Praktikumsanleitung zum Versuch Muskel

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1 Praktikumsanleitung zum Versuch Muskel UNIVERSITÄT LEIPZIG MEDIZINISCHE FAKULTÄT CARL-LUDWIG-INSTITUT FÜR PHYSIOLOGIE VERSION 3.1 Stichwörter: Unterschiede zwischen quergestreifter, glatter und Herzmuskulatur, direkte und indirekte Reizung, elektromechanische Kopplung, Latenzzeit, Kontraktionszeit, Erschlaffungszeit, Refraktärzeit, Summation von Einzelzuckungen, unvollständiger Tetanus, vollständiger Tetanus, Verschmelzungsfrequenz, funktionelle Besonderheiten verschiedener Muskelarten, motorische Einheit, kontraktiler Tonus der Skelettmuskulatur. Gültigkeit des Alles-oder-Nichts-Gesetzes für die Muskelfaser bzw. den Gesamtmuskel, Supramaximalreiz, passive Muskeleigenschaften (Ruhedehnungskurve), isotonische, isometrische und auxotonische Kontraktion, Unterstützungs- und Anschlagszuckung, Arbeit des Muskels, Ermüdung, Erholung, Einfluss der Arbeitsform und der Blutversorgung des Muskels, Struktur der Sarkomere und molekulare Mechanismen der Kontraktion. Lernziele zur Praktikumsvorbereitung: Nach der Vorbereitung zum Praktikumsversuch Muskel sind die Studierenden in der Lage: - die die wesentlichen aktiven und passiven Eigenschaften eines Muskels charakterisierenden Kurven im Länge-Spannungs-Diagramm zu zeichnen und zu interpretieren, - den Ablauf der Einzelzuckung von Skelettmuskeln zu beschreiben und das Zustandekommen tetanischer Kontraktionen zu erklären, - die Kontraktionseigenschaften von Skelettmuskel, Herzmuskel und glattem Muskel gegenüberzustellen, - die Einflüsse auf die Arbeitsfähigkeit und die Ermüdung eines Skelettmuskels zu erläutern, - das EMG, sein Zustandekommen und seine diagnostische Aussagekraft zu erklären. Das Praktikum besteht aus drei Stationen: Station 1: Experimente an einem von vier Myographen (Die Kurven im Skript sind Beispiele. Nutzen Sie für die Messungen Ihre selbst erhobenen Daten) Station 2: Experimente zur Muskelarbeit am Handergometer Station 3: Analyse von EMG-Beispielen am Neuroscreen 1 Versuche am Myographen Die Experimente werden mit einer computergestützten Messapparatur am Probanden durchgeführt. Alle Experimente werden mit indirekter Reizung (Nervus ulnaris) durchgeführt, die Reizung des Nervs führt zur Muskelkontraktion (Musculus adductor pollicis). Der rechte Unterarm eines Probanden wird in eine Fixationseinrichtung so eingespannt, dass der Drehpunkt des Daumengelenks in der Drehachse der Motor- /Sensoreinheit des Gerätes liegt. Dazu kann die gesamte Fixationseinrichtung in der Höhe verstellt werden. Zur besseren Justierung befindet sich auf der Stirnseite der Drehachse eine Leuchtdiode mit Optik, die einen Leuchtpunkt auf den Daumenballen projiziert. Auf der Drehachse ist ein Hebel angebracht, der zur Fixierung des Daumens mittels Klettband dient. Die Drehbewegungen und -kräfte der Motor-/Sensoreinheit müssen in Beziehung zu den realen Muskelkräften bzw. Muskellängen gebracht werden. Als Versuchsmuskel dient der M. adductor pollicis (lat.: Daumenheranzieher ), dessen fächerförmige Gestalt durch einen Kreisbogen geometrisch angenähert wird. Die Daten für den idealisierten Muskelradius und die Hebellänge (Strecke zwischen Drehachse und Daumenhalterung müssen für jeden Probanden vor Versuchsbeginn in das Programm eingegeben werden. Muskelradius des Probanden in cm: Hebellänge des Probanden in cm: Die Ableitelektroden für das Elektromyogramm (EMG) befinden sich in einer Art Dose, deren Position und Andruckkraft auf dem Daumenballen variiert werden kann. 1 / 13

2 Ein Not-Aus-Schalter (roter Taster) dient zum Schutz vor möglichen Gefährdungen und trennt das Gerät vom Netz. Außerdem kann der Versuch jederzeit über eine Abbruchtaste gestoppt werden. Gerät und PC sind entsprechend den Anforderungen an medizinische Geräte galvanisch entkoppelt. Aus dem Hauptmenü heraus wird zu Versuchsbeginn zuerst die optimale Lage der Reizelektroden und der Ableitelektroden (EMG-Dose) sowie die Fixierung der Hand geprüft und gegebenenfalls verändert. Über den Menüpunkt Optimierung der Stimuli werden 10 Reize im Abstand von 1 s appliziert. Damit kann die Lage der Reizelektroden optimiert werden. Die Experimente gliedern sich in Vor- und Hauptversuch. Im Vorversuch können alle Parameter variiert werden, um die optimalen Versuchsbedingungen zu finden. Die Einstellungen am Gerät werden automatisch in einer Parameter-Datei abgelegt. Der Hauptversuch erzeugt Datensätze auf der Festplatte unter Benutzung dieser gespeicherten Parameter. Abbildung 1: Lage des zu untersuchenden Muskels als Teil der tiefen Daumenballenmuskulatur 1.1 Einzelkontraktionen bei ansteigender Reizstromstärke Die Einzelzuckung stellt die Grundform der Muskeltätigkeit dar. Die zeitliche Auflösung der Einzelzuckung ergibt für Skelett-, Herz- und glatte Muskeln charakteristische Unterschiede (v.a. bzgl. der Kontraktionszeiten und Erschlaffungszeiten). Für den Skelettmuskel ist die Einzelzuckung nur bei phasischen Eigenreflexen bedeutsam. Willkürbewegungen entstehen durch Summation oder Superposition von Einzelzuckungen. Von einer genügend schnellen Reizfolge ab (Verschmelzungsfrequenz) lassen sich die zugeordneten Einzelzuckungen nicht mehr nachweisen (glatter Tetanus). Die charakteristischen Parameter der Einzelzuckung sind: Latenzzeit: Die Latenzzeit T L wird vom Reizzeitpunkt bis zum Beginn einer Kraftwirkung des Muskels gemessen. Sie setzt sich aus der elektrischen Latenzzeit T EL (vom Reizbeginn bis zum EMG-Beginn) und der elektromechanischen Latenz T EM (vom EMG-Beginn bis zum Beginn der Kraftwirkung) zusammen. Kontraktionszeit: Die Kontraktionszeit T K wird vom Beginn der Kraftwirkung bis zum Zeitpunkt der maximalen Kraft gemessen. Erschlaffungszeiten: Gemessen wird vom Zeitpunkt der maximalen Kraft bis zum Zeitpunkt, an dem die Kraft nur noch 50% (T E50 ) (Halberschlaffungszeit) bzw. 10% (T E10 ) ist. Diese Werte, insbesondere T K, bestimmen auch das Summationsverhalten des Skelettmuskels. Mit steigender Reizstromstärke vom unterschwelligen bis zu supramaximalen Reizen werden Einzelzuckungen registriert. 2 / 13

3 Abbildung 2: Einzelzuckung mit EMG Markieren Sie in Abb. 2 die Latenzzeiten T L, T EL, T EM, die Kontraktionszeit T K sowie die Erschlaffungszeiten T E50 und T E10. Notieren Sie die experimentell ermittelten Werte: T L = T EL = T EM = T K = T E50 = T E10 = Notieren Sie sich Werte für T K sowie für das Verhältnis von T K zur Erschlaffungszeit (T E10 ) verschiedener Muskeln (Herz-, Skelett- und glatter Muskel) von Mensch und Tier. Die Daten liegen aus. Vergleichen Sie die Kontraktion von Skelett- und Herzmuskel (Lehrbuch). Warum ist der Herzmuskel nicht tetanisierbar? Bestimmen Sie den Minimal- und Maximalreiz aus Ihren Messungen (Steigende Reizserie)! Minimalreiz: Maximalreiz: 3 / 13

4 1.2 Isometrische Maxima Eine bestimmte Vordehnung wird am Daumen eingestellt. Nach supramaximaler Reizauslösung fixiert der Hebel den Daumen so, dass sich der Muskel nicht verkürzen kann. Der Kraftzuwachs wird dabei registriert. Abbildung 3: Isometrische Messung: Nach dem Reiz (bei t=4 s) kommt es zu einem Kraftzuwachs (links). Die Muskellänge ändert sich dabei nicht (rechts). Dargestellt sind Kurven bei zunehmender Vordehnung. Übernehmen Sie die von Ihnen ermittelten Werte für die Vordehnung F(D) und den Kraftzuwachs F(K) ins F(D) in N: (1) (2) (3) (4) (5) F(K) in N: (1) (2) (3) (4) (5) Wie verändert sich der Kraftzuwachs bei steigender Vordehnung? Wird aus physikalischer Sicht bei diesem Experiment mechanische Arbeit verrichtet (Begründung)? Nennen Sie ein praktisches Beispiel für isometrische Muskelaktivität! 1.3 Isotonische Maxima, Hillsche Kurve und Leistungskurve Für jede vorgegebene Vordehnung am Daumen wird wieder ein supramaximaler Reiz ausgelöst. Über einen Regelkreis versucht der Myograph die Kraft am Daumen konstant zu halten. Der Muskel kann dabei kontrahieren, d.h. der Daumen schnipst nach vorn. Registriert wird die Muskelverkürzung (Weg). Abbildung 4: Isotonische Messung: Nach dem Reiz kommt es zu einer Muskelverkürzung (rechts). Die Kraft sollte sich nach dem Reiz eigentlich nicht ändern (links), aus technischen Gründen ist die Kontraktion aber leicht auxoton. 4 / 13

5 Abbildung 5: Ruhedehnungskurve und isotonische Maxima Zeichnen Sie in Abb. 5 die Pfeile von der Ruhedehnungskurve zum jeweiligen Maximum ein! Berechnen Sie die Verkürzungsgeschwindigkeit v aus der Muskelverkürzung L(K) und der Zeit Dt (= t) v K = L(K) / Dt (Tabelle 1) und stellen Sie diese in Abhängigkeit von der Vordehnung F(D) in der Abb. 6 dar (Hillsche Kurve). Berechnen Sie die Leistung P des Muskels aus der Kontraktionsgeschwindigkeit v K und der Vordehnung F(D) P = v K * F(D) (Tabelle 1) und stellen Sie diese in Abhängigkeit von der Vordehnung F(D) in der Abb. 6 dar (Leistungskurve). Maximale Muskelleistung bei:... Bei etwa wie viel Prozent der maximalen Vordehnung (Last) arbeitet der Skelettmuskel optimal (siehe Lehrbuch)?... F(D) in N L(K) in mm Dt in s vk = L(K) / Dt P = vk * F(D) Tabelle 1: Isotonische Maxima 5 / 13

6 Abbildung 6: Graphische Darstellung der Hillschen Kurve und der Leistungskurve. 6 / 13

7 1.4 Doppelreiz Superposition Der Proband wird mit einem Doppelreiz gereizt, wobei der Reizabstand immer kleiner wird. Abbildung 7: Beginnende Summierung der Kräfte bei einem Doppelreiz (Reizabstand: 0.1 s) und EMG Berechnen Sie die Kraftverhältnisse zwischen den jeweiligen Doppelreizen und der Einzelzuckung in Abhängigkeit vom Reizabstand. Die Kraft der Einzelzuckung (Twitch) ist die Kontraktionskraft F(K) bei 2 Hz. Tragen Sie F(K) sowie die berechneten Werte in Tab. 2 ein! Tragen Sie die berechneten Werte für die Kräfteverhältnisse Doppelreiz/Twitch in Abb. 8 ein! Bestimmen Sie aus Abb. 8 die Refraktärzeit der motorischen Fasern! Refraktärzeit: Frequenz f in Hz Reizabstand = 1/f in ms F(K) in N Kontraktionskraftverhältnis Doppelreiz/Twitch , , , , Tabelle 2: Doppelreiz 7 / 13

8 Abbildung 8: Doppelreiz-Twitch-Verhältnis in Abhängigkeit vom Reizabstand 1.5 Tetanus Der Proband wird mit mehreren Reizen eine Sekunde lang gereizt. Dabei wird die Reizfrequenz erhöht. Abbildung 9: Tetanus: Die Zahlen neben den Kurven geben die Anzahl der Reize innerhalb der Sekunde (Reizfrequenz in Hz) an. 8 / 13

9 Berechnen und zeichnen Sie das Tetanus-Twitch-Verhältnis (Tab. 3 und Abb. 10) in Abhängigkeit von der Reizfrequenz. Die Kraft der Einzelzuckung (Twitch) ist die Kontraktionskraft F(K) bei 2 Hz. Frequenz f in Hz F(K) in N Kontraktionskraftverhältnis Tetanus/Twitch Tabelle 3: Tetanus Abbildung 10: Tetanus-Twitch-Verhältnis in Abhängigkeit von der Reizfrequenz. 9 / 13

10 2 Arbeit Ermüdung Erholung: Messungen mit dem Handergometer Die Kontraktion des Muskels, gemessen als Längen- oder Spannungsänderung, hängt vom jeweiligen Dehnungszustand (Sarkomerlänge) ab. Das gilt auch für die verrichtete mechanische Arbeit. Ermüdung mindert die Arbeitsfähigkeit, sie ist durch restituierende Prozesse (Erholung, Bedeutung der Versorgung mit Sauerstoff) reversibel. Da die Prozesse, die der Erholung dienen, Zeit erfordern, gewinnt die Arbeitsform, insbesondere die Arbeits-Pausen-Beziehung, Einfluss auf die Leistungsfähigkeit. Eine sehr wichtige Rolle spielt dabei aber auch der Anteil der isometrischen Spannungsentwicklung gegen die äußere Kraft, der in der Bilanz der Arbeit nicht in Erscheinung tritt, obwohl sie Energie verbraucht. Auf diesen Zusammenhängen fußen wichtige arbeitsphysiologische Folgerungen. Die Untersuchungen erfolgen mit einem Handergometer. Dabei wird die Arbeit durch Faustschluss gegen eine pneumatisch erzeugte Kraft von 100 N verrichtet. Das Handergometer besitzt dafür einen beweglichen Handgriff, der von den Fingern der rechten Hand umschlossen wird, und einen feststehenden Griff als Widerlager, der der Handinnenseite anliegt. Zugkraft: Das Handergometer ist mit einem pneumatischen Zylinder gekoppelt. Die Zugkraft am Handgriff wird über den Luftdruck im Zylinder variiert. Überprüfen Sie den Luftdruck am Manometer: 100 N Zugkraft entsprechen 3.6 bar, gegebenenfalls muss aufgepumpt werden! Netzschalter: Das Gerät (ERGOSCAN 101) wird mit dem Schalter an der Rückseite des Elektronikteils eingeschaltet. Nach kurzem Selbsttest und Geräteabgleich ist das Gerät betriebsbereit. Display: Die obere Zeile des Geräts zeigt die absolute Position des Handgriffs an. Nullsetzen erfolgt durch längere (1 s) Betätigung der Reset-Taste. Die untere Zeile enthält den aufsummierten Anzeigewert. Mittels der Setup-Taste lässt sich dieser zwischen mm, Nm, cal und sek umschalten. Kurzes Drücken der Reset-Taste setzt diesen Wert auf Null. Arbeitsweg: Handgriff bis Anschlag ziehen und Arbeitsweg kontrollieren! Mittels der Gewindespindel lässt sich der Arbeitsweg entsprechend der Handgröße verändern. Eine Umdrehung entspricht 1mm Wegänderung. Zur Entlastung den Handgriff dabei etwas anziehen! Handgriff jetzt loslassen und die Reset-Taste lange (1 s) betätigen. Handgriff wieder bis Anschlag ziehen und erneut den Arbeitsweg kontrollieren. Arbeitstakt: Die blinkenden Balken im Display geben den Arbeitstakt vor. Voreingestellt ist eine Periodendauer von 2/3 s. Für einen anderen Takt die Setup-Taste betätigen, bis der Anzeigewert in sek in der unteren Zeile erscheint. Mit Up und Down lässt sich die gewünschte Periodendauer dann wählen. 2.1 Einfluss der Blutversorgung Durchführung bei normaler Blutzufuhr Es wird ein Weg zwischen 20 und 40 mm eingestellt (möglichst bequemer Arbeitsabstand), danach Arbeit bis zur Erschöpfung. Aus dem vom Zähler angezeigten Weg und der Kraft (100 N) wird die Arbeit in Joule berechnet (Arbeit W O ). Die Hand wird aus dem Ergometer genommen und eine Erholungspause von 1 min eingelegt, danach Wiederholung des Versuches in gleicher Anordnung. Der Proband hat vor dem nächsten Experiment eine Pause von 3 Minuten. Bestimmung der Arbeit jeweils bis zur vollständigen Ermüdung, vor (W O) und nach 1 min Pause (Erholungsarbeit W E). Berechnen Sie den Quotienten W E/W O und tragen alle Werte in Tab. 4 ein. Der Quotient W E/W O ist ein Maß für die Erholung. 10 / 13

11 2.1.2 Durchführung bei gedrosselter arterieller Blutzufuhr: Um den Oberarm wird die Blutdruckmanschette gelegt und auf etwa 180 mm Hg aufgepumpt, so dass die A. brachialis sicher komprimiert ist. Durchführung des Versuches wie oben. Wenn der Ermüdungsschmerz zu groß wird, muss die Manschette abgenommen werden. Das Abnehmen der Manschette bewirkt die schnelle Wiederherstellung der Arbeitsfähigkeit, die nach 1 min Pause mit dem Ergometer erneut zu prüfen ist (Arbeit W FIN ). Bestimmung der Arbeit jeweils bis zur vollständigen Ermüdung, vor (W M) und nach 1 min Pause (Erholungsarbeit W ME). Berechnen Sie den Quotienten W ME/W M und tragen alle Werte in Tab. 4 ein. Vergleichen Sie den Grad der Erholung bei normaler und gedrosselter Blutzufuhr. Bei welchen Krankheitsbildern kommt es zur mangelhaften Durchblutung von Muskeln? 2.2 Einfluss der Arbeitsform Die Versuche werden von einem anderen Probanden, ebenfalls mit der rechten Hand, durchgeführt. Der blinkende Balken in der Anzeige gibt den Arbeitstakt von 2/3 s oder 4 s vor. Jedes Signal wird mit einem Handschluss am Ergometer beantwortet, danach sofort wieder loslassen. Beim Zeitabstand von 2/3 s soll die Hubhöhe 7 mm (für kleine Hände 6 mm) betragen und damit der Leistung 1 Watt entsprechen. Arbeit bis zur vollständigen Ermüdung (Arbeit W 2/3). Anschließend 1 min Pause. Beim Zeitabstand 4 s soll die Hubhöhe 42 mm (für kleine Hände 36 mm) betragen, um die gleiche Leistung wie im ersten Versuchsteil zu erreichen. Arbeit bis zur Ermüdung (Arbeit W 4). Der Versuch kann abgebrochen werden, wenn W 4 > 2 * W 2/3 und keine Ermüdung auftritt. Bestimmung der Arbeit jeweils bis zur vollständigen Ermüdung bei einem Arbeitstakt von 2/3 s oder 4 s. Berechnen Sie den Quotienten W 2/3/W 4 und tragen alle Werte in Tab. 4 ein. Was bedeutet W 2/3/W 4 < 1? Einfluss der Blutversorgung Vorgang Weg Manschette Arbeit in J Grad der Erholung Arbeit bis zur Erschöpfung 20 bis 40 mm ohne W O= 1 Minute Pause ohne Arbeit bis zur Erschöpfung gleicher Weg ohne W E= W E/W O= 3 Minuten Pause ohne Arbeit bis zur Erschöpfung gleicher Weg mit W M= 1 Minute Pause mit Arbeit bis zur Erschöpfung gleicher Weg mit W ME= W ME/W M= 1 Minute Pause ohne Arbeit bis zur Erschöpfung gleicher Weg ohne W FIN= Tabelle 4: Ergebnisse zur Muskelarbeit 11 / 13

12 Einfluss der Arbeitsform Vorgang Weg Takt Arbeit in J Arbeitsformquotient Arbeit bis zur Erschöpfung 7 mm 2/3 s W 2/3 = (6 mm) 1 Minute Pause Arbeit bis W 4 > 2*W 2/3 42 mm (36 mm) 4 s W 4= W 2/3/W 4= Tabelle 4: Ergebnisse zur Muskelarbeit 3 Elektromyogramm Wie entsteht ein Elektromyogramm (EMG) und wodurch unterscheiden sich Oberflächen-EMG und Nadel-EMG (Bauform der Elektroden, Signal)? Notieren Sie einige klinische Anwendungen (s. Poster). Analysieren Sie am Neuro-Screen das Nadel-EMG eines gesunden Probanden: Was passiert, wenn der Proband den Muskel völlig entspannt? Wie sieht das Signal bei Muskelanspannung aus (kleine Skizze)? 12 / 13

13 Wählen Sie sich einen pathologischen Fall aus: Schreiben Sie eine kurze Fallbeschreibung. Skizzieren Sie den Signalverlauf. Nehmen Sie ihr eigenes Oberflächen-EMG auf. Wie groß (in mv) ist etwa ihr Oberflächen-EMG? 13 / 13