Eigenschaften des Muskel-Sehnenkomplexes

Experimentelle Untersuchung und Modellierung

Forschungsprojekte (DFG SI841/2-2, 2-3, 6-1) in Kooperation mit Prof. Reinhard Blickhan (Lehrstuhl Bewegungswissenschaft, Jena).

Muskeln haben bei der Lokomotion unterschiedliche Funktionen (z.B. Motor, Bremse, Feder). Ein Teilziel dieses Projektes ist es, zu überprüfen, ob es Anpassungen der Muskelparameter an diese Funktionen gibt. Dazu werden verschiedene Muskeln experimentell und durch Simulationen von Muskelkontraktionen miteinander verglichen. Letzteres erfordert ein Muskelmodell, das die Geschichtsabhängigkeit der Muskelkraft beschreibt. Dazu konnten wir ein Modell entwickeln, welches von physiologischen Vorstellungen ausgeht (aktivierungsabhängige Rekrutierung des Muskelfilaments Titin) und erstmals die Vorhersage von Force-Enhancement und Force-Depression in der richtigen Größenordnung ermöglicht (Rode et al. 2009).  Auf Grundlage der Modellierung der Titin-Aktin Interaktion konnten weiterhin realistische Simulationen exzentrischer  Kontraktionen über sehr lange Dehnungsbereiche bei unterschiedlichen Startlängen reproduziert werden (Till et al. 2008, Till et al. 2010). In dieser Antragsperiode soll eine notwendige Modellerweiterung bezüglich der Kraftminderung während der Muskelverkürzung erfolgen. Auf Grundlage dieser Modellerweiterung sollen die Muskeln bezüglich ihrer Eigenschaften als Motor, Bremse oder Feder verglichen werden.

Muskeln sind von anderen Muskeln und Knochen umgeben, die transversale Kräfte auf sie ausüben. Ein weiteres Teilziel ist die Untersuchung der Auswirkungen dieser Kräfte auf die Kontraktionsdynamik als Voraussetzung für den Vergleich der diesbezüglichen Anpassungen verschiedener Muskeln. Die modellhafte Beschreibung der Reduktion der Muskelkraft (Siebert et al. 2012a, Siebert et al. 2012b) durch transversale Belastung soll mit Hilfe weiterer Experimente im Hinblick auf unterschiedliche transversale Belastungen (z.B. Stöße, Variation der Kontaktfläche) erweitert werden. Durch Kombination mit einem bereits entwickelten Geometriemodell soll ein reduziertes 3D Modell für Muskelverformung und Kontraktionsdynamik bei transversaler Belastung erstellt werden. Dieses konnte z.B. in der Medizin (Vorhersage funktioneller Auswirkungen medizinischer Operationen), der Prothetik (Optimierung von Prothesen) und der Unfallforschung verwendet werden.

Literatur

  • Siebert, T., Tomalka, A., Stutzig, N., Leichsenring, K., & Bol, M. (2017). Changes in three-dimensional muscle structure of rabbit gastrocnemius, flexor digitorum longus, and tibialis anterior during growth. J Mech Behav Biomed Mater, 74, 507-519. [link]
  • Siebert, T., Stutzig, N., & Rode, C. (2017). A hill-type muscle model expansion accounting for effects of varying transverse muscle load. J Biomech. [link]
  • Heidlauf, T., Klotz, T., Rode, C., Siebert, T., & Rohrle, O. (2017). A continuum-mechanical skeletal muscle model including actin-titin interaction predicts stable contractions on the descending limb of the force-length relation. PLoS Comput Biol, 13(10), e1005773. doi:10.1371/journal.pcbi.1005773 [link]
  • Tomalka A, Rode C, Schumacher J & Siebert T. (2017). The active force-length relationship is invisible during extensive eccentric contractions in skinned skeletal muscle fibres. Proc Biol Sci, 284. [link]
  • Heidlauf T, Klotz T, Rode C, Altan E, Bleiler C, Siebert T & Rohrle O. (2016). A multi-scale continuum model of skeletal muscle mechanics predicting force enhancement based on actin-titin interaction. Biomech Model Mechanobiol 15, 1423-1437. [link]
  • Reinhardt L, Siebert T, Leichsenring K, Blickhan R & Böl M. (2016). Intermuscular pressure between synergistic muscles correlates with muscle force. J Exp Biol 219, 2311-2319. [link]
  • Rode C, Siebert T, Tomalka A & Blickhan R. (2016). Myosin filament sliding through the Z-disc relates striated muscle fibre structure to function. Proc R Soc B., 283. [link]
  • Siebert T, Rode C, Till O, Stutzig N & Blickhan R. (2016). Force reduction induced by unidirectional transversal muscle loading is independent of local pressure. J Biomech. 49, 1156-1161. [link]
  • Siebert T, Leichsenring K, Rode C, Wick C, Stutzig N, Schubert H, Blickhan R & Bol M. (2015). Three-Dimensional Muscle Architecture and Comprehensive Dynamic Properties of Rabbit Gastrocnemius, Plantaris and Soleus: Input for Simulation Studies. PLoS ONE 10, e0130985. [link]
  • Morl F, Siebert T & Haufle D. (2015). Contraction dynamics and function of the muscle-tendon complex depend on the muscle fibre-tendon length ratio: a simulation study. Biomech Model Mechanobiol. DOI: 10.1007/s10237-015-0688-7   [link]
  • Siebert T., Till O., Stutzig N., Günther M. & Blickhan R. (2014). Muscle force depends on the amount of transversal muscle loading.  J Biomech 47, 1822-1828.  [link]
  • Till O., Siebert T., Blickhan R. (2014). Force depression decays during shortening in the medial gastrocnemius of the rat.   J Biomech  47, 1099-1103.  [link]
  • Siebert T, Till O & Blickhan R. (2014). Work partitioning of transversally loaded muscle: experimentation and simulation.  Comput Methods Biomech Biomed Engin, 17, 217-229  [link
  • Morl F, Siebert T, Schmitt S, Blickhan R & Gunther M. (2012). Electro-mechanical delay in Hill-type muscle models.  Journal of Mechanics in Medicine and Biology  12,18 pages. Doi: 10.1142/S0219519412500856.  [link]
  • Muller R, Siebert T & Blickhan R. (2012). Muscle Preactivation Control: Simulation of Ankle Joint Adjustments at Touchdown During Running on Uneven Ground.  J Appl Biomech  28, 718-725.  [link]
  • Maas R, Siebert T & Leyendecker S. (2012). On the relevance of structure preservation to simulations of muscle actuated movements.  Biomech Model Mechanobiol 11, 543-556.  [link]
  • Till O, Siebert T & Blickhan R. (2010). A mechanism accounting for independence on starting length of tension increase in ramp stretches of active skeletal muscle at short half-sarcomere lengths.  J Theor Biol  266, 117-123.  [link]
  • Rode C, Siebert T & Blickhan R. (2009). Titin-induced force enhancement and force depression: a 'sticky-spring' mechanism in muscle contractions?  J Theor Biol  259, 350-360.  [link]
  • Rode C, Siebert T, Herzog W, & Blickhan R (2009). The effects of parallel and series elastic components on the active cat soleus force-length relationship.  Journal of Mechanics in Medicine and Biology, 9(1), 105-122.  [link]
  • Till O, Siebert T, Rode C & Blickhan R. (2008). Characterization of isovelocity extension of activated muscle: a Hill-type model for eccentric contractions and a method for parameter determination.  J Theor Biol  255, 176-187.  [link]
  • Siebert T, Rode C, Herzog W, Till O, Blickhan R (2008) Nonlinearities make a difference: comparison of two common Hill-type models with real muscle.  Biol Cybern 98 (2), 133-143.  [link]

 

  • Siebert, T., Tomalka, A., Stutzig, N., Leichsenring, K., & Bol, M. (2017). Changes in three-dimensional muscle structure of rabbit gastrocnemius, flexor digitorum longus, and tibialis anterior during growth. J Mech Behav Biomed Mater, 74, 507-519. [link]
  • Siebert, T., Stutzig, N., & Rode, C. (2017). A hill-type muscle model expansion accounting for effects of varying transverse muscle load. J Biomech. [link]
  • Heidlauf, T., Klotz, T., Rode, C., Siebert, T., & Rohrle, O. (2017). A continuum-mechanical skeletal muscle model including actin-titin interaction predicts stable contractions on the descending limb of the force-length relation. PLoS Comput Biol, 13(10), e1005773. doi:10.1371/journal.pcbi.1005773 [link]
  • Tomalka A, Rode C, Schumacher J & Siebert T. (2017). The active force-length relationship is invisible during extensive eccentric contractions in skinned skeletal muscle fibres. Proc Biol Sci, 284. [link]
  • Heidlauf T, Klotz T, Rode C, Altan E, Bleiler C, Siebert T & Rohrle O. (2016). A multi-scale continuum model of skeletal muscle mechanics predicting force enhancement based on actin-titin interaction. Biomech Model Mechanobiol 15, 1423-1437. [link]
  • Reinhardt L, Siebert T, Leichsenring K, Blickhan R & Böl M. (2016). Intermuscular pressure between synergistic muscles correlates with muscle force. J Exp Biol 219, 2311-2319. [link]
  • Rode C, Siebert T, Tomalka A & Blickhan R. (2016). Myosin filament sliding through the Z-disc relates striated muscle fibre structure to function. Proc R Soc B., 283. [link]
  • Siebert T, Rode C, Till O, Stutzig N & Blickhan R. (2016). Force reduction induced by unidirectional transversal muscle loading is independent of local pressure. J Biomech. 49, 1156-1161. [link]
  • Siebert T, Leichsenring K, Rode C, Wick C, Stutzig N, Schubert H, Blickhan R & Bol M. (2015). Three-Dimensional Muscle Architecture and Comprehensive Dynamic Properties of Rabbit Gastrocnemius, Plantaris and Soleus: Input for Simulation Studies. PLoS ONE 10, e0130985. [link]
  • Morl F, Siebert T & Haufle D. (2015). Contraction dynamics and function of the muscle-tendon complex depend on the muscle fibre-tendon length ratio: a simulation study. Biomech Model Mechanobiol. DOI: 10.1007/s10237-015-0688-7   [link]
  • Siebert T., Till O., Stutzig N., Günther M. & Blickhan R. (2014). Muscle force depends on the amount of transversal muscle loading.  J Biomech 47, 1822-1828.  [link]
  • Till O., Siebert T., Blickhan R. (2014). Force depression decays during shortening in the medial gastrocnemius of the rat.   J Biomech  47, 1099-1103.  [link]
  • Siebert T, Till O & Blickhan R. (2014). Work partitioning of transversally loaded muscle: experimentation and simulation.  Comput Methods Biomech Biomed Engin, 17, 217-229  [link
  • Morl F, Siebert T, Schmitt S, Blickhan R & Gunther M. (2012). Electro-mechanical delay in Hill-type muscle models.  Journal of Mechanics in Medicine and Biology  12,18 pages. Doi: 10.1142/S0219519412500856.  [link]
  • Muller R, Siebert T & Blickhan R. (2012). Muscle Preactivation Control: Simulation of Ankle Joint Adjustments at Touchdown During Running on Uneven Ground.  J Appl Biomech  28, 718-725.  [link]
  • Maas R, Siebert T & Leyendecker S. (2012). On the relevance of structure preservation to simulations of muscle actuated movements.  Biomech Model Mechanobiol 11, 543-556.  [link]
  • Till O, Siebert T & Blickhan R. (2010). A mechanism accounting for independence on starting length of tension increase in ramp stretches of active skeletal muscle at short half-sarcomere lengths.  J Theor Biol  266, 117-123.  [link]
  • Rode C, Siebert T & Blickhan R. (2009). Titin-induced force enhancement and force depression: a 'sticky-spring' mechanism in muscle contractions?  J Theor Biol  259, 350-360.  [link]
  • Rode C, Siebert T, Herzog W, & Blickhan R (2009). The effects of parallel and series elastic components on the active cat soleus force-length relationship.  Journal of Mechanics in Medicine and Biology, 9(1), 105-122.  [link]
  • Till O, Siebert T, Rode C & Blickhan R. (2008). Characterization of isovelocity extension of activated muscle: a Hill-type model for eccentric contractions and a method for parameter determination.  J Theor Biol  255, 176-187.  [link]
  • Siebert T, Rode C, Herzog W, Till O, Blickhan R (2008) Nonlinearities make a difference: comparison of two common Hill-type models with real muscle.  Biol Cybern 98 (2), 133-143.  [link]
3D Muskelarchitektur (c)
Bestimmung der 3D Muskelarchitektur
Zum Seitenanfang