Oszillation und Adaptation als Mechanismen neuromuskulärer Steuer- und Regelprozesse
Oszillation und Adaptation als Mechanismen neuromuskulärer Steuer- und Regelprozesse
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Original abstract
Neuromuskuläre Regulationsprozesse sind für die Anpassung an Lebensbedingungen essenziell. Die Erforschung des Zusammenspiels von Muskel-Skelett- und Nervensystem (Neuromechanik) umfasst u.a. Adaptations- und Regelprozesse sowie Veränderungen dieser bei Verletzungen, Beschwerden oder Erkrankungen. Grundlegend dafür ist das neuro- und muskelphysiologische Verständnis der Muskelaktionen. Als Theoriebasis dient daher eine Übersicht wissenschaftlicher Erkenntnisse zur Neurophysiologie muskulärer Steuerung. Ziel der präsentierten Studien ist, zum Erkenntniszuwachs neuromuskulärer Steuerung und Regulation sowie zum Verständnis von Pathomechanismen beizutragen und neue Wege in der Diagnostik zu erschließen. Fokussiert wurden neuromuskuläre Oszillationen und die Anpassungsfähigkeit als Reaktion auf interne oder externe Stimuli sowie bei Erkrankungen. Die wenig verbreiteten Fragestellungen wurden mittels neuartiger, z.T. eigens entwickelter Methoden und Auswertealgorithmen untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass bei isometrischer Muskelaktion die kapillare Sauerstoffversorgung des Muskels aufrechterhalten werden kann, obgleich diese aufgrund hoher intramuskulärer Spannung – theoretisch – unterbrochen werden müsste. Dabei kristallisieren sich zwei Regulationstypen heraus. Relevant sind ferner Fragestellungen bzgl. Steuer- und Regelmechanismen, die sich auf Koordination zwischen Muskeln einer, aber auch zwischen zwei Personen beziehen. Letzteres blieb bislang völlig unbeachtet. Die Ergebnisse zeigen, dass mechanische Muskelschwingungen (erfasst mittels Mechanomyografie; MMG) zweier neuromuskulärer Systeme während isometrischer Interaktion kohärentes Verhalten entwickeln können. Die neurodegenerative Erkrankung Parkinson (PD) zeichnet sich u.a. durch motorische Symptome aus. Die Degeneration entsteht jedoch vor Auftreten dieser. Daher erscheint die Untersuchung muskulärer Oszillationen in prämotorischen Stadien relevant. PD-Patienten ohne Tremor zeigten in einem neuartigen bilateralen Setting signifikant abweichende muskuläre Oszillationsmuster (MMG) im Vergleich zu Controls. Muskeloszillationen regen die zugehörige Sehne zu Schwingungen an. Eine Methode zur Erfassung dieser wurde entwickelt (Mechanotendographie; MTG). Damit untersuchte Achillodynie-Patienten zeigten signifikant geringere Variation in MTG-Signalen in einem Setting unter Vorspannung und Belastung der muskulotendinösen Strukturen. Die Studien an PD- und Achillodynie-Patienten könnten weiterführende Erkenntnisse bzgl. Pathophysiologie und neuartiger Diagnostik-Ansätze liefern. Eine Fragestellung zur Erforschung isometrischer Muskelaktion ergibt sich daraus, dass sich subjektiv zwei Modi unterscheiden lassen: Man kann isometrisch halten oder drücken. Eine solche Unterteilung ist bislang nicht vorgesehen. Die Studienergebnisse sprechen auch für das Vorhandensein von objektiven Unterschieden. Auf Basis dessen wird eine Differenzierung der isometrischen Muskelaktion in eine haltende und eine drückende Form vorgeschlagen. Im Haltemodus muss das neuromuskuläre System auf externe Kräfte reagieren. Insb. bei veränderlicher Last erfordert das einen ständigen Spannungs-Längen-Abgleich zwischen Muskel und Steuerzentren. Diese Anpassungsfähigkeit ist bei Aktivitäten im Alltag und Sport notwendig, um adäquat auf externe Bedingungen reagieren zu können; wurde bislang jedoch kaum berücksichtigt. Sie wurde vom Team als Adaptive Force (AF) eingeführt. Mangels geeigneter Messsysteme wurden solche entwickelt und evaluiert. Plausibel ist, dass es für die Anpassung an veränderliche Kräfte einer komplexeren Steuerung bedarf als beim isometrischen Drücken. Auf Basis neurophysiologischen Wissens lässt sich vermuten, dass die AF durch interne oder externe Reize moduliert werden kann. Diese neuromuskuläre Funktion wird seit Jahrzehnten mit manuellen klinischen Tests geprüft. Zur Objektivierung wurde ein Handheld-Gerät zur AF-Erfassung entwickelt und evaluiert. Pilotmessungen zur Reaktion der AF auf olfaktorische Inputs, Imaginationen sowie Nozizeption weisen darauf hin, dass sich die muskuläre Adaptationsfähigkeit durch störende Inputs verändern kann. Dies könnte ein Schlüssel für das Verständnis von Verletzungsmechanismen und Muskel-Skelett-Beschwerden sein. Da die AF bislang weder wissenschaftlich noch anwendungspraktisch erschlossen ist, erscheint es lohnenswert, diesem Thema perspektivisch mehr Aufmerksamkeit zu widmen. Aus Sicht der Autorin besteht hier eine Lücke im Theoriengebäude der Bewegungswissenschaft, die es zu schließen gilt. Wenn gesichert ist, dass seelischer Stress immunologische, vegetative und hormonelle Auswirkungen hat – wieso dann nicht auch motorische? Dieser Idee folgend eröffnen sich neue Perspektiven und Erklärungsansätze für bisher wenig verstandene Somatisierungen (z.B. Zusammenhang Rückenschmerz und seelischer Stress). Gegenstand der Trainingswissenschaft ist u.a. Leistungssteigerung, aber auch Resilienz gegen Verletzungen. Die AF bildet aufgrund der adaptiven Komponente Aktivitäten im Sport besonders gut ab. Eine Studie zur explosiven AF ergab, dass eine geringe muskuläre Vorspannung vor einer impulsartigen Kraftapplikation zu einer unmittelbaren Erhöhung der AF führt. Dies eröffnet neue Ansätze für Training mit höheren Lasten, das wegen vorhandener Adaptation zur Verletzungsprävention beitragen könnte. Zur weiteren Erforschung des postulierten Potenzials dieser besonderen Steuer- und Regelprozesse wird ein enger interdisziplinärer Austausch zwischen Sport-, Bewegungs-, Gesundheits-, Neurowissenschaften sowie Medizin vorgeschlagen. Im Falle einer Verifizierung sollten die Ansätze in die entsprechenden Wissenschaftsfelder sowie in die medizinische Diagnostik und Therapieverlaufskontrolle implementiert werden. Neuromuscular regulatory processes are essential for adapting to life conditions. Research on the interplay between the musculoskeletal and the nervous system (neuromechanics) includes, among others, adaptation and regulation processes, as well as changes to these due to injuries, complaints, or diseases. A neurophysiological and muscle physiological understanding of muscle actions is fundamental to this. An overview of scientific findings on the neurophysiology of muscle control therefore serves as a theoretical basis. The aim of the studies presented is to contribute to the increase of knowledge in neuromuscular control and regulation, as well as to the understanding of pathomechanisms and to uncover new diagnostic approaches. The focus was on neuromuscular oscillations and adaptability in response to internal or external stimuli, as well as in diseases. The less common research questions were examined using innovative, partly specially developed methods and evaluation algorithms. It has been shown that the capillary oxygen supply to the muscle can be maintained during isometric muscle action, although this should—theoretically—be interrupted due to high intramuscular tension. Two types of regulation have emerged. Also relevant are questions regarding control and regulation mechanisms that relate to coordination between muscles of the same person, but also between two individuals. The latter has so far remained completely unnoticed. The results showed that mechanical muscle oscillations (measured by mechanomyography, MMG) of two neuromuscular systems can develop coherent behavior during isometric interaction. The neurodegenerative Parkinson’s disease (PD) is characterized by motor symptoms, among others. However, degeneration occurs before these symptoms appear. Therefore, investigating muscle oscillations in premotor stages seems relevant. It has been shown that patterns of muscle oscillations (MMG) assessed in a novel bilateral setting differ significantly between PD patients without tremor and controls. Muscles stimulate the corresponding tendon to oscillate. A method for recording these was developed (mechanotendography, MTG). Patients with Achilles tendinopathy showed significantly less variation in MTG signals in a setting involving pre-tensioning and loading of the musculotendinous structures. The studies on patients with PD and tendinopathy could provide further insights into pathophysiology and novel diagnostic approaches. Another question for the study of isometric muscle action arises from the fact that two modes can be distinguished subjectively: one can either hold or push isometrically. Such a distinction has not yet been made. The study results also indicate the existence of objective differences. Based on this, a distinction between a holding and a pushing type of isometric muscle action is proposed. In holding mode, the neuromuscular system must react to external forces. Especially when the load varies, this requires constant tension-length adjustment between the muscle and control centers. This adaptability is necessary in everyday activities and sports in order to react adequately to external conditions; however, it has been rarely considered. The team introduced the term of Adaptive Force (AF) for this special neuromuscular function. Due to the lack of suitable measurement systems, these were developed and evaluated. It is plausible that adapting to changing forces requires more complex control processes than isometric pushing. Based on neurophysiological knowledge, it can be assumed that the AF can be modulated by internal or external stimuli. This neuromuscular function has been tested clinically for decades using manual clinical tests. To objectify this, a handheld device for measuring AF was developed and evaluated. Pilot measurements on the response of AF to olfactory inputs, imaginations, and nociception suggest that muscle adaptability can be altered by disturbing inputs. This could be key to understanding injury mechanisms and musculoskeletal complaints. As AF has not yet been explored either scientifically or in terms of practical application, it seems worthwhile devoting more attention to this topic in the future. From the author's point of view, there is a gap in the theoretical framework of movement science that needs to be closed. If it is established that mental distress has immunological, autonomous, and hormonal effects, why not motor effects as well? Following this idea opens up new perspectives and explanatory approaches for poorly understood somatizations (e.g., the connection between back pain and mental distress). The focus of training science includes not only performance enhancement but also resilience against injuries, among others. Due to its adaptive component, AF is particularly close to activities in sports. A study on explosive AF showed that low muscular pre-tension before an impulse-like force application leads to an immediate increase in AF. This opens up new approaches for training with higher loads, which could contribute to injury prevention due to the existing adaptation. For further exploration of the postulated potential of these special control and regulation processes, close interdisciplinary collaboration between sports, movement and health sciences, neuroscience and medicine is recommended. In the event of verification, these approaches should be implemented in the relevant scientific fields as well as in medical diagnostics and therapy monitoring.