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1 MUSKEL + REFLEXEE I. Lehrziele Ziel ist es, zunächst den anatomischen und physiologischen Aufbau des Muskels zu verstehen. Des Weiteren soll s der Unterschied zwischen glatter Muskulatur und Herz- und Skelettmuskulatur verdeutlicht werden. Zudem sollte der Vorgang V derr Kontraktion und der elektromechanischen Kopplung nach Durcharbeiten der Anleitung klar sein (die Bedeutung des Calciums bei der Muskelkontraktion sei hier besonderss erwähnt). Zentrale Begriffe der Muskelmechanik sollten verstanden werden. In der Muskel-Energetik spielen vor allem die Energiequellen eine wichtige Rolle und sollten deshalb bekannt sein. Es ist von besondererr Bedeutung, die verschiedenen Reflexarten und deren Reflexbögen nachzuvollziehen und die Sensoren und ihren Wirkungsweise und gegebenenfalls ihre Funktion zuu verstehen. Die Vorlesung zum Muskel ist geeignet zur Vorbereitung für dass Praktikum und das Physikum. Dieses Skript liefert dazu nur das Basiswissen. II. Einleitung Hinsichtlich der Funktion unterscheide et man zunächst drei Muskeltypen n: Skelettmuskulatur Herzmuskel glatte Muskulatur Sie unterscheiden sich sowohl im histologischen Aufbau alss auch funktionell. Zunächst wird auf den Skelettmuskel und anschließend auf die glatte Muskulatur eingegangen. A. Der Skelettmuskel 1. Anatomische Grundlagen Der Skelettmuskel an sich ist aus vielkernigen Muskelfasern n aufgebaut. Eine Muskelfaser ist die funktionellee Einheit des Muskels: = die Skelettmuskelzelle. Sie hatt eine schlauchförmige Gestalt, einen Durchmesserr von µm und eine Länge von v bis zu 20 cm und mehr (Bsp.: M. sartorius). Die Skelettmuskelfaser ist somit eine lange multi-nukleäm äre Zelle. Sie wird von Bindegewebe, dem Endomysium umgeben. Es umgibt mitt retikulärenn Fasern jede Muskel- faser, die ihrerseits von einer Basallamina umgeben ist. Das EndomysiumE ist für die Reiss Aus Schmidt. Thewes und Lang, 300 Aufl, Springer

2 MUSKULATUR 2 festigkeit des Muskels verantwortli ich. Viele Muskelfasern bildenn ein Primärbündel (Durchmesser ~ 1 mm). Auch dieses ist von Bindegewebe, dem Perimysium, umgeben. Mehrere Primärbündel bilden Sekundärbündel (Sekundärfaszikel, Faszikel = Bündel), die die makroskopisch sichtbare Faserungg des Muskels (Fleischfaser) zeigen. Der ganze Muskel ist von einer Faszie umgeben, die auf der Innenseite lockeress Bindegewebe, das Epimysium,, besitzt. Die Skelettmuskelzelle enthält zahlreiche dichtgepackte Myofibrillen, die sich über die gesamte Länge einer Muskelfaser erstrecken. Zwischen den Myofibrillen liegt das Zytoplasma der Muskelfasern, Sarkoplasma genannt. Die PlasmamembP mbran der Muskelfasern wird als Sarkolemm bezeichnet. Eine Myofibrille besteht aus den kontraktilen Proteinen Aktin und Myosin, den regulatori- schen Proteinenn Troponin und Tropomyosin und einer Reihe von Struktur- und Zytoskelett- proteinen wie Desmin, Dystrophin, Titin, etc. Dystrophin bzw. Dystrophin-Dimere spielen hierbei eine zentrale Rolle. Dystrophin-Dimere verankern auf der intrazellulären Seite des Sarkolemms Aktinfilamente des Zytoskeletts an Sarkoglykanen, die Bestandteil von Proteinkomplexen im Sarkolemm sind. Diese Membrankomplexe sind ihrerseits über Merosin an Kollagenfibrillen der extrazellulärenn Matrix gekoppelt. Klinik: Muskeldystrophie Typ Duchenne und Typ Becker B Ursache für diese Muskeldystrophie ist eine X-chromosomal rezessiv vererbte (m, 1:3000) Mutation im Dystrophin -Gen (größtes bekanntes Gen hohe Rate von Spontanmutationen). Ess kommt dadurch zu einer Störung der Verbindung zwischen kontraktilem Apparat, Sarkolemm und umgebendem Bindegewebe,, was zur Folge hat, dass das Sarkolemm beii Muskelkontraktion geschädigt wird, w so dass es letztendlich zu einem Untergang von Skelettmuskelfasern kommt. Die Erkrankung führt im Verlauf von etwa 10 Jahren zu vollständigerr Geh- und Stehunfähigkeit. Letztendlich lebens- Herzmuskelschwäche. Myosin (sog. dickes Filament) und Aktin (sog. dünnes Filament) F haben unterschiedlichee optische Eigenschaften, so dass Skelettmuskelfasern im Lichtmikroskopp eine charakteristischee Streifung aus hellen und dunklen Banden zeigen (sog. Cohnheim'sche Felderung), was auf die regelmäßige Anordnung beider Filamente zurückzuführen ist. Man unterscheidet zwischen dunkler A-Bande (dicke Myosinfilamente) und heller I-Bande (dünne Aktinfilamente) siehe begrenzend sind die Beeinträcht tigung der Atemmuskulatur und die zunehmende Abb.

3 MUSKULATUR 3 Im Zentrum der A-Bande liegt die H-Zone (keine Myosin-Aktin-Überlappung) mit der M- Linie, an der die Myosinfilamente verankert sind. Jede I-Bande wird durch eine Z-Scheibe (an ihr sind die Aktinfilamente über α-aktinin verankert) in der Mitte geteilt der Abschnitt zwischen zwei Z-Scheiben wird als Sarkomer bezeichnet. Des weiteren ist Myosin in der A-Bande an Titin gebunden (ein Protein von kd) und über selbiges an/in der Z-Scheibe verankert. Titin ist funktionell im Bereich der A-Bande steif, in der I-Bande dagegen elastisch. Merke: Jede Muskelfaser (= Muskelzelle) besteht aus einem Bündel dichtgepackter Myofibrillen (von Tubuli umgebene Filamentbündel), welche Myofilamente (Aktin- u. Myosin-Filamente) enthalten. Sehnen Als Sehnen (Tendon) bezeichnet man die weiß glänzenden Endstücke der Muskeln. Sie bestehen aus zugfesten kollagenen Faserbündeln (Kollagen Typ I und Typ III) und sind von der Sehnenhaut (Peritendineum) umgeben. Da nur wenige Nerven und Blutgefäße in den Sehnen vorhanden sind, besitzen sie eine schlechte Regenerationsfähigkeit. Als weiteren Bestandteil enthalten sie Elastin, welches ihnen eine gewisse Elastizität verleiht. Die Befestigung der Sehnen am Knochen erfolgt an den sog. Apophysen. Ihre Funktion ist die Kraftübertragung vom Muskel auf das Skelett. Sie sind sehr widerstandsfähig gegenüber Zugkräften, weniger jedoch gegenüber Scherkräften oder Druckeinwirkungen. Nota bene: Die stärkste Sehne am menschlichen Körper ist die Achillessehne (Tendo calcaneus) - sie hält über eine Tonne an Zugbelastung aus! 2. GLEITFILAMENT-THEORIE Die Muskelverkürzung beruht darauf, dass Aktin- und Myosinfilamente innerhalb eines Sarkomers aneinander vorbeigleiten ( Filament-Gleit-Theorie von Huxley). Wichtig: beide Filamente ändern dabei nicht ihre Länge!! Nur die Länge der Sarkomere (Abstand der Z-Scheiben) verändert sich. Dementsprechend bleibt die Breite der A-Bande bei der Kontraktion konstant, weil die H-Zone und die I-Bande sich in gleichem Ausmaß verschmälern (bei Dehnung läuft es umgekehrt: H-Zone und I- Bande werden breiter, A-Bande bleibt wiederum konstant). Durch serielle Anordnung der Sarkomere addiert sich die Verkürzung der einzelnen Sarkomere zur makroskopisch sichtbaren Verkürzung des entsprechenden Muskels. 3. KONTRAKTION / KONTRAKTIONSZYKLUS Die aktive Verkürzung und die Erzeugung von Muskelkraft hängt von einer durch hydrolytische Spaltung von ATP betriebenen zyklischen Wechselwirkung zwischen Myosinköpfen und Aktinfilamenten (= Querbrückenzyklus) ab. Um den Kontraktionszyklus zu verstehen, muss kurz auf den molekularen Aufbau von Aktin und Myosin eingegangen werden das Myosin (-Filament) Das Myosinfilament entsteht durch Zusammenlagerung von etwa 300 Myosinmolekülen. Das einzelne Myosinmolekül besteht aus 2 schweren und 4 leichten Myosinketten (s. Abb).

