Modulation der Muskel-Sehnen-Interaktion bei Drop Jumps und Drop Landings unter verschiedenen Gravitationsbedingungen

Abstract

Die führenden Weltraumagenturen planen interplanetare Exkursionen zu unseren astronomischen Nachbarn Mars und Mond für die unmittelbare Zukunft. Empirische Erkenntnis über die Anpassungsfähigkeit des sensomotorischen Systems und der daraus resultierenden neuro-mechanischen Kontrolle der Skelettmuskulatur unter verschiedenen Schwerkraft- und Umweltbedingungen ist dabei von größter Bedeutung für eine sichere Durchführung derartiger Langzeitmissionen. Eine exzentrisch-konzentrische Koppelung der Muskel-Sehnen-Einheit ist für alle lokomotorischen Bewegungen ein charakteristisches Attribut und dient dazu, dass Energie effizient in den parallel- und serienelastischen Elementen des Bewegungsapparates gespeichert und wieder zurückgegeben wird. Ziel des vorliegenden Forschungsprojektes war es, die Funktionen und das Zusammenspiel von Muskel und Sehne besser zu verstehen und damit die Steuerung und Anpassung der menschlichen Bewegung an unterschiedliche Schwerkraftbedingungen auf neuromechanischer Ebene ganzheitlich zu bewerten. Um die Interaktion der Muskel-Sehnen-Einheit während der menschlichen Fortbewegung an veränderte Gravitation mit wissenschaftlicher Systematik zu untersuchen, wurden Ultraschalluntersuchungen des Muskels und der Achillessehne in Kombination mit neuromuskulären, kinematischen und kinetischen Messungen während der verschiedenen Übergangsphasen des Parabelflugs bzw. im Fallhöhenexperiment durchgeführt. Mittels Ultraschalluntersuchungen konnte die Bewegung des Muskel-Sehnenübergangs verfolgt und damit das Sehnenverhalten bewertet werden, während die 2D bzw. 3D Bewegungserfassung die Position der zugehörigen Körpersegmente aufgezeichnet hat. Durch die Kombination dieser Messungen kann die Steifigkeitsregulation der Muskel-Sehnen-Einheit, das Sehnenverhalten und das Energiemanagement abgeschätzt und bewertet werden. Zudem helfen elektromyographische Messungen, das Verhalten des Muskels aufzuzeichnen, um so die Steifigkeitsregulation des Muskel-Sehnen-Komplexes und die entssprechende Längenänderungen der Sehne bzw. der Muskel-Sehnen-Einheit interpretieren zu können. Die biomechanischen Daten bestätigen die Ergebnisse der bisherigen Parabelfluguntersuchungen (FKZ 50WB1715). Die Daten des aktuellen Forschungsprojektes (FKZ 50WB2114) zeigen, dass in der 1g Bedingung die kürzesten Bodenkontaktzeiten realisiert werden und der reaktive Sprungkraftindex (Verhältnis aus Sprunghöhe und Bodenkontaktzeit) am höchsten ausgeprägt ist. In Hypo- und Hypergravitation ist die Bodenkontaktzeit verlängert und der Sprungkraftindex geringer. Die Sprung- und Kniegelenkflexion ist während Bodenkontakt ebenfalls in 1g am geringsten, während in Hypergravitation höhere Bodenreaktionskräfte durch größere Kniegelenkflexion kompensiert werden. Wie im Vorgängerprojekt steigt die kinetische Energie vor Bodenkontakt als Funktion der Gravitation progressiv an. Ab 1.25g scheint eine Energieumwandlung in Wärme stattzufinden; dies wurde bereits im Vorgängerprojekt durch die exzentrische Verlängerung des Muskels bestätigt. Das veränderte Energiemanagement ist auf eine geringere Voraktivierung (Hypogravitation) und eine reduzierte Muskelaktivität der beteiligten Muskelgruppen während Bodenkontakt (Hypo- und Hypergravitation) im Vergleich zu 1g zurückzuführen. Die Achillessehne scheint insbesondere in der Hypo- und Hypergravitationsbedingung vor initialem Bodenkontakt weniger vorgespannt zu sein. In Hypogravitation zeigt sich zudem eine im Vergleich zu Hypergravitation und im Vergleich zu 1g eine deutlich geringere maximale Dehnung der Sehne während Bodenkontakt. Zudem bestätigen die erstmals im Parabelflug erhobenen Sehnendaten, dass abweichende Umweltbedingungen das Sehnenverhalten negativ beeinflussen. Der bereits im Vorgängerprojekt beobachtete Schutzmechanismus wurde durch die veränderte Sehnenmechanik bestätigt. Demnach ist Lokomotion jenseits der Erde möglich, ohne die damit verbundenen Strukturen zu beschädigen. Hinsichtlich zukünftiger Langzeitmissionen ist das Wissen über die Anpassungsfähigkeit des motorischen Systems von zentraler Bedeutung, wenn