Stoßantwort von aktivierter Muskulatur

Experiment und Modellierung

Forschungsprojekt (DFG SI841/7-1) in Kooperation mit Prof. Syn Schmitt (Leiter des Human Movement Simulation Lab, Stuttgart)

Biologische Muskeln werden sofort mit der Erzeugung von Bewegung in Verbindung gebracht. Die Muskelmasse ist nachgiebig am Skelett angebracht. Sie treiben die knöchernen Körpersegmente, die in den Gelenken artikulieren, an. Die raffinierte Konstruktion der Muskeln toleriert Stösse während der eigentlichen Kontraktionsvorgänge. Solche Stösse werden zum Beispiel bei einem Sprung von einer Mauer oder bei schnellem Rennen in dem Moment induziert, in dem die Beine am Boden aufprallen. Als Stossantwort werden den antreibenden Muskelkontraktionen Schwingungen überlagert. Es ist zu vermuten, dass sich zum Beispiel die erzeugte Kraft des Muskels, seine mechanische Arbeit oder seine Kontraktionsgeschwindigkeit mit dem Betrag und der Richtung des externen Stosses verändern. Somit folgern wir, dass Muskelträgheiten berücksichtigt werden müssen, wenn man grundsätzlich Muskelkontraktionen jeder Art verstehen will.

Bisher wurden Muskelmodelle anhand Analysen von Muskelkontraktionen in quasi-statischen und stationären Zuständen entwickelt. Auf dieser Grundlage vernachlässigen daher im Prinzip alle Muskelmodelle (mikroskopische, makroskopische und vom Finite-Elemente-Typ) die Massenträgheiten. In diesem Projekt werden wir uns auf ein gut etabliertes, makroskopisches Modell konzentrieren, welches alle wesentlichen mechanischen Eigenschaften der biologischen Muskeln - wie z.B. die hyperbolische Kraft-Geschwindigkeits-Beziehung (Hillsche Relation) und serielle Elastizität - beinhaltet, bis auf die Massenträgheit. Wir wollen (1) überprüfen, ob dieses Hill-Modell in der Lage ist Stossantworten zu erklären, wenn es mit muskelinterner Massenträgheit gekoppelt wird. Andernfalls wollen wir (2) eine kürzlich vorgeschlagene Modellvariation vom Hill-Typ dahingehend überprüfen, ob diese die oben beschriebenen Stossreaktionen möglicherweise besser beschreibt. Hierzu verteilen wir die gesamte Muskelmasse gleichmässig (Punktmassen gleicher Masse) zwischen einer diskreten Anzahl von Hill-Typ Elementen. Beide Muskelmodellvarianten werden in Computer-Simulationen Stössen ausgesetzt. Kontraktionen isolierter biologischer Muskeln - durchgeführt in entsprechenden experimentellen Situationen - werden benutzt, um die Vorhersagen der Muskelmodelle zu validieren. Zusammengefasst erwarten wir uns durch die Analyse von Stossreaktionen eines aktivierten Muskels (also beschleunigter Kontraktionen) ein verbessertes Verständnis der mechanischen Struktur und Funktion des Muskels.

Literatur:

  • Christensen, K. B., Gunther, M., Schmitt, S., & Siebert, T. (2017). Strain in shock-loaded skeletal muscle and the time scale of muscular wobbling mass dynamics. Sci Rep, 7(1), 13266. doi:10.1038/s41598-017-13630-7 [link]

  • Mörl 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]

 

 

Christensen, K. B., Gunther, M., Schmitt, S., & Siebert, T. (2017). Strain in shock-loaded skeletal muscle and the time scale of muscular wobbling mass dynamics. Sci Rep, 7(1), 13266. doi:10.1038/s41598-017-13630-7 [link]
Messaufbau Skelettmuskulatur (c)
Messaufbau Skelettmuskulatur
Zum Seitenanfang