Jenaer Beiträge Nr. 15 - Sport Geschichte Jena

Biomechanische Untersuchungen von Muskeleigenschaften
beim Neuseelandkaninchen
Kay Leichsenring
Lehrstuhl für Bewegungswissenschaft, Institut für
Sportwissenschaft, Friedrich-Schiller-Universität
Jena
Zusammenfassung
Muskeln sind die Motoren des Lebens. Um diese hochkomplexen
Strukturen verstehen und beschreiben zu
können, werden in der Wissenschaft verschiedene Modellierungsansätze
verwendet. Mit Hilfe dieser Modelle wird
die Erfassung der Funktionsweisen des Muskel-Sehnen-
Komplexes angestrebt, um anhand von Simulationen
realistische Prognosen über die Änderung von Muskelform
und Kraftverhalten während einer dynamischen Kontraktion
erstellen zu können. Für die Modellentwicklung ist
neben der mathematischen Beschreibung die experimentelle
Untersuchung aller Muskelparameter notwendig. Das
Erfassen der aktiven und passiven Muskeleigenschaften
(Kraft-Längen-Kurve, Kraft-Geschwindigkeits-Kurve,
Aktivierungsverhalten und Eigenschaften der seriell- und
parallelelastischen Komponenten) sowie deren Quantifizierung
stellt das Anliegen dieses Projektes dar. Die
Bestimmung der Muskelparameter erfolgt in situ am
isolierten Schollenmuskel (M. soleus) beim Kaninchen
(Oryctolagus cuniculus). Anhand von verschiedenen experimentellen
Methoden werden die mechanischen Eigenschaften
und Strukturparameter bestimmt.
Einleitung
Der menschliche Körper besitzt über 650 verschiedene
Muskeln, welche etwa 35 bis 40 Prozent des gesamten
Körpergewichts ausmachen. All diese Muskeln besitzen
die Eigenschaft, durch Aktivierung Kräfte zu erzeugen und
ihre Länge zu ändern. Somit können der Mensch und auch
alle anderen Lebewesen mechanische Energie produzieren,
welche für die vielfältigen Bewegungen und deren
Regulation erforderlich ist.
Daher liegt die Beschreibung dieser wahren Kraftwerke
des Lebens schon seit langer Zeit im Interesse der Forschung,
um beispielsweise Aussagen über das Phänomen
der Muskelkontraktion treffen zu können. In der Wissenschaft
werden biomechanische Muskelmodelle zum
Beispiel zur Beschreibung der Muskelkontraktion (Siebert
et al., 2007; Siebert, Wagner, & Blickhan, 2003) sowie
als Motoren in komplexen Muskel-Skelett-Modellen
(Buchanan et al., 2004; Lloyd & Besier, 2003) verwendet.
Zudem sollen diese Modelle helfen, die Interaktion zwischen
aktiven (Aktin und Myosin), passiven (zum Beispiel
Epi-, Peri- und Endomysium) und aktivierungsabhängigen
Strukturen (beispielsweise Titin, nach Rode, Siebert, &
Blickhan, 2009a) der Muskulatur zu erklären.
Zur Modellierung werden unterschiedliche Ansätze verwendet,
um die Muskeleigenschaften aufzuschlüsseln.
Beispielsweise konnten in zahlreichen vorangegangenen
Arbeiten die Muskelaktivierung, die Faserverteilung oder
die Muskelermüdung beschrieben werden.
Eines der ersten mathematischen Modelle ist das makromechanische
Modell nach Hill (1922 & 1938). Dieses
Modell beinhaltet drei verschiedene Elemente. Ein kontraktiles
Element [CC], welches die aktiven Muskelfasern
beschreibt. Ein serienelastisches Element [SEC], welches
die Sehnen, Aponeurosen sowie die Serienelastizität der
kontraktilen Einheit darstellt und ein parallelelastisches
Element [PEC], das zum Beispiel den Bindegewebshüllen
der Muskulatur entspricht. Anhand der „Hill´ schen Gleichung“
konnte erstmals der nichtlineare Zusammenhang
zwischen Muskelkraft und Kontraktionsgeschwindigkeit
beziehungsweise die Abhängigkeit der Kraftproduktion
von der Muskellänge beschrieben werden. Als eines der
ersten mikrostrukturellen Modelle ist das von Huxley
(1957) zu nennen. Der als „Querbrückentheorie“ bezeichnete
Ansatz formuliert die Muskelkontraktion als eine Interaktion
zwischen Aktin- und Myosinfilamenten, welche
sich zueinander bewegen. Durch diese Relativbewegung
der beiden Filamente kommt es zur Längenänderung der
Muskulatur und somit zur Produktion der mechanischen
Energie. Diese beiden Modelle, auf makromechanischer
sowie mikrostruktureller Basis, werden für die Beschreibung
der dynamischen Kontraktion kompletter Muskeln
verwendet.
Seit einiger Zeit werden anhand der Finite- Elemente-
Methode dreidimensionale Muskelmodelle erstellt, um
die geometrisch komplexen Gegebenheiten während
einer Kontraktion simulieren zu können (Blemker & Delp,
2005; Böl & Reese, 2008; Meier & Blickhan, 2000). Die
meisten dieser FE- Modelle basieren auf einer phänomenologischen
Beschreibung des weichen Muskelgewebes
in Kombination mit eindimensionalen Hill- Modellen zur
Wiedergabe der aktiven Eigenschaften der finiten Elemente.
Mit Hilfe der auf FE- Basis konstruierten Modelle
sollen Prognosen über Trägheitseinflüsse, Geometrieänderungen
oder dem Verhalten von Innendrücken während
einer dynamischen Muskelkontraktion ermöglicht werden.
Ebenso könnten die Einflüsse von Zwangskräften oder die
Einwirkung von angrenzenden Muskeln untersucht werden.
Um das Potential dieser Methode für die Erlangung
eines besseren Verständnisses über die Kontraktionsdynamik
nutzen zu können, müssen die Muskelmodellparameter
anhand experimenteller Untersuchungen bestimmt
werden. Dieses Ziel soll anhand unseres Projektes realisiert
werden.
Material und Methoden
Die experimentelle Untersuchung der Muskeleigenschaften
erfolgte am isolierten M. soleus des Kaninchens.
Dieser eingelenkige Muskel wird durch eine unipennate
Architektur und eine homogene Muskelfaserverteilung
(Wank, 2000) charakterisiert. Der Muskel hat seinen
Ursprung am proximalen Teil der Fibula und mündet über
die Tendo calcaneus communis am Calcaneus, so dass er
hauptsächlich während der Plantarflexion agiert. Aufgrund
der hohen Resistenz gegen Ermüdung und der guten
experimentellen Anwendung eignet sich der M. soleus für
zahlreiche Versuche, um mit verschiedenen Methoden
seine Muskeleigenschaften zu bestimmen.
Das Kaninchen (♂, 2500g) wurde zu Beginn des Versuches
durch eine intravenöse Injektion in die Ohrvene
mit Natrium- Pentobarbital (30mg pro kg) betäubt.
Zusätzlich wurde mit Bupivacain (0,5%) eine epidurale
Anästhesie vollzogen, welche eine reversible Unterbrechung
der Erregungsleitung im Rückenmark bewirkt. Im
Anschluss erfolgte die Präparation der hinteren Extremität,
bei welcher ein Zugang zum N. tibialis, welcher den
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