4 MUSKULATUR 4 Abb. aus Deetjen, Speckmann, 3. Auflage, Urban & Fischer Verlag Die beiden schweren Ketten bestehen jeweils aus einem α-helikalen Schwanzteil (LMM, light Meromyosin) und einer globulären Kopfdomäne (HMM, heavy Meromyosin, Myosinkopf).. An jedem Myosinkopf sind weiterhin 2 leichte Ketten (LK) assoziiert a (s. Abb) der distale Teil des Kopfes ist die katalytische Domäne, die an Aktin bindet und in ihrem aktiven Zentrum ATP hydrolysieren kann das Aktinfilament Das Aktinfilament entsteht durch Zusammenlagerung von 2 Strängen (F-Aktin), die ihrerseitss jeweils aus ca. 200 globulären Aktinmonomeren (G-Aktin) bestehen. Jedes G-Monomer besitzt eine Bindungsstellee für einen Myosinkopf. Jedes Aktinfilamentnt ist mit Tropomyosin und Troponin C, I und T assoziiert. (Abb. aus Deetjen, Speckmann, 3. Auflage,, Urban & Fischer Verlag) der Kontraktionszyklus Im wesentlichenn beinhaltet der Querbrückenzyklus folgende Schritte (nachvollziehbar anhand der folgendne Abb.): Grundzustand: Der Myosinkopf ist hochaffin an das Aktin gebunden (Myosinkopfwinkel 45 ) 1. ATP Anlagerung/Bindung an den Myosinkopf mit resultierender Lösung der hochaffinen n Bindung von Myosinkopf und Aktin. 2. Die ATPase des Myosins spaltet das ATP => Hydrolyse des ATP Mg 2+ - Komplex; (ATP ADP + P i + 3. Der Myosinkopf richtet sich auf, um 90. Jetzt bindet der Myosinkopf an einee gegenüberliegende Aktin Untereinheit t. Dann löst sich das anorganische Phosphat (P i ) aus dem Komplex, was zur Folge hat, dass der Myosinkopf um ca. 40 kippt (Myosinkopfwinkel 50 ), so dass der Myosinkopf dass Aktinfilament an sich vorbeizieht (1. Teil des Kraftschlags)

5 MUSKULATUR 5 aus. Klinke, Silbernagl, 3. Auflage, Thieme Verlag 4. Anschließend wird das immer noch gebundene ADP gelöst, was Teil 2 des Kraftschlags s auslöst und die Myosinköpfe in ihre Endposition bringt (Myosinkopfwinkel 45 = Grund- zustand, siehe oben) Der Aktin Myosin Komplex ist sehr stabil (Rigorkomplex) und kann nur durch eine erneutee Bindung von ATP gelöst werden ( Weichmacherwirkung des d ATP ). Der Mangel an ATP, bzw. die nicht mehr vorhandene Bildung im toten Organismus istt somit auch für die Totenstarre verantwortlich (ist erst nach Zersetzung der d Aktin- und Myosinfilamentee lösbar). Grundlage der Kontraktion ist, wie eben besprochen, die Aktin Myosin Interaktion. Wie diese Kontraktion bzw. die electromechanische Kopplung genau reguliert wird, wird im nachfolgenden Text erläutert die neuromuskuläre Synapse Um die elektromechanischee Kopplung zu verstehen, muss kurz auf die Übertragung an der motorischen Endplatte eingegangenn werden. Die Skelettmuskeln selbst werden von motorischen Nerven- fasern innerviert, die entweder Spinalnerven oder Hirnnervenn entstammen. An den jeweiligen Muskelfasern befindet sich jeweils einee motorische Endplatte an ihr tritt das Motoaxon mit dem Sarkolemm in Kontakt (s. Abb.).

6 MUSKULATUR 6 Die Erregungsübertragung vom Motoaxon zur Muskelfaser geschieht demzufolge an der motorischen Endplatte, eine chemische Synapse. Transmitter der Übertragung ist hier Acetycholin (ACh), das an nikotinerge Cholinorezeptoren der subsynaptischen Muskelzellmembran (= Sarkolemm) bindet. Die nikotinergen Cholinorezeptoren sind ionotrop, d.h., sie sind Ionenkanäle (s. Abb.). Diese Kanäle sind kationenspezifisch (Na +, K +, Ca 2+ ) und ihre Offenwahrscheinlichkeit hängt von der ACh Konzentration im synaptischen Spalt ab. ACh selbst wird in synaptischen Vesikeln gespeichert und durch ein Aktionspotenzial (über Ca 2+ ) in den synaptischen Spalt abgegeben via Exocytose. Ein motoaxonales Aktionspotenzial (AP) führt zur Fusion von etwa 100 solcher Vesikel und zum Öffnen von ca Kanälen gleichzeitig. So ensteht ein nerven-induziertes exzitatorisches Postsynaptisches Potential (Endplattenpotential (EPP)), mit einer Amplitude bis zu 70 mv), welches unter physiologischen Bedinungen immer überschwellig ist. Es folgt ein Aktionspotenzial (AP) in der Muskelfaser, das zu einer Muskelzuckung führt. Jede Muskelfaser hat nur eine motorische Endplatte, jedoch kann ein Neuron mehrere Muskelfasern ansteuern! Klinik: Myasthenia gravis Sie gehört zu den Autoimmun-Krankheiten. Es werden Antikörper gegen körpereigene ACh-Rezeptoren der motorischen Endplatte gebildet und diese dadurch langsam zerstört. Klinisch manifestiert sich dies durch eine daraus resultierende Muskelschwäche, die sich zuerst an Muskeln mit einer besonders hohen Endplattendichte zeigt. Dies sind u.a. Augenmuskeln, so dass Doppelbilder und ein herabhängendes Oberlid (Ptosis) Frühsymptome sind. Bei Befall der Atemmuskulatur droht dementsprechend der Tod. Als Therapeutika werden Immunsuppressiva und Achetylcholin-Esterase-Hemmstoffe (wirken über erhöhtes ACh-Angebot im synaptischen Spalt) eingesetzt. Alle Muskelfasern, die von einem Motoneuron innerviert werden und das zugehörige Motoneuron selbst, werden als motorische Einheit bezeichnet. Motorische Einheit = Motoneuron und alle von ihm innervierten Muskelfasern! Es werden, unter physiologischen Bedingungen, immer alle Muskelfasern einer motorischen Einheit aktiviert! Die Größe der motorischen Einheit (und damit die enthaltene Anzahl an Muskelfasern) sind von Muskel zu Muskel verschieden. Dies ist wichtig für die Abstufbarkeit der Kraft: je weniger Muskelfasern zu einer Einheit gehören, desto feiner kann die Kontraktion abgestuft werden (Bsp.: äußere Augenmuskeln: 5-10 Muskelfasern; Rumpfmuskeln: über Muskelfasern). Zu beachten ist weiterhin, dass sich die Erregung im Skelettmuskel nicht von einer Muskelfaser auf die benachbarte/nächste ausbreiten kann (sog. Multi-Unit-Typ), da die Skelettmuskelzellen im Gegensatz zu Herzund glatten Muskelzellen nicht über Gap junctions miteinander verbunden sind die elektro-mechanische (EM) Kopplung Kommen wir nun zurück auf das AP in der Muskelfaser, die durch den Endplattenpotenzial ausgelöst wird. Das AP breitet sich entlang der Muskelfaser aus und läuft dabei auch entlang der transversalen Tubuli, welche in regelmäßigen Abständen Einstülpungen der Zellmembran darstellen (s. Abb.). Im Zellinneren, in Längsrichtung liegt das longitudinale tubuläre System (sarkoplasmatisches Retikulum, s. Abb.). Es stellt gleichzeitig den intrazellulären Calciumspeicher der Muskelzellen dar.

7 MUSKULATUR 7 Kommt es zu einem AP im Sarkolemm, werden durch die Depolarisation in derr Membran der T-Tubuli spannungsabhängige Calcium-Kanäle (Dihyd-ropyridin-Rezeptoren DHP-R, Dihydropyridin istt ein Hemmstoff) aktiviert. Als weitere wichtige Strukturur gibt es noch den Ryanodin-Rezeptor (Ry-R, durch Ryanodin hemmbar), welcher in der Membran des sarkoplasmatischen Retikulums (SR) sitzt und damit gleichzeitig den Spalt zwischen den Membranen des tubulären Systems undd des sarkoplasmatischen Retikulums überbrückt (s. Abb..) RyR sind Calcium-Kanäle und für die Calcium-Freisetzung aus dem SR verant- aneinander gekoppelt; kommt es zu einer Konfigurationsänderung (Aktivierung)) eines wortlich. Beide Eiweiße sind mechanisch DHPR, wird dadurch gleichzeitig ein gegen- so überliegender RyR mechanisch aktiviert, dass es dann zu einer Calcium-Freisetzung aus dem sarkoplasmatischen Retikulum (L-Tubuli) kommt. Die Calcium-Konzentration steigt dadurch im Sarkoplasma von 10-7 auf ~ 10-5 aus: Klinke, Silbernagl, Pape, 5. Auflage mol/l. Bei steigerten [Ca 2+ ] bindet Klinke, Pape & Silbernagl,, 5. Aufl, Calciumionen an TroponinC und führen zu eine Thieme Verlag Konformationsänderung des Troponinkomplexes mit resultierender Verschiebunng vonn Tropomyosin. Dadurch gibt das Tropomyosin die Myosin-Bindungsstellen des Aktin-Filaments frei und der Querbrückenzyklus läuft. Klinik: maligne Hyperthermie Bei der malignen Hyperthermie liegt eine Mutation entweder im Ryanodin-Rezeptor oder im DHP-Rezeptor vor; dies hat zur Folge, dass es bei solchenn Patienten unter Narkotika-Gabe (z.b.. Halothan) zu einem massiven,, unkontrollierten Calcium Ausstrom aus dem sarko- plasmatischen Retikulum kommt. Diee Folge hiervon sind starke Muskelkontraktionen, die zu einem Anstieg der Körpertemperatur führen und unbehandelt letal enden. Bei Auftreten o.g.. Symptomatik muss die Narkose unmittelbar abgebrochen und u Dantrolen, welches die RyRR und damit die Calcium Freisetzung blockiert, injiziert werden. Damit der Muskel nach erfolgter Kontraktion wieder erschlaffen kann, musss die Ca 2+ - Konzentration im Sakroplasma wieder auf/unter 10-7 mol/l gesenkt werden. Dies geschieht mittels primär aktiver Ca Pumpen (Ca 2+ -ATPasen), die sich s in der r Membran des sarko- plasmatischen Retikulums befinden und das Ca 2+ in das longitudinale Tubulus-System pumpen. Unter Spaltung eines ATP-Moleküls transportierenn die Ca 2+ -ATPasen 2 Ca 2+ nach außen. Durch die Abnahme der sarkoplasmatischen Ca 2+ -Konzentration dissoziiert Ca 2+ von Troponin C ab, und es kommt zu einer Rückumlagerung des d Tropomyosins und damit zur Blockierung der Bindungsstellen. Somit hängt die Erschlaffungs-Geschwindigkeit eines Muskels von der Geschwindigkeit ab, mit der die sarkoplasmatische Ca 2+ -Konzentrationn gesenkt werden w kann.

8 MUSKULATUR 8 4. MUSKELMECHANIK 4.1. Einzelzuckung Wie es auf molekularer Ebene zu einer Zuckung kommt, haben h wir bereits gesehen (Quer- brückenzyklus). Durch Ca Freisetzung kommt es zu einerr kurzen Kontraktion der Muskel- zelle, die allerdings sofort durch Ca 2+ -Wiederaufnahme (mittels Ca 2+ -Pumpe) ein Ende findet. Bei der Muskelkontraktion lassen sichh 3 Phasen unterscheide en: a) Latenzzeit: sie beschreibt die zeitliche Diskrepanz zwischen elektrischer Erregung und Zuckung, d.h., die Kontraktion istt erst deutlich nach demm AP zu messen. b) Anstiegszeit: sie entspricht dem Beginn der Kontraktion n des Muskels bis zum Gipfel der Kontraktion. c) Erschlaffungszeit: sie markiert dass Lösen der Aktin/Myosin-Verbindung, sobald die Ca 2+ - Konzentration im Zytosol der Muskelzelle auf 10-7 mol/l gesunken ist. Die Latenzzeit lässt sich einerseits zurückführen auf die Zeit der Erregungsausbreitung vom Anfang bis zum Ende derr Muskelfaser und auf die Dämpfung der Spannungsentwicklung durch die serienelastischenn Elementee andererseits. Sie ist dabei zumm einen abhängig vom jeweiligen Muskeltyp und dauert etwa 1ms bis zu mehreren ms, zum anderen ist sie temperaturabhängig (je höher die Temperatur, desto geringerr die Latenzzeit). Wegen der großen Schwankungsbreite verwendet man Relativwerte: Erschlaffungszeit: Anstiegszeit = 2-3:1 beim Skelettmusk kel, 1:1 beim Herzmuskel Merke: Die Muskelkontraktion folgt nicht der Alles-Oder-Nichts-Regel!! Die Zuckungsamplitude nimmt mit steigender Anzahl der aktivierten a motorischen Einheitenn zu. Die maximale Kontraktion ist erreicht, wennn alle Fasern erregt sind. Bei wiederholtem Reiz hängt die Kontraktionsstärke vom Interval zwischen den Reizen ab. Eine einzelne Zuckung ist i.d.r. zu kurz, um den Muskel maximal zu kontrahieren; man findet eine Einzelzuckung im menschlichen Körperr lediglich bei Eigenreflexen. Alle willkürlichen Skelettmuskel-Kontraktionen sind tetanischer Natur (s.u.). (Abb. rechts aus Physiologie Praktikum) 4.2. Superposition und Tetanisierung Dieses Phänomen dient derr Abstufungg der Kraft und bedient sich eines recht einfachen Prinzips: Durch Überlagerung rasch aufeinanderfolgender Zuckungen (= = Superposition), kommt es zu einer Addition ihrer Wirkungen und somit zur DauerverkürD ürzung (= Tetanisierung). Gibt man mehrere Reize in kurzem Abstand, wird die Gesamtverkürzung/Kraft des Muskels größer (s. o.). Warum? Der Reiz führt letztendlich via EM Kopplung zu einer Ca 2+ -Freisetzung in der Muskelfaser. Darauff hin kommt es zu einer Zuckung, die etwa 10mal so langg dauert wie der Prozess von der Erregung biss zur

9 MUSKULATUR 9 Zuckung, Aktivierung des kontraktilen n Apparates. Somit kann ein 2. Reiz ausgelöst werden während die Zuckung noch im Gange ist. Dieser führt ebenfalls zur Ca Freisetzung, was die gerade sinkendee Calcium-Konzentration wieder auf das höhere Niveau ansteigen lässt. Der Ursprungs-zustand von mol/l wirdd also erst gar nicht erreicht, weshalb der Muskel nicht erschlafft. Merke: Die Ca 2+ -Konzentration musss durch den zweiten Reiz nicht höher werden, als beim ersten Reiz, (es findet keine Summierung statt), sie wird lediglich länger aufrechterhalten!! Es summieren sich nur die Einzelzuckungen. Man unterscheidet: a) Unvollständige Tetanisierung (U.T): ab einer Reizfrequenz von etwa 10 Hz Die superponierten Zuckungen sind d noch deutlich zu unterscheiden (die Ca 2+ - Konzentrationn nimmt schon so weit ab, dass der Muskel sich bereits zu entspannen beginnt) b) Vollständige Tetanisierung (V.T.): ab einer Reizfrequen nz von ca. 20 Hz Bei erhöhterr Reizfrequenz verschmelzen die Einzelzuckungen und werden als solche von außen nicht mehr erkennbar. Es gibt einen Anstieg zu einem glattenn Plateau. Fusionsfrequenz = Verschmelzungsfrequenz ist diejenige Reizfrequenz, die gerade einenn vollständige Tetanisierung auslöst, etwa 20 Hz (10 bis 100+ Hz, vom Muskelfasertyp abhängig). Sobald das Reizintervall weniger alss etwa 1/3 der für diee Einzelzuckung benötigten Zeit beträgt, kommt es zur vollständigen Tetanisierung. Je längerr die Einzelzuckung dauert, desto niedriger ist die Verschmelzungsfrequenz. Die Verschmelzungsfrequenz ist, wie die Einzelzuckung, temperaturabhängig die Ruhedehnungskurve Die Ruhedehnungskurve beschreibt die Kraft (Abbildung: Spannung; Y-Achse), die nötig ist, um den Muskel ausgehend von seinerr Ruhelängee zu einer bestimmten Länge (X-Achse)) zu dehnen. Dabei verhält sich der Muskel elastisch, d.h., er leistet der Deformation Widerstand d, um nach Aufhören der deformierenden Kraft (Last) sofort wieder die Formänderung rückgängigg zu machen (vgl. Stahl-Feder, Gummiband). Im Zustand der Deformation baut er eine gewisse Spannung auf, die sich im folgenden Experiment als Anhängelast beschreiben lässt: Kraft Man hänge verschiedene Gewichte ann einen aufgehängten Muskel und erfasse die Längen- änderung (genau diesen Zusammenhang beschreibt die Ruhedehnungskurve)! Ruhedehnungs- kurve Länge

10 MUSKULATUR 10 Dabei beobachtet man: 1. je mehr Gewichte daran hängen, desto länger wird der Muskel 2. je mehr der Muskel dabei vorgedehnt ist (je mehr Gewichte also bereits daranhängen), desto mehr muss ich im Folgenden dranhängen um die gleiche Längenänderung wie beim vorherigen Mal zu erhalten. Das Verhältnis ist nicht linear (wie es zum Beispiel bei Stahlfedern der Fall wäre), sondern über-proportional. Eine Größe, die diese Dehnbarkeit beschreibt, ist der Elastizitätsmodul (Emodul). Emodul = Spannung/Dehnung (Längenänderung) Große Dehnbarkeit (Längenänderung im Nenner) bedeutet einen kleinen Emodul! Bei einer Stahlfeder, die sich unabhängig von der Vordehnung immer um den gleichen Betrag dehnt, wäre der Emodul konstant. Beim Muskel dagegen nimmt der Emodul mit der Erhöhung der Vordehnung zu (am Anfang ist die Kurve flach, wird aber im Verlauf immer steiler). Warum? - Auch der Dehnungswiderstand (= Rückstellkraft) wird mit Zunahme der Vordehnung größer und wirkt der Längenänderung entgegen. Dahinter stecken als anatomische Korrelate elastische Elemente, die zu den Myofibrillen a) parallel geschaltet sind: Sarkolemm, Bindegewebe, Blutgefäße, Titinfilamente b) in Serie geschaltet sind: Sehnen, Kontraktilelemente Kontraktionsformen Ein Muskel kann auf verschiedene Art und Weise kontrahieren. Dabei stehen zur Beurteilung der Kontraktion zwei Parameter im Vordergrund: 1. Muskellänge 2. Muskelspannung Des weiteren ist zu beachten, dass ein Skelettmuskel im menschlichen Körper durch seine Aufhängung am Knochen immer bereits vorgedehnt ist, was eine optimale Ausgangssituation für die Kontraktion schafft. Denn dann findet jedes Myosinköpfchen eine Bindungsstelle am Aktinfilament ( unten Links). Dieser Zustand herrscht bei einer Sarkomerlänge von etwa 2,0 bis 2,2 µm. Bei stärkerer Vordehnung liegen nicht alle Myosinköpfe neben einem Aktinfilament. Bei geringerer Vordehnung überlappen sich die Aktinfilamente mit der gegenüberliegenden Seite, was ein Andocken der Myosinköpfchen erschwert (unten Rechts) Relative Kraft Sarkomerlänge 3.5 µm Sarkomer Länge (µm)

11 MUSKULATUR 11 Man unterscheidet fünf verschiedene Kontraktionsformen, die sich jeweils auch graphisch beschreiben lassen (siehe Unten): 1. Isotonische Kontraktion: Der Muskel verkürzt sich, während die Spannung konstant bleibt. (Bild, A) A Kraft B Kraft Länge Länge Die Kurve der isotonischen Maxima (B, rot) beschreibt die Länge, um die sich ein Muskel verkürzen kann, bei unterschiedlicher Last. Je größer die Vordehnung dabei ist, desto geringer kann sich der Muskel verkürzen, weil Aktin und Myosin dann zu weit auseinandergezogen sind. Ist die Vordehnung allerdings zu gering, wird die Verkürzung ebenfalls geringer (s.o.). 2. Isometrische Kontraktion: Die Spannung im Muskel steigt an, während die Länge konstant bleibt (Teil A). A Kraft B Kraft Länge Die Kurve der isometrischen Maxima (oben, B, rot) beschreibt die Kraft, die ein Muskel erzeugen kann, ohne seine Länge dabei zu verändern (die Länge ist fixiert). Bei der Länge, bei der die größte Muskelkraft erreicht wird, haben die meisten Sarkomere eine Länge von 2,0-2,2 m. 3. Auxotonische Kontraktion: der Muskel verkürzt sich, und gleichzeitig steigt die Spannung an. Dies entspricht den meisten Muskelkontraktionen im menschlichen Körper. 4. Unterstützungs-Kontraktion: erst findet eine isometrische, dann eine isotonische Kontraktion statt (Gewicht vom Boden abheben). Länge Kraft Länge 3. Auxotonische Kontraktion Kraft Länge 4. Unterstützungs-Kontraktion Kraft 5. Anschlags-Kontraktion: erst findet eine isotonische, dann eine isometrische Kontraktion statt (Ohrfeige, Kieferschluss) Länge 5. Anschlags-Kontraktion

12 MUSKULATUR die Muskelarbeit: sie lässt sich aus dem Kraft-Längen-Diagramm erkennen: Kraft K Arbeit Länge Arbeit = Kraft (Spannung) x Weg (Muskellängen- Änderung). Bei mittlerer Last ist die Arbeit am größten. Sie ist Null bei rein isometrischer Kontraktion, da hier keinee Längenänderung stattfindet. Das Kraft-Längen Diagramm kann auch als Arbeits- Diagramm betrachtet werden die Muskelleistung: sie lässt sich aus dem Kraft-Geschwindigkeitsdiagramm (Hill- Kurve) ablesen: Hill-Kurve Verkurzungsgeschwindigkeit Leistung bei höherer (1), mittlerer (2) und geringerer Last (3) = Areal des Vierecks Merke: Die geleistete Arbeit eines 3 Muskels ist immer geringer als die Energie, die er dafür braucht!!! 2 Das Verhältnis zwischen Arbeit undd investierter Energie nennt 1 sichh Wirkungsgrad und liegt in derr Regel zwischen %. Last Die Fläche des eingezeichneten Vierecks entspricht der Leistung bei derr entsprechenden Last. Leistung = Muskelkraft (Spannung) x Verkürzungs-Geschwindigkeit. Verkürzungsgeschwindigkeit: Die maximale Verkürzung gsgeschwindigkeit entspricht der maximalen Geschwindigkeit des Querbrückenzyklus, die wiederum vonn der ATPase-Aktivitätt des Myosins bestimmt wird: Typ-I-Faser-Myosin hat nur geringe g ATPase-Aktivität (Halte- Muskeln). Typ-II(a und b)-faser-myosin hat hohe ATPase-Aktivität (in n Bewegungsmuskeln). Durch Verringerung der Last nähert man sich sukzessive der maximalen Verkürzungs- Geschwindigkeit. Schweree Gegenstände können somit nur n langsamm angehoben werden. Leistung: Die Leistung ist i bei ein Last die etwa 30% der maximale isometrischen Kraft enspricht am höchsten Steuerung der Muskelkontraktion: Die Regulation der Muskelkraft durch das ZNS bedient sich zweier Mechanismen: 1. Rekrutierung motorischer Einheiten: Je mehr motorische Einheiten aktiviert werden, desto stärker ist die Kontraktion. Je kleiner die motorischen Einheiten sind, desto feiner ist die mögliche Steuerung. 2. Tetanisierung : Variation der neuronalen Impulsfrequenz: Ein einzelner Impuls vermag lediglich eine Muskelzuckung auszulösen, wohingegen n Impulse mit einer Frequenz von etwa 10 Hz schon einenn unvollständigen Tetanus

13 MUSKULATUR 13 hervorrufen. Eine Impulsfrequenz von etwa 20 Hz (hängt von Fasertyp ab!) kann durch Ausbildung eines vollständigen Tetanus die Muskelkontraktion maximieren. 5. ENERGIE-HAUSHALT DES MUSKELS 5.1. Energiequellen: Die Energie entstammt unseren Nahrungsbestandteilen (Kohlenhydrate, Fette, Eiweiße), die in verschiedenen biochemischen Abbauprozessen zur ATP-Herstellung genutzt werden ATP ist die Energieform, mit der unser Körper arbeiten kann. Dies geschieht: a) anaerob: liefert wenig ATP, geht aber schnell; als Endprodukt fällt Milchsäure an, die in hoher Konzentration zur ansäuerung des Muskels führt. Außerdem kann als Energielieferant lediglich Glukose verarbeitet werden. b) aerob: liefert viel ATP, dauert aber vergleichsweise lange; als Endprodukt fällt CO 2 an, das abgeatmet wird. Hier entstammt die Energie auch aus anderen Nahrungsbestandteilen (z.b. Lipide). Der erhöhte Sauerstoffbedarf einer höheren Leistung steht nicht sofort zur Verfügung. Erst nach einer Anpassung der Durchblutung, die vor allen durch lokale Mediatoren und den Sympatikus gesteuert wird, ist das Sauerstoffangebot ausreichend. Deshalb ist es dem Muskel unmöglich, bei höherer Leistung, schon gleich bei der ersten Kontraktion seine Energie aus dem aeroben Glukoseabbau zu beziehen. Für die erste Minute der Muskeltätigkeit müssen andere Energiequellen zur Verfügung stehen: a.) im Muskel gespeichertes ATP: ATP ADP + P -- reicht für etwa 3 Sekunden b.) im Muskel gespeichertes Kreatinphosphat: KP + ADP Kreatin + ATP -- reicht für etwa 20 Sekunden. c.) im Muskel gespeichertes Glykogen: anaerobe Glykolyse Laktat (Milchsäure) reicht für etwa eine Minute maximaler Leistung. Durch diese Vorgänge geht der Körper eine Sauerstoffschuld ein, die er am Ende der Belastung wieder ausgleichen muss. Alle drei Reaktionen liefern Abbauprodukte (ADP, Laktat), die durch ihre Anhäufung eine Vasodilatation einleiten. Dadurch wird der Muskel vermehrt mit Sauerstoff, Glukose und anderen Nährstoffen versorgt, was eine weitere Energiegewinnung aus dem aeroben Glucoseabbau ermöglicht. Des weiteren kommt es zur Lipolyse, Glukoneogenese und Glykogenolyse. Diesen Zustand der optimalen Energieversorgung des Muskels, in dem er auch dauerhaft Leistungen erbringen kann, bezeichnet man als steady state. Problematisch wird die Situation erst wieder, wenn der Sauerstoffbedarf die Sauerstofftransportfähigkeit des Blutes übersteigt, welche durch das Herz-Zeit-Volumen, den Hb-Wert (Doping!) sowie der Kapillarisierung des Muskels limitiert ist. Dann wird nämlich zusätzlich zur aeroben auch noch anaerobe Glykolyse betrieben, wodurch die Laktatkonzentration ansteigt. Die anaerobe Schwelle ist überschritten, sobald die Laktatkonzentration im Blut 2 mmol/l übersteigt. Spätestens ab einem Laktatspiegel von 4 mmol/l kommt es zur Laktat-Azidose, was die

14 MUSKULATUR 14 Leistung stark herabsetzt. Nach Beendigung der Arbeit giltt es nun noch, die zu Beginn der Belastung verbrauchten Speicher ann ATP, Kreatinphosphat und Muskelglykogen wieder aufzufüllen. Das zuvor eingegangenee Sauerstoffdefizit wird jetzt durch verstärkte Atmung ausgeglichen (Sauerstoffschuld). 2. Der Wärmeablauf während der Muskelkontraktion: Bei jeder Muskeltätigkeit entstehtt aus der investierten Gesamtenergie neben der mechanischen Arbeit (derr Kontraktion) auch Wärme: umgesetzte chemische Energie = Muskelarbeit+Wärmeproduktion. Der mechanische Wirkungsgrad beträgt unter physiologischen Bedingungen etwa 20-30%. Der Rest der Energie verpufft als Wärme. Bei einer rein isometrischen Kontraktion, bei der rein äußerlichh keine Arbeit geleistett wird (vgl. Muskelarbeit), geht die gesamte Energie in Wärme über. Es lassen sich zwei große Wärmeschübe während derr Muskelarbeit feststellen: 1. Initialwärme: sie erstreckt sichh vom Beginn der LatenzphaseL e bis zum Ende der Erschlaffung, überdauert also die ganze Kontraktion. Es lassen sich verschiedene Unter- gruppen herausdifferenzieren: 1) Aktivierungswärme entsteht während der Aktivierung des Querbrückenzyklus. 2) Verkürzungswärme entsteht bei der Verschiebung der d kontraktilen Filamente. 3) Erschlaffungswärme entsteht während des Abbaus der Spannung (z.b. beim Absetzen eines angehobenenn Gewichts). 2. Erholungswärme: sie wird bei der Regeneration der energiereichen Verbindungen (ATP, Keratin phosphat) im Muskel frei. I = Aktivierungsenergie + Erhaltungsenergie II = Verkürzungswärme III = Erschlaffungswärme IV = Erholungswärme R = Reizmoment L = Latenzzeit Aus Klinke, Silbernahl, 3. Aufl. Thieme Verlag

15 MUSKULATUR REFLEXE Alle einfachen Korrekturen der Muskeltätigkeitt sind in Form F von Reflexen (= stereotyp ablaufende unwillkürliche motorischee Reaktion auf einen äußeren ä Reiz) auf Rückenmarks- ebene organisiert. Komplexere willkürliche Bewegungen dagegen werden durch supraspinale Kontrolle koordiniert. Dem spinal-motorischen System liegt ein einfaches Wirkprinzip zu Grunde: der Reflexbogen: Sensor sensibles Axon Synapse(n) im ZNS motorisches Axon Effektor Er bildet den propriospinalen Apparat t und ermöglicht eine gewisse g Eigendynamik, die keiner übergeordneten Kontrolle bedarf. Dieses Grundmodell lässt sich imm Folgenden bei der Organisation jedes Reflexes nachvollziehen. Das ZNS bedient sich zweier Rezeptoren (besser Sensoren) in der Muskulatur, um sich über die Lage der Gliedmaßen, der Stellung der Gelenke zueinander sowie der Spannungs- und Längenentwicklung (Propriozeption) im Muskel zu informieren: a) Die Muskelspindeln für die Erfassung der Muskellängee b) Die Golgi-Sehnenorgane für die Erfassung der Muskelspannung Daneben gibt es auch andere Sensoren (Nozizeptoren, Warm-/ Kalt-Sensoren, Vater- muskelspezifisch sind oderr erst gar nicht im Muskel zu finden Pacini-Körperchen, Merkel-Zellen), die aber nicht sind die Muskelspindel Hier handelt es sich um spezialisierte Skelettmuskelfasern, die d durch einen Bindegewebssack von den übrigen Muskelzellen getrennt werden. Man nenntt sie auch intrafusale Muskulatur. Indem sie zur Arbeitsmuskulatur parallel geschaltet sind, können sie eine eintretendee Dehnung registrieren und über bestimmte Afferenzen ans ZNS weiterleiten. Man unterscheidet zwei Subtypen derr intrafusalen Muskelfasern die nebeneinander in einer Muskelspindel vorkommen: a) Kernkettenfasern: Hier liegen die Zellkerne kettenartig hintereinander. Sie werden afferent durch Ia- und II-Fasern innerviert. b) Kernsackfasern: Hier liegen die Zellkerne in einer zentralen Auftreibung. Sie werden afferent nur durch Ia-Fasern innerviert. Die intrafusalenn Muskelfasern leiten Informationen über zwei Aspekte der Muskelkontraktion ans ZNS: 1. Informationen über Längenänderung: Beide Fasertypen senden bereits in der Ruhelänge des Muskels Impulse einer bestimmten Frequenz. Wird der Muskel nun gedehnt, erhöht sich die EntladungsrE rate. Verkürzt er sich, nimmt die Impulsfrequenz ab. 2. Informationen über die Geschwindigkeit der Längenände erung:

16 MUSKULATUR 16 Bei schneller Längenänderung kommtt es zunächst zu einem überproportionalen Anstieg bzw. Abfall der Entladungsrate, die sich erst nach Beendigung der d Dehnung/Verkürzung auf die neue Länge einstellt. Dabeii gilt: -- Je stärker die Dehnung, desto höher die Impulsrate. -- Je stärker die Verkürzung (negative Dehnung), desto niedriger die Impulsrate. Während Ia-Fasern beide Parameter erfassen, beschränkt sichh die Empfindlichkeit der II- Fasern ausschließlich auf die Registrierung der Muskellänge. Die afferenten Fasern treten am Hinterhorn ins Rückenmar k ein und werden in den motori- schen Vorderhornzellen, entweder direkt oder indirekt über InterneuronI ne auf - Motoneurone e verschaltet. Die einzelnen Muskelfasern der Arbeitsmuskulatur werden von -Motoneuronen efferent innerviert. Die Efferenzenn der Muskelspindelfasern sind die d -Motoneurone. Diese unter- scheiden sich von den erstgenanntenn vor allem durch ihre Leitgeschwindigkeit ( -Moto-- neurone leiten mit ~ m/s etwa doppelt so schnell wie -Motoneuro one mit ~ 30 m/s). Ihre Aufgabe ist es, die Empfindlichkeit der Muskelspindel auchh während der Kontraktion sicher- zustellen: Im Rahmen der Muskelverkürzung während der Kontraktion würde ohne -Motoneuron die intrafusale Muskulatur entdehnt undd die Entladungsrate der Afferenzen würde auf ein Minimum reduziert. Dann wäre die Erfassung einer weiteren Verkürzung unmöglich. Diesen Zustand bezeichnet man alss Spindelpause. Um diese zu umgehen, bedient sich der Körper der - -Koaktivierung. Jede Aktivierung eines - Motoneurons geht mit der gleichzeitigen Aktivierung der -Motoneurone des entsprech- enden Muskels einher. Da diesee jeweils zur Kontraktion der Spindelfaser fuhren, wird ihr Dehnungszustand beibehalten, und die Spindel so funktionstüchtig gehalten. Ferner unterscheidet man noch zwei Arten von - Motoneuronen: 1. solche, die die Empfindlichkeit für die Muskellänge erhöhen (statische -Motoneurone). 2. solche, die die Empfindlichkeit für die Dehungsgeschwindigkeit erhöhen (dynamische - Motoneurone) 6.2. die Golgi Sehnenorgane Diesee sensorischen Organe befinden sich am Übergang der ArbeitsmusA skulatur zurr Sehne. Sie sind zu dieser also in Serie geschaltet. Ihr Funktionsprinzip ist die autogene Hemmung: Sobald der entsprechende Muskel eine Spannung aufbaut (resultierend aus einer passiven Dehnung oder einer aktiven Kontraktion), wird diese von denn Golgi-Sehnenorganenn registriertt und in eine zur Spannung proportionale Impulsfrequenz transformiert. Diese läuft über die zugehörigen Afferenzen (Ib-Fasern) ins Rückenmark, wo eine e Verschaltung auf hemmendee Interneurone erfolgt. Über eine weiteree Synapse wird so das -Motoneuron des Muskels

17 MUSKULATUR 17 gehemmt und dadurch die Spannung reduziert. Der Muskel hemmt sich also selbst, um einee übermäßige Spannungsentwicklung zuu vermeiden. Der Eigenreflex ist dadurch charakterisiert, dass Sensor und Effektor imm selben Organ liegen. Beim Fremdreflex befindenn sich die entsprechenden Strukturen in verschiedenen Teilen des Körpers Eigenreflexe/ Muskeldehnungsreflexe Muskelspindel Ia-Faser ZNS -Motoneuron zugehöriger Muskel Wenn ein Muskel gedehnt wird, sei es durch passive Änderung der Gelenkstellung oder durch einen Schlag S auf die zugehörige Sehne, ist dies der d adäquate Reiz für die Muskelspindel. Ihrer Funktion als Sensor entsprechend, registriert sie den Reiz und leitett ihn über ihre Afferenzen, die Ia-Fasern weiter. Diese tretenn durch das Hinterhorn des entsprechenden Segments ins Rückenmark ein und erregenn dort das zugehörige -- Motoneuron, welches anschließend über das Vorderhorn wieder den Muskel aktiviertt (Abbildung Teil A). Die Umschaltung im ZNS erfolgt dabei mono- synaptisch, weshalb w sehr schnell mit einer Reaktion zu rechnen ist. Diesen Zusammen- hang beschreibt die Latenzzeit, also die Zeit, die vom Einwirken des Reizes bis zur Ausführung der Kontraktion vergeht. Parallel läuft aber noch eine zweitee Reaktion ab (Abbildung, Teil B): die Ia-Faser trittt gleichzeitig mit einem inhibierendei en (Ia)-Interneuron in i Kontakt, welches wiederum synaptisch mit einem -Motoneuron verbunden ist. Dieses -Motoneur ron bildet die Efferenz zur antagonistisch wirkenden Muskulatur. Im Gegensatz zum ersten Reflexbogen erfolgt die Verschaltung im ZNS di-synaptisch. Muskelspindel afferente Ia-Faser [ Ia-Interneuron -Motoneuron des antagonistischen Muskels ] efferente A motorfaserr, antagonistischer Muskel Außerdem liegen Sensor und Effektor in unterschiedlichen Organen. O Ess handelt sich um einenn Fremdreflex, der aber zwangsläufig mit dem Eigenreflex einhergeht. Man bezeichnet diesen Zusammenhang als reziproke Hemmung. So wird sichergestellt, dass nicht Beuger und Strecker gleichzeitig kontrahieren.

18 MUSKULATUR 18 Da die Verschaltungen im Rücken- sind, mark segmental organisiert finden sich unterschiedliche Muskelreflexe auf unterschiedlichen Ebenen des Rückenmarks. Es bietet sich hier ein Angriffspunkt für die klinische Überprüfung der Funktion des jeweiligen Segments. Die Ausführbarkeit eines Reflexes beweist die Funktion der entsprechenden Ebene. Neben der mechanischen Reizung durch Dehnung der Muskelspindel kann die Ia-Faser auch von außen mittels Hautelektroden elektrisch aktiviert werden. In beiden Fällen kann man die gleiche Reflexantwort auslösen, die sich durch ein Elektromyogramm (detektiert die entstehenden Aktionspotenziale in der Muskelfasern) beurteilen lässt. Der Reiz von ca. 30V depolarisiert Nerven-Fasern, was den Durchlauf des Reflexbogens und die entsprechende Reaktion, also die Kontraktion des Muskels, zur Folge hat (siehe unten, A). aus: Klinke, Silbernagl, 3 Aufl Im EMG kann man die sogenannte H-Welle erkennen: siee ist nach ihrem Entdecker Paul Hoffmann benannt, der dieses Verfahren als H-Reflex betitelte. Erhöht man nun die Spannung auf ca V, werden auch die -Motoaxone erregt. Daraus resultiert die M-Welle, deren Latenzzeit deutlich geringer ist als diee der H-Welle. Dies liegt daran, dass die Erregung nicht erst den Weg über das Rückenmark k nehmen muss, sondern den direkten Weg über den efferenten Nerven.

19 MUSKULATUR 19 Bei weiterer Erhöhung der Reizstärke kann man beobachten, wie die Amplitude der M-Welle im EMG immer weiter zunimmt, während die H-Welle immer niedriger wird und letztlich ganz verschwindet (s.u. B). Dies beruht auf der Tatsache, dass der Reiz sich nicht nur in Richtung Muskel ausbreitet, sondern auch retrograd das Rückenmark ansteuert (es liegen ja keine refraktären Abschnitte der Nervenfaser vor, die normalerweise die retrograde Erregungsausbreitung verhindern). Die rückwärts laufende Erregung trifft im weiteren Verlauf des -Motoneurons irgendwann auf die Erregung, die von der Ia-Faser ausgegangen ist. Da beide eine gewisse Refraktärzeit hinter sich herziehen, löschen sie sich gegenseitig aus Fremdreflexe: Wie bereits erwähnt, liegen Sensor und Effektor bei Fremdreflexen nicht im gleichen Organ. Während das Zielorgan auch hier die Muskelzelle ist, liegen die Sensoren öfter in der Haut (Schmerz-, Temperatur- und Tastsensoren). Der Reflexbogen sieht wie folgt aus: Sensor Afferenzen der Klasse II, III, IV zum [ZNS -Motoneuron ] A Afferenzen Muskel Beispiele sind der Bauchhautreflex, der Cremasterreflex, der Beuge- und der gekreuzte Streckreflex. Die afferenten Fasern stehen nicht mono- sondern polysynaptisch mit dem efferenten Neuron in Kontakt. Dies bedarf natürlich einer längeren Latenzzeit, erlaubt aber andererseits eine absteigende Beeinflussung der Reflexantwort. Außerdem beschränkt sich die Verschaltung nicht nur auf ein Segment, wodurch sich mehrere verschiedene Muskeln zur gleichen Zeit aktivieren lassen. Fremdreflexe unterliegen supraspinalen Zentren, wodurch die Reflexantwort besser verändert und angepasst werden kann. Auch eine Habituation ist nur bei Fremdreflexen zu beobachten: Ein gleichstarker Reiz löst nach mehrfacher Wiederholung eine verminderte Reflexantwort aus. Die Haut am Oberschenkel wird einem schmerzhaften Reiz ausgesetzt, welcher in eine Impulsfrequenz übersetzt wird. Im Rückenmark wird die Information über einige Interneurone auf das -Motoneuron übertragen, was letztendlich den Beuger der ipsi-lateralen Seite zur Kontraktion veranlasst um dem Reiz zu entkommen. Gleichzeitig wird entsprechend dem Prinzip der reziproken Hemmung (s.o.) der antagonistische Strecker gehemmt. Gerade bei der unteren Extremität ist es nun wichtig, dass sich die kontralateralen Muskeln entgegengesetzt verhalten. Nur so kann der Stand gewahrt bleiben. Um dies zu gewährleisten, kreuzen weitere Interneurone auf die Gegenseite, bilden weitere Synapsen und aktivieren schließlich den Extensor (Strecker) der kontralateralen Körperhälfte, während der Flexor (Beuger) gehemmt wird. 1. ALLGEMEINES B. Die glatte Muskulatur Die glatte Muskulatur spielt in fast allen Organsystemen eine wichtige Rolle: sie ist Hauptkomponente der Atemwege, des Verdauungstraktes, des Urogenitalsystems und des Gefäßsystems. Sie weist neben histologischen Unterschieden auch funktionelle Unterschiede zur Skelettmuskulatur auf.

20 MUSKULATUR 20 Den unterschiedlichen Anforderungen entsprechend unterscheidet man zwischen zwei funktionellen Erregungstypen: Single-unit-Typ: Benachbarte Zellenn sind durch Gap junctions elektrisch gekoppelt und bilden ein funktionelles Synzytium. Dieser Typ der glatten Muskulatur ist aufgrund eigener Schrittmacherzellen spontan (autonom) rhythmisch aktiv (myogener Tonus). Die Modulation dieser Zellen erfolgt über das vegetative Nervensystem m sowie durch Dehnung der glatten Muskelzellen. Bsp.: Darm-, Ureterund Uterusmuskulatur. Multi-unit-Typ: Hier werden diee glatten Muskelzellen durch zahlreiche vegetative Nervenfasern innerviert. Der Tonus dieser Muskulatur ist dementsprechend neurogen (neurogener Tonus). Die zahlreichen Verzweigungen der vegetativen Nervenfasern erreichen dabei fast jede Zelle. Die Kontraktion dieser Muskeln ist fein abstufbar (z.b.: Iris- und Ziliarmuskeln, Samenleiterr und Pilomotoren). Kontraktionen der glatten Muskelzelle en können durch mehrere Faktoren ausgelöst werden: 1. Neuronal: - eine motorische Endplatte wie bei der Skelett-Muskulatur gibt ess bei den glatten Muskelzellen nicht, jedochh werden die Transmitter (Noradrenalin; ACh) in der Nähe der Muskelzellen freigesetzt. Ob sie konstriktorisch oder dilatierend wirken, hängt vom jeweiligen Rezeptor-Mo olekül der Muskelzell-Membran ab. aus Klinke,, Pape, Silbernagl, 5. Aufl. Thieme Verlag 2. Selbständig / Spontan ( Schrittmacher- gibt Zellen) - wie bereits oben beschrieben, es Schrittmacherzellen, die selbständig AP generieren können, k wobei die Weiterleitung über Gap junctions erfolgt. 3. Lokale Faktoren / Mediatoren: - beii Aktivierung eines glatten Muskels durch Arbeit kommt es dort initial zu einer Sauerstoff-Schuld (bzw. -Mangel) und einem Anstieg der CO 2 Konzentration. Dies wirkt sich auf die den Muskel versorgendee Arteriolenn (= glatte dilatieren, und der Muskel wird stärker durchblutet. Muskulatur) aus sie 4. Hormone: - manche Hormone wirken auch auf die glatte Muskulatur,, z.b. Adiuretin (ADH) - es wirkt konstriktorisch auf die Gefässwand-Muskulatur (siehe auchh Kreislauf) ). 5. Dehnung: - wird die Wand eines Organs rasch gedehnt, steigert dies die Aktivität der Schrittmacherzellen (vgl. auch oben) und es kommt zu einer Kontraktion. Alle diese Einflüsse sind tonus-erhöhend, wenn sie direkt oder indirektt zu einem Anstieg der zytosolischen Ca 2+ -Konzentration auff >10-7 mol/ll führen.

21 MUSKULATUR AUFBAU Die glatte Muskulatur ist aus einkernigen, spindelförmigen Zellen mit zentralem Zellkern aufgebaut. In vielen Organen sind die glatten Muskelzellen durch Gap junctions untereinander verbunden und bilden somit ein funktionelles Synzytium. Zwar besitzt auch die glatte Muskulatur Aktin- und Myosinfilamente, jedoch sind sie in Form sog. Minisarkomere organisiert und durch Dense bodies begrenzt. Diese Dense bodies enthalten α-aktinin und entsprechen den Z-Scheiben der quergestreiften Muskulatur. Des Weiteren sind die Dense bodies durch Mikrofilamente miteinander verbunden und bilden dadurch ein elastisches Zytoskelett. Aufgrund der unregelmäßigen Anordnung sind die Minisarkomere gegeneinander versetzt, so dass eine Querstreifung fehlt. Generell sind die Aktinfilamente dem Grundaufbau der Aktinfilamente der Herz- und Skelettmuskulatur ähnlich, jedoch um ein Vielfaches länger. Auch hier sind Tropomyosin-Moleküle den Aktinmonomeren angelagert. Einzig das Troponin fehlt im glatten Muskel, stattdessen findet sich Caldesmon und Calmodulin. Caldesmon ist ein fadenförmiges Protein, parallel zu Tropomyosin an Aktinfilamente angelagert. Calmodulin ist ein Ca 2+ -Sensorprotein, das im Zytoplasma gelöst ist und nach Bindung von vier Ca 2+ als Ca 2+ -Calmodulin-Komplex an seine Zielproteine bindet. 3. BESONDERHEITEN DES QUERBRÜCKENZYKLUS Der Querbrückenzyklus zwischen Myosinkopf und Aktinfilament verläuft ähnlich wie im Skelettmuskel. Durch eine Erhöhung der intrazellulären Ca 2+ -Konzentration über ca mol/l kommt es zur Aktivierung des Querbrückenzyklus. Als Ca 2+ -Sensor fungiert das im Zytoplasma gelöste Calmodulin -- bei erhöhter Ca 2+ -Konzentration binden Ca 2+ an Calmodulin und bilden damit einen Ca 2+ -Calmodulin-Komplex. Dieser Komplex aktiviert die Myosin-leichte-Ketten-Kinase (MLCK - Myosin Light Chain Kinase), die ihrerseits die regulatorische leichte Kette (MLC) des Myosins an einer bestimmten Stelle phosphoryliert und dadurch den Myosinkopf für die Interaktion mit dem Aktin aktiviert. Zudem bindet o.g. Ca 2+ -Calmodulin-Komplex auch an Caldesmon; durch diese Bindung löst sich Caldesmon vom Aktin-Tropomyosin-Komplex und gibt somit das Aktin für das Filament-Gleiten frei (s. Gleitfilamenttheorie). Tonus-mindernd sind - ähnlich wie beim Skelettmuskel - das Absinken der Ca 2+ - Konzentration sowie die Dephospohorylierung der regulatorischen leichten Kette des Myosins durch die Myosin leichte-ketten Phosphatase (MLCP).

22 Praktischer Teil MUSKULATUR 22 Benötigte Vorkenntnisse: Stoff der Physiologie-Vorlesungen Muskel, Nerv, Sensomotorik Themenbereich Muskel z.b. in: Deetjen/Speckmann, Klinke/ Silbernagl, Schmidt/Thews/Lang Themenbereich Reflexe z.b. in: Deetjen/Speckmann, Klinke/Silbernagl, Schmidt/Thews. Praktikums-Anleitung zu denversuchen Nerv, Muskel Bitte erarbeiten Sie den Stoff mit Hilfe der oben angegebenen Lehrbücher! Muskel: Aufbau eines Skelettmuskels, Aufbau eines Sarkomers mechanische Eigenschaften des Skelettmuskels: Ruhedehnungskurve, Kurve der isometrischen und isotonischen Maxima, auxotonische Kontraktion, Unterstützungs- Kontraktion, Anschlags-Kontraktion Beziehung zwischen Kontraktionsgeschwindigkeit und Belastung eines Skelettmuskels (Hill-Kurve) Aufbau einer neuromuskulären Synapse, Überträgerstoffe, Endplattenpotential und AP elektromechanische Kopplung im Skelettmuskel: beteiligte Proteine und deren Struktur, Rolle des Calcium, Rolle des ATP, Energiequelle für die Kontraktion, Entstehung der Totenstarre Entstehung einer Einzelzuckung und eines Tetanus Mechanismen der Abstufung der Kontraktionskraft im Skelettmuskel, motorische Einheit Ableittechniken und Meßgrößen der Elektromyographie (EMG) Funktionelle Unterschiede zwischen Skelettmuskeln, glattem Muskel und Herzmuskel Kontraktionsmechanismus und Calcium-Freisetzung in der glatten Muskulatur pharmako-mechanische Kopplung, Modulatoren der Kontraktilität der glatten Muskulatur Calcium Sensitizierung, bzw. Desensitizierung. neurogene Muskelkrankheiten (z.b. Tetanus, Botulismus), Störungen der neuromuskulären Übertragung (z.b. Myasthenia gravis), myogene Muskelkrankheiten (z.b. Myotonien)

23 EMG und Reflexe: MUSKULATUR 23 Anatomie des Rückenmarks und der peripheren Nerven Grundlagen der Neurophysiologie und der synaptischen Übertragung: Aktionspotential, Über-trägerstoffe, ionale Grundlagen für EPSP und IPSP, elektrotonische Ausbreitung, post-synaptische und prä-synaptische Hemmung, post-tetanische Potenzierung Aufbau, Innervation und Funktionsweise von Muskelspindeln und Golgi-Sehnenorganen Dehnungsreflex, monosynaptischer Reflexbogen, Eigenreflexe, H-Reflex Längenservo, Spannungsservo polysynaptische Reflexe, Interneurone, Fremdreflexe Fußsohlenreflex, Babinski-Reflex autogene Hemmung, reziproke Hemmung, Renshaw-Hemmung Konvergenz und Divergenz zeitliche und räumliche Bahnung, Summation Komponenten der Reflexzeit, Beziehung zwischen Reizstärke und Latenz bzw. Amplitude der Reflexantwort, Hemmung und Förderung der Reflexantwort Sensitivierung und Habituation von Reflexen, Dishabituation, Konditionierung, Irradiation spinaler Schock Vervollständigen Sie die folgende Graphik. Wie verändert sich das Entladungsmuster von Muskelspindeln (über Ia-Fasern) und Golgi-Sehnenorganen (über Ib-Fasern) unter folgenden Bedingungen: Entladung Ia-Fasern Entladung Ib-Fasern passive Dehnung isotonische Kontraktion der extrafusalen Muskulatur Kontraktion der intrafusalenmuskulatur (Aktivierung der - Fasern) Zeit - Coaktivierung

24 MUSKULATUR 24 Versuch 1 : Elektromyogrammm Methode: Zwei Ag/AgCl-Elektroden werden auf die Haut einer Hand über die Mm. abduktor digiti minimii bzw. flexor digiti minimi brevis oder opponens pollicis digiti minimi aufgesetzt. Die Elektroden werden mit einem Verstärker verbunden, dessen Ausgangspannung an dem Bildschirm gezeigt wird. Am Unterarm wird eine Erdelektrode angebracht -- ( ) Abb Das EMG bei Willküraktivität Reizstelle R 1 Reizstelle 2 Ableitungs- stelle Abb. 1 Das EMG wird auf dem Bildschirm beobachtet und ausgewertet: a) Messen Sie die Aktivität bei völlig entspanntem Muskel. b) Aktivieren Sie den M. abduktor digiti minim willkürlich. Hier istt eine möglichst feinee Abstufung anzustreben, so daß bei einer minimalen Bewegung diee elektrische Aktivitätt einzelner motorischer Einheiten beobachtet werden kann. Bei B stärkerer Innervation nehmenn Anzahl und Amplitude derr Summenaktionspotentiale zu. Bei B maximaler Willkürinnervationn lassen sich die Summenaktionspotentiale nicht mehr auseinandera rhalten: volles Inter- ferenzmuster. In der klinischen Anwendung werden feine, bipolare Nadelelektroden in den Muskel eingestochen. Welche Vor- und Nachteilee hat diese Methode? 1.2 Bestimmung der Erregungsleitungsgeschwindigkeit mit Hilfe des EMG Das EMG des M. abduktorr digiti minimi wird an einem Probanden durch elektrische Reizung des N. ulnaris an zwei unterschiedlichen Reizorten ausgelöstt (Abb. 1). Die Reizintensität wird so eingestellt, daß ein EMG mit möglichst gleicher Form an beiden Reizstellen hervorgerufen wird. Der Abstand der Kathoden ( s) und die Latenzdifferenz ( t) werden gemessen. Aus den Werten für Weg und Zeit wird die Nervenleitungsgeschwindigkeit (NLG) ermittelt. NLG = s / t [m/s] Tragen Sie hier den von v Ihnen NLG = ermittelten Wert ein: Vergleichen Sie diesen Wert mit den Angaben für Nervenleitungs-Geschwindigkeiten in Ihren Lehrbüchern.Wovon ist die Nervenleitungsgeschwindigkeit abhängig? Ergebnisse am Tafel schreiben. Versuch 2 2: Isometrische Kontraktion des menschlichen Skelettmuskelss Es werden die isometrischen Kontraktionen des M. adductor pollicis während der Reizung des N. ulnaris und bei Willkür-Kont traktionen gemessen. Gleichzeitigig wird dass EMG des Muskels mit Oberflächenelektroden abgeleitet.

25 Der Nerv wird mit Einzelimpulsen (Dauer 0,1 0.2 ms; Amplitude A 20 ma) gereizt. Die mechanische und elektrische Aktivität des Muskels sowie der d Reiz wird mit dem Powerlab Verstärker aufgenommen (siehe Anhang 1 u. 2) und am Bildschirm registriert. Die Reizamplitude wird langsam erhöht und die Wirkung auf die beiden anderenn Parameterr beobachtet. Wie ändern sich Summenaktionspotential und Kontraktion mit m der Reizstärke? Erklären Sie Ihre Beobachtungen! Tragen Sie folgende Meßwerte hier ein: Länge des Muskelsummen-Aktionspotenzials: Anstiegszeit der Kontraktion: Erschlaffungszeite der Kontraktion: Länge der Muskelkontraktion: MUSKULATUR 25 Methode: EMG-Elektroden werden über den M. adductor pollicis p und am Zeigefinger der rechten Hand aufgeklebt (Abb. 2). Diee Reizelektroden werden über denn N. ulnaris und die Erdelektrode am Unterarm mittels eines Gummibandes fixiert. Die rechte Hand und der Unterarm Powerlab werden dann in der Input 2 Versuchsapparatur fixiert und das Interphalangealgelenk des Daumens auf einen mechano- elektrischen Wandler gelegt (der Wandler setzt mechanischee Kraft in Powerlab elektrische Spannung um: 5 mv Input 1 Erde 1 N). Abb. 2 Stimulator Reizelektrode 2.1 und Summen-Aktionspotenzial isometrische Einzelkontraktion Zeichnen Sie in folgende Graphen den Zeitverlauf des Summenaktionspotenzials (SAP) und der Einzelzuckung ein! Wie würde der Zeitverlauf eines Aktionspotenzials im Vergleich zum SAP aussehen? Amplitude SAP [mv] Zeit [msec] Amplitude Zuckung [N] Zeit [msec]

26 2.2 Superposition von Muskelzuckungen MUSKULATUR 26 Der Nerv wird mit supramaximalen Doppelimpulsen gereizt. Stellen Sie das Reizintervall zunächst auf 0,2 s ein und reduzieren Sie es dann stufenweise bis auf 42 Millisekunden. Tragen Sie hier die von Ihnen bestimmten Maxima der Kraftentwicklung gegen das Reizintervall auf: Kraft [N] sap [mv] Reizintervall [msec] 2.3 Unvollständiger und vollständiger Tetanus Der Nerv wird mit einer 0,8 s dauernden Impulsserie (supramaximale Reize) gereizt. Beginnen Sie mit einer Reizfrequenz von 4 Hz und bestimmen Sie die maximale Spannungsentwicklung. Erhöhen Sie die Reizfrequenz auf 5, 7, 10, 14, 20 und 24 Hz und bestimmen Sie ebenfalls die maximale Spannungsentwicklung. Ermitteln Sie die Verschmelzungsfrequenz: Hz. Tragen Sie rechts die von Ihnen ermittelte maximale Spannungsentwicklung gegen die Reizfrequenz auf: Kraft [N] SAP Vergleichen Sie die maximale Kraftentwicklung bei 20 bzw. 24 Hz mit der einer Einzelzuckung. Frequenz [Hz] 2. 4 Willkür-Aktivität Bei langsamer Zeitablenkung des Powerlabs (1-5 s/cm) werden Muskelkraft und elektrische Aktivität registriert. Vergleichen Sie die beiden Parameter bei verschieden starken Muskelkontraktionen. Messen Sie die Muskelkraft bei maximaler Willkürkontraktion und vergleichen Sie diese mit der maximalen Kraft während eines Tetanus durch Nervenreizung. Wie lang kann die maximale Kraft aufrechterhalten werden bevor der Muskel ermüdet? maximale Kraft bei Willkürkontraktion: maximale Kraft bei Nervreizung: Dauer der maximalen Kraftentwicklung: Ergebnisse am Tafel eintragen.

27 Versuch 3 MUSKULATUR 27 3: Muskeldehnungsreflex bei mechanischer und elektrischer Reizung Methode: das EMG wird am M. triceps surae währendd a) mechanischer Reizung der Achillessehne (Muskeldehnungsreflexx oder Tendon (T)-Reflex) oder b) elektrischer Reizung des N. tibialis (Hoffmann (H)-Reflex)) gemessen. Über der Triceps-Muskulatur werden zwei Ableitelektroden befestigt. Ein Reizelektrodenpaar wird in der Kniekehle angebracht (Abb. 3). 3.1 Mechanische Reflexauslösung ohne Handgriff: mit Handgriff: Latenz des Reflex-EMG?: ohne Handgriff: mit Handgriff: Zeichen Sie rechts schematisch den Reflexbogen des von Ihnen beobachteten Dehnungsreflexes ein. 3.2 Elektrische Reflexauslösung (H-Reflex) Der Reflex wird durch einen Hammerschlag auf die Achillessehne ausgelöst, das Reflex- EMG abgeleitett und am Oszillograph hen beobachtet. Die Schläge S werden im Abstand von mindestens 3 s appliziert, die Reizstärke und damit die Dehnung des Muskels variiert. Bestimmen Sie Reflex-Amplitude undd -Latenz. Powerlab musss auf Quellee : Trigger eingestellet mit Triggerstärke vonn ~ V. Wie verändert sich das abgeleitete Summenaktionspotenzial mit der Stärke des Reizes? Ändert sich die Latenz mit der Stärke des Reizes? Reflexbahnung: bei kräftigem Anspannen von synergistisc ch wirkenden Muskeln, oder auch entfernter Muskeln, kann die Reflexamplitude steigen. Hierzu verwendet man den Jendrassik- Handgriff (kräftiger Zug an den ineinandergehakten Händen,siehH he Abb. 4). Weiteree faszilitierende Maßnahmen, durch welche sich Muskeleigenreflexe leichter (lebhafter) auslösen lassen, sind aktives Heben des Kopfes und aktive Plantarflexion des Fußes. Mit dem Reflexhammer wird das EMG bei möglichst konstanter Reizintensitätt ausgelöst. Bestimmen Sie Reflexamplitude undd -latenz während der Durchführung des Jendrassik- Handgriffs. Wie hoch ist die EMG-Amplitude?: Powerlab musss auf Quellee : User eingestellt. Elektrische Reize von 0,1 ms Dauer werden appliziert. Die Reiz-schwelle ist individuell sehr verschieden und wird zwischen 2 undd 20 ma gesucht. Zweii Ausschläge werden bei mittlererr Reizintensität erscheinen (s.abb. 3): Die M-(Muskel)Welle und die H-( (Hoffmann)Welle. Die Reizschwelle für die Auslösung der H-Welle, die zu Ehren von Paul Hoffmann auch als H- Reflex bezeichnet wird, ist dabei niedriger als die der M-Welle. Falls diee M- Welle bei

28 Geringeren Reizstärken alss die H-Welle auftritt, ist die Winkelstellung des Fußes so zu ändern, dasss der Reflex gefördert wird. Die Amplitude der M- Welle nimmt bei zunehmend der Reizstärke zu, während die Amplitude der H-Welle abnimmt. Überlegen Sie sich Erklärungsmöglichkeiten für dieses Phänomen! MUSKULATUR 28 Latenz der H-Welle: M-Welle: Zeichen Sie hier schematisch den Reflexbogen des H (Hoffmann)- Reflexes ein: Ergebnisse am Tafel eintragen. Reflexprüfung an Menschen Voraussetzung für eine korrekte Untersuchung der Eigenreflexe ist, daß die Gliedmaßen in eine " Mittelstellung" gebracht werden, die eine gewisse Vordehnung des Muskelss bewirkt und ihm dadurch eine reflektorische Verkürzung erlaubt. Zum Beispiel kann der Bizepssehnen-reflex nicht am maximal gebeugten oder gestreckten Arm ausgelöst werden, die Muskeln müssen entspannt sein. Der Reflexhammer soll nicht bei festgehaltenem Stiel, gleichsam als Verlängerung des Armes auf die Sehne oder den Knochen geführt werden, sondern aus lockerem Handgelenk mit seiner eigenen Schwere auf die Sehne fallen. Der Schlag darf nicht den Muskel selbst treffen, sonst löstt man keinen Reflex aus, sondern eine mechanisch bedingte Muskelkontraktion. (siehe Abb 5) Abb. 4 Abb. 4

29 MUSKULATUR 29 Abb. 4: Fazilitierende Maßnahmen, durch welche sich Muskeleigenreflexe leichter (lebhafter) auslösen lassen: a) Jendressik scher Handgriff, b) aktives Heben des Kopfs, c) aktive Plantarflexion des Fußes. Abb. 5 Reflexprüfung an Menschen Versuch 4: Isometrische Kontraktion des Frosch-Skelettmuskels (SIM MUSCLE) Dieser Versuch wird in Zweiergruppen am Computer mit Hilfe der Software SimMuscle (Thieme Verlag) durchgeführt. Doppelklicken Sie auf das SimMuscle Icon und anschließend auf den Bereich Praktikum. Prüfen Sie die korrekte Verkabelung (Hinweis: Sie wollen isometrisch messen!) und schalten Sie alle Geräte (Oszilloskop, mechanoelektrischer Wandler und Stimulationsgerät) an. Hängen Sie nun den Muskel an den Haken des mechanoelektrischen Wandlers und führen Sie einen Nullabgleich durch (Zero-Adjust). 5.1 Abhängigkeit der Einzelzuckung von der Reizstärke Die Stärke einer Einzelzuckung ist entscheidend dadurch bestimmt, wieviele Muskelfasern an dieser Zuckung beteiligt sind. Da sie den Nerven reizen, hängt dies wiederum von der Anzahl der überschwellig gereizten Nervenfasern und damit von der Anzahl der aktivierten motorischen Einheiten ab. Da die Reizdauer fest auf 1 ms eingestellt ist, ist dies ausschließlich eine Funktion der Reizstärke. Um die Kontraktionskraft in Abhängigkeit von der Reizstärke aufzunehmen, reizen Sie den Nerven mit Einzelreizen (single) und registrieren dabei die Kontraktionskraft der Einzelzuckung unter isometrischen Bedingungen (lock). Die kräftigsten Kontraktionen und die am besten reproduzierbaren Werte erhalten Sie erfahrungsgemäß, wenn Sie den Muskel mit 1 bis 2 Gewichten, also mit 50 bis100 g, vordehnen. Ihre Messungen

30 MUSKULATUR 30 beginnen Sie mit Reizen geringer Amplitude (etwa 50 mv) die Sie in Schritten von wiederum etwa 50 mv steigern. Wenn Sie damit in den Bereich sichtbarer Muskelkontraktionen kommen, sollten Sie die Schrittweite verringern, um die minimale Schwelle (erste sichtbare Kontraktion) möglichst exakt, d.h. mit einer Genauigkeit von etwa 10 mv, zu bestimmen. Entsprechend verfahren Sie bei der Bestimmung der maximalen Schwelle, d.h. jener Reizstärke, bei der keine weitere Steigerung der Kontraktion mehr zu erkennen ist. Danach können Sie, bei geeignet gewählten Zwischenwerten, mit nur wenigen zusätzlichen Messpunkten (3-4) die Kurve der Reizstärke-Abhängigkeit bestimmen. Die Verstärkungsregler (Drehschalter) am Oszilloskop sollten Sie so einstellen, dass Sie auf Kanal 1 die Reizstärke gut ablesen können und auf Kanal 2 die Kontraktionskraft abmeßbar ist, sobald eine Zuckung des Präparats sichtbar wird. Möglicherweise müssen Sie mit zunehmender Reizstärke und der damit zunehmenden Kontraktionskraft die Empfindlichkeit des 2. Kanals verstellen. Die Zeitablenkung wählen Sie entsprechend der üblicherweise zu erwartenden Zuckungsdauer von etwa ms. Zeichnen Sie eine maximale Einzelzuckung vom Bildschirm ab (unter Angabe der Eichmarken und der Reizparameter) und bestimmen Sie daraus zusätzlich zur Amplitude auch die Dauer der Einzelzuckung sowie die Dauer der ansteigenden und abfallenden Phase (Kontraktion und Relaxation). Für die Versuche 5.2 und 5.3 wird die kleinste Reizstärke, die noch eine maximale Einzelzuckung ergibt, beibehalten. 5.2 Superposition von Muskelzuckungen Bei kurz aufeinanderfolgenden Reizen können sich die Einzelzuckungen des Muskels überlagern (Superposition). Sie sollten sich diesen Vorgang verdeutlichen, indem Sie für Doppelreize unterschiedlichen Abstandes (Delay) die Kontraktionskurven registrieren. Stellen Sie den Modus-Schalter am Reizgerät auf TWIN. Beginnen Sie wie in 2.2 Ihre Registrierungen mit einem Reizabstand (DELAY), der größer ist als die Dauer der Einzelzuckung (etwa 200 ms). Verkürzen Sie nun sukzessive den Abstand der Reizimpulse in folgender Reihenfolge: 200, 150, 120, 100, 80, 65, 50, 40, 30 ms. Bestimmen Sie auch die diesen Reizabständen entsprechenden Frequenzwerte und tragen Sie in Abhängigkeit vom Reizabstand die Maximalwerte der Zuckungen in eine Werte-Tabelle und anschließend in ein Diagramm (s. unten) ein. Wenn Sie bei Ihren Messungen das Oszilloskop in den STORE- Modus geschaltet haben, sehen Sie die gesamte Kurvenschar auf dem Bildschirm abgebildet. Zeichnen Sie hiervon jene 4 bis 5 Kurvenzüge ab, die Ihrer Meinung nach die Gesetzmäßigkeiten der Superposition bei unterschiedlichen Reizabständen am besten wiedergeben. Tragen Sie hier die von Ihnen bestimmten Maxima der Kraftentwicklung gegen das Reizintervall auf: Kraft [N] SAP [mv] Reizintervall [ms]

31 5.3 Unvollständiger und vollständiger Tetanisierung MUSKULATUR 31 Die physiologisch relevante Kontraktionsform ist die tetanische Kontraktion. In vivo werden die Muskelfasern über die Motoneurone nicht durch einzelne Aktionspotenziale (AP) aktiviert, sondern immer durch längere Salven schnell aufeinanderfolgender AP. Die Einzelzuckungen überlagern sich (siehe Superposition) und verschmelzen zu einer glatten Kontraktion. Wie in Punkt 2.3 wird der Nerv wird mit einer 0,8 s dauernden Impulsserie (supramaximale Reize) gereizt. Beginnen Sie mit einer Reizfrequenz von 5 Hz (Modus: TRAIN) und bestimmen Sie die maximale Spannungsentwicklung. Berechnen Sie den dieser Frequenz entsprechenden Reizabstand, den Sie dann an dem Reizgerät einzustellen haben (DELAY). Erhöhen Sie die Reizfrequenz auf 10, 15, 30, 50 Hz und bestimmen Sie ebenfalls die maximale Spannungsentwicklung. Tipp: Rechnen Sie sich für die verschiedenen Reizfrequenzen die einzustellenden Werte (DELAY und COUNTS (Zahl der Reizimpulse)) vor den Versuchen aus und tragen Sie diese in eine Tabelle ein. Achten Sie bei der Einstellung der Verstärkung von Kanal 2 darauf, dass bei den tetanischen Kontraktionen etwa 2-3 mal größere Kräfte erreicht werden als bei Einzelzuckungen. Für die Zeitablenkung ist eine Einstellung von zunächst 200 ms/div (d.h., 2 Sekunden Überlaufzeit) zu empfehlen. Ermitteln Sie die Verschmelzungsfrequenz: Hz Tragen Sie hier die von Ihnen ermittelte maximale Spannungsentwicklung gegen die Reizfrequenz auf: Kraft [N] SAP [mv] Vergleichen Sie die unter 5.1 und 5.2 erhaltenen Werte mit denen von Punkt 2.2 und 2.3. Wie lassen sich potenzielle Unterschiede erklären? Ergebnisse am Tafel eintragen. Reizfrequenz [Hz]

32 MUSKULATUR 32 Anhang 1: Powerlab Messverstärker, Eingänge 1-4, Kraft Eingang E 1, EMG Eingang 3 Reizgerät (Stimulator) Ausgang Anhang 2: Bedienung derr ADInstruments-Software Starten Sie die Software durch Doppelklick auf das Programmsymbol Scope auf dem Desktop. Die Software kann in ein oder zwei Fenstern zwei Messkanäle darstellen. Die Zuordnung erfolgt bei (oberes rotes Fenster) bzw. (unteres blaues Fenster). Auf Channell 1 liegt das Kraftmess-Signal, auf Channel 3 das Signal der EMG-Elektr oden. Die Zeitachse (X-Achse) kann unter (Time) verändert werden. Die Skalierung der Y-Achse kann durch Klick auf die Pfeiltaste unter Punkt Set Scale... geändert werden. Bei diesem Vorgehenn bleiben die Messwerte erhalten. Der verwendete Stimulus wird im Stimulatorfenster (siehe Abbildung A unten) eingestellt, das im Menu Setup - Stimulator... geöffnet wird. Delay Antwort Stimulus

33 Stimulatorfenster: MUSKULATUR 333 Bei wird der Modus Pulse für Einzelpulse oder Multiple für 2 oder mehr Pulse P eingestellt. Die Zahl der Pulse kann im Modus Multiple bei eingestellt werden. Die Frequenz der Pulse wird durch die Wahl des Intervallss zwischen den Pulsen bei eingestellt. Der hierr verwendete Verstärke ist auf eine maximale Stimulationsfrequenz von 24 Hz (= = 42 ms Intervall) begrenzt. Wird ein Delay >0 ms eingestellt, so ist dieser bei der Ablesung der Zeit im Messfenster zu berücksichtigen. Die Einstellