Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Wie sich Muskelkraft auf das Skelett überträgt

20.03.2018

Bei der Übertragung von Muskelkraft auf das Skelett spielt das Bindegewebe eine wichtige Rolle: Sogenannte Aponeurosen umhüllen die Muskeln, unterteilen sie in ihrem Innern, und gehen in Sehnen über. Dehnt man den Muskel passiv, verhalten sich die Aponeurosen wie ein Gummiband, das länger und schmaler wird. Beim aktiven Zusammenziehen des Muskels werden die Aponeurosen jedoch länger und zugleich breiter. Somit werden sie auch steifer und wirken auf den Muskel zurück. Das hat Dr. Brent Raiteri vom Lehrstuhl Bewegungswissenschaft der Ruhr-Universität Bochum (RUB) gemeinsam mit Kollegen der University of Queensland mit Hilfe von Ultraschalluntersuchen herausgefunden. Sie berichten im Journal PNAS in der Ausgabe vom 19. März 2018.

Elastisches Gewebe speichert Kraft


Für seine Untersuchungen nutzte Brent Raiteri 3D-Ultraschall, eine aufwendige Methode, die Einblicke in Vorgänge innerhalb von Muskeln gewährt hat.

© RUB, Marquard

Eine grundlegende Aufgabe des elastischen Bindegewebes innerhalb und außerhalb der Muskulatur wie beispielsweise Sehnen und Aponeurosen ist es, Muskelkräfte auf das Skelett zu übertragen. Sie verhalten sich dabei ähnlich wie ein Gummiband, das sich dehnt, wenn eine Kraft auf es wirkt, wobei die Dehnung proportional zur wirkenden Kraft ist.

Diese Elastizität erlaubt es, mit zunehmender Kraft mehr Energie zu speichern und diese zurückzugeben, sobald die Kraft reduziert wird oder aufhört zu wirken. Sowohl von Sehnen als auch Aponeurosen weiß man, dass sie die Muskulatur mir ihren elastischen Eigenschaften unterstützen effizient und kraftvoll arbeiten zu können.

„Allerdings gibt es Hinweise aus Tierexperimenten, die nahelegen, dass sich Aponeurosen aufgrund ihrer flächigen Struktur nicht wie einfache elastische Gummibänder verhalten“, erklärt Brent Raiteri. „Anstatt unter der Wirkung von Muskelkräften länger und gleichzeitig schmaler zu werden, können Aponeurosen während Muskelaktivität gleichzeitig länger und breiter werden.“

Schwierige Vorhersage

Kräfte, die in einer Richtung auf Aponeurosen wirken, verändern so deren Steifigkeit in einer Richtung 90 Grad zur Kraftwirkung. Dadurch ist es schwieriger vorherzusagen, wie Muskeln ihre Kraft auf das Skelett übertragen und unter welchen Umständen Muskeln möglicherweise Verletzungen erleiden.

Um zu untersuchen, wie die dreidimensionale Muskelstruktur die Dehnung und Spannung der Aponeurosen während aktiver Muskelkontraktionen mit unterschiedlicher Kraft und bei unterschiedlichen Muskellängen beeinflusst, verwendeten Raiteri und seine Kollegen 3D-Ultraschall. Sie bestimmten die Länge und die Breite der Aponeurose des vorderen Schienbeinmuskels.

Ergebnis: Wurde der Muskel passiv gedehnt, dann wurde die Aponeurose sowohl länger als auch schmaler wie ein einfaches Gummiband. „Während willentlicher Muskelaktivität hingegen wurde die Aponeurose in der Länge gedehnt, gleichzeitig aber auch breiter, vermutlich aufgrund des Drucks innerhalb des Muskels und der Muskelverformung“, so Brent Raiteri. Diese Dehnung in die Breite bewirkt wiederum, dass die Aponeurose in Längsrichtung steifer wird, wobei die Steifigkeit der Aponeurose bei langen Muskellängen höher war als bei kürzeren.