es darum geht missions-kritische Aufgaben zu bewältigen oder Countermeasure-Interventionen zu konzipieren. Außerdem können die gewonnenen Erkenntnisse auch in die Entwicklung von Trainingsgeräten und -programmen für Menschen auf der Erde einfließen. The leading international space agencies are planning interplanetary excursions to our astronomical neighbours, mars and moon, for the immediate future. Empirical knowledge about the adaptability of the sensorimotor system and the resulting neuro-mechanical control of the skeletal muscles under different gravitational and environmental conditions is of high importance for the safe execution of such long-term missions. An eccentric-concentric coupling of the muscle-tendon unit is a characteristic attribute of all locomotor movements and serves to ensure that energy is efficiently stored and returned to the parallel and serial elastic elements of the musculoskeletal system. The aim of the present research project was to better understand the functions and interaction of muscle and tendon and thus to holistically evaluate the control and adaptation of human locomotion during variable gravity conditions. In order to investigate the muscle-tendon interaction during human locomotion in changing gravity with scientific systematics, ultrasound recordings of the muscle and the Achilles tendon were carried out in combination with neuromuscular, kinematic and kinetic measurements during various transition phases of parabolic flights and in the drop height paradigm. The ultrasound examination was used to track the movement of the muscle-tendon junction and thus evaluate the tendon behaviour, while the 2D and 3D motion capture recorded the position of the associated body segments. By combining these measurements, the stiffness regulation of the muscle-tendon unit, tendon behaviour and energy management can be estimated and evaluated. In addition, electromyographic measurements help to record the behaviour of the muscle to interpret the stiffness regulation of the muscle-tendon complex and the corresponding changes in length of the tendon or muscle-tendon unit. The biomechanical data confirms the results of the previous parabolic flight project (FKZ 50WB1715). The data from the current research project (FKZ 50WB2114) show that the shortest ground contact times and highest reactive strength index are realised in the 1g condition. In hypo- and hypergravity, the ground contact time is longer and the reactive strength index is lower. The ankle and knee joint flexion during ground contact is also lowest in 1g, while in hypergravity higher ground reaction forces are compensated for by greater knee joint flexion. As in the previous project, the kinetic energy before ground contact increases progressively as a function of gravity. From 1.25g, energy seems to be transferred to heat; this was already confirmed in the previous project by the eccentric lengthening of the muscle. The altered energy management is compromised by a lower pre- activation (hypogravity) and a reduced muscle activity of the muscle groups during the ground contact phase (hypo- and hypergravity) compared to 1g. The achilles tendon appears to be less pretensioned before initial ground contact, especially in the hypo- and hypergravity condition. In hypogravity, there is also a significantly lower aximum elongation of the tendon during ground contact compared to hypergravity and compared to 1g. In addition, the data, for the first time collected in parabolic flight setting, confirms that variable environmental conditions have a negative influence on the tendon mechanics and its capacity to store and reutilize elastic energy. The protective mechanism already observed in the previous project was confirmed by the modified tendon mechanics. This means that locomotion beyond earth is possible without damaging the associated structures. With regard to future long-term missions, knowledge about the adaptability of the sensorimotor system is of central importance when it comes to mastering mission-critical tasks or designing countermeasure interventions. The knowledge gained can also be incorporated into the development of training devices and programmes for humans on earth.