Menschen. Die in vitro Versuche am Rattenmuskel adressieren direkt die im kontraktilen Element vermutete Leistungssteigerung sowie den Beitrag der Serienelastizität im DVZ durch das Einfügen einer künstlichen elastischen Struktur in Serie zum kontraktilen Element. Die experimentellen Untersuchungen am M. triceps surae des Menschen dienen einerseits dazu, die in vitro Resultate auf die strukturelle Ebene des in vivo Muskelsehnenkomplex zu übertragen. Andererseits wird untersucht, welchen Beitrag die verschiedenen Mechanismen zur Leistungssteigerung im DVZ unter physiologischen Bedingungen leisten. Mittels Ultraschall wird dazu die Interaktion von kontraktilem Element und passiver Serienelastizität analysiert. Zudem helfen die Variation der Muskelaktivierung (willentlich vs. Elektrostimulation) sowie die Aufzeichnung evozierter Potentiale von Motorkortex, Spinalbahn und motorischem Nerv bei der Beurteilung, inwiefern neuromuskuläre Komponenten einen Anteil an der Leistungssteigerung im DVZ haben. Dieses Forschungsprojekt trägt dazu bei, den DVZ als wichtigste alltagsnahe Kontraktionsform der Muskulatur besser zu verstehen. Dies fördert nicht nur für das grundlegende Verständnis der menschlichen Fortbewegung, sondern kann darüber hinaus z.B. für effiziente humanoide Antriebe auch Anwendung im Bereich der Medizintechnik, Robotik und Prothetik finden.

Kooperationspartner:
- Prof. Dr. Tobias Siebert (Universität Stuttgart)
- Dr. Wolfgang Seiberl (TU München)

Gefördert durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 354863464