Kraftübertragung besser verstehen

Die Änderung der Steifigkeit der Aponeurose beeinflusst während Muskelaktivität ihrerseits die Längenänderung der Muskelfaserbündel, die die aktive Muskelkraft erzeugen und sich dabei verkürzen. „Das ist deshalb bedeutend, weil die Kapazität der Muskelfaserbündel Kraft zu erzeugen maßgeblich von ihrer Länge und ihrer Verkürzungsgeschwindigkeit abhängt“, so Prof. Dr. Daniel Hahn, Inhaber des Lehrstuhls für Bewegungswissenschaft der RUB.

„Dieses Wissen hilft uns, die Wirkung von Kräften im Muskel und die Übertragung dieser Kräfte auf den Bewegungsapparat und somit die Effizienz menschlicher Fortbewegung besser zu verstehen und möglicherweise zu erklären, ob und welche Rolle Aponeurosen bei der Entstehung von Muskelverletzungen spielen“, so Hahn.

Die Vorhersage von Muskelkräften ist außerdem für Simulationen menschlicher Bewegung wichtig. Solche Prognosen können etwa dabei helfen, motorische Beeinträchtigungen durch Erkrankungen wie beispielsweise Schlaganfall besser zu verstehen, orthopädische Eingriffe wie zum Beispiel Muskelverlängerungen zu planen oder auch bioinspirierte Prothesen zu entwickeln.

Förderung

Brent Raiteri wurde durch ein australisches Postgraduiertenstipendium gefördert.

Originalveröffentlichung

Brent James Raiteri, Andrew Graham Cresswell, Glen Anthony Lichtwark: Muscle-tendon length and force affect human tibialis anterior central aponeurosis stiffness in vivo, in: Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), 2018, DOI: 10.1073/pnas.1712697115, http://www.pnas.org/content/early/2018/03/13/1712697115

Pressekontakt

Prof. Dr. Daniel Hahn
Lehr- und Forschungsbereich Bewegungswissenschaft
Fakultät für Sportwissenschaft
Ruhr-Universität Bochum
Tel.: 0234 32 27905
E-Mail: daniel.hahn@rub.de

Meike Drießen | idw - Informationsdienst Wissenschaft
Weitere Informationen:
http://www.ruhr-uni-bochum.de/

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht REANIMA - für ein neues Paradigma der Herzregeneration
08.11.2019 | IMP - Forschungsinstitut für Molekulare Pathologie GmbH

nachricht Wenn die Selbstheilungskräfte erschöpft scheinen
07.11.2019 | Charité – Universitätsmedizin Berlin

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: REANIMA - für ein neues Paradigma der Herzregeneration

Endogene Mechanismen der Geweberegeneration sind ein innovativer Forschungsansatz, um Herzmuskelschäden zu begegnen. Ihnen widmet sich das internationale REANIMA-Projekt, an dem zwölf europäische Forschungszentren beteiligt sind. Das am CNIC (Centro Nacional de Investigaciones Cardiovasculares) in Madrid koordinierte Projekt startet im Januar 2020 und wird von der Europäischen Kommission mit 8 Millionen Euro über fünf Jahre gefördert.

Herz-Kreislauf-Erkrankungen verursachen weltweit die meisten Todesfälle. Herzinsuffizienz ist geradezu eine Epidemie, die neben der persönlichen Belastung mit...

Im Focus: Göttinger Chemiker weisen kleinstmögliche Eiskristalle nach

Temperaturabhängig gefriert Wasser zu Eis und umgekehrt. Dieser Vorgang, in der Wissenschaft als Phasenübergang bezeichnet, ist im Alltag gut bekannt. Um aber ein stabiles Gitter für Eiskristalle zu erreichen, ist eine Mindestanzahl an Molekülen nötig, ansonsten ist das Konstrukt instabil. Bisher konnte dieser Wert nur grob geschätzt werden. Einem deutsch-amerikanischen Forschungsteam unter Leitung des Chemikers Prof. Dr. Thomas Zeuch vom Institut für Physikalische Chemie der Universität Göttingen ist es nun gelungen, die Größe kleinstmöglicher Eiskristalle genau zu bestimmen. Die Forschungsergebnisse sind in der Fachzeitschrift Proceedings of the National Academy of Science erschienen.

Knapp 100 Wassermoleküle sind nötig, um einen Eiskristall in seiner kleinstmöglichen Ausprägung zu formen. Nachweisen konnten die Wissenschaftler zudem, dass...

Im Focus: Verzerrte Atome

Mit zwei Experimenten am Freie-Elektronen-Laser FLASH in Hamburg gelang es einer Forschergruppe unter Führung von Physikern des Max-Planck-Instituts für Kernphysik (MPIK) in Heidelberg, starke nichtlineare Wechselwirkungen ultrakurzer extrem-ultravioletter (XUV) Laserpulse mit Atomen und Ionen hervorzurufen. Die heftige Anregung des Elektronenpaars in einem Heliumatom konkurriert so stark mit dem ultraschnellen Zerfall des angeregten Zustands, dass vorübergehend sogar Besetzungsinversion auftreten kann. Verschiebungen der Energie elektronischer Übergänge in zweifach geladenen Neonionen beobachteten die Wissenschaftler mittels transienter Absorptionsspektroskopie (XUV-XUV Pump-Probe).

Ein internationales Team unter Leitung von Physikern des MPIK veröffentlicht seine Ergebnisse zur stark getriebenen Zwei-Elektronen-Anregung in Helium durch...

Im Focus: Distorted Atoms

In two experiments performed at the free-electron laser FLASH in Hamburg a cooperation led by physicists from the Heidelberg Max Planck Institute for Nuclear physics (MPIK) demonstrated strongly-driven nonlinear interaction of ultrashort extreme-ultraviolet (XUV) laser pulses with atoms and ions. The powerful excitation of an electron pair in helium was found to compete with the ultrafast decay, which temporarily may even lead to population inversion. Resonant transitions in doubly charged neon ions were shifted in energy, and observed by XUV-XUV pump-probe transient absorption spectroscopy.

An international team led by physicists from the MPIK reports on new results for efficient two-electron excitations in helium driven by strong and ultrashort...

Im Focus: Weltweit erster Nachweis von strominduzierten Kräften zwischen zwei Molekülen

Einem Forscherteam um Professor Jörg Kröger, Leiter des Fachgebietes Experimentalphysik der TU Ilmenau, ist es in enger Zusammenarbeit mit theoretischen Physikern der Technischen Universität Dänemark gelungen, strominduzierte Kräfte in einem Kontakt aus genau zwei C60-Molekülen nachzuweisen. Die erzielten weltweit einzigartigen Ergebnisse sind bedeutsam für das grundlegende Verständnis kleinster elektrischer Kontakte und damit ihre Anwendung in miniaturisierten elektronischen Bauelementen. Sie wurden in der jüngsten Ausgabe der renommierten Fachzeitschrift „Nano Letters“ veröffentlicht.

In ihrem Artikel „Nonequilibrium Bond Forces in Single-Molecule Junctions“ zeigen die Wissenschaftler auf, dass die strominduzierten Kräfte deutlich...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Weniger Lärm in Innenstädten durch neue Gebäudekonzepte

08.11.2019 | Veranstaltungen

Automatisiertes Fahren und Recht

06.11.2019 | Veranstaltungen

Hochentropie-Legierungen für heiße Turbinen und unermüdliche Pressen

05.11.2019 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Laser versus Unkraut: LZH zeigt Agrar 4.0 auf der Agritechnica

08.11.2019 | Messenachrichten

Forschung für den Mittelstand 4.0: Digitale Zustandsüberwachung durch Schallemmisionsverfahren

08.11.2019 | Informationstechnologie

Absinkende Luftpakete mitverantwortlich für Hitzewellen

08.11.2019 | Ökologie Umwelt- Naturschutz

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics