Leistungssteigerung im Dehnungs-Verkürzungs-Zyklus

Kontraktile, elastische und neuronale Mechanismen

Forschungsprojekt (DFG SI841/15-1) in Kooperation mit Prof. Daniel Hahn (Ruhr-Universität Bochum) und Dr. Wolfgang Seiberl (TU München)

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. Dies liegt daran, dass die bisher akzeptierten Mechanismen die gesteigerte Leistungsfähigkeit im DVZ nicht vollständig aufklären können.

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. Zudem wird der Beitrag der Serienelastizität im DVZ durch das Einfügen einer künstlichen elastischen Struktur in Serie zum kontraktilen Element analysiert. 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.

Experimente an Einzelmuskelfasern (c)
Experimente an Einzelmuskelfasern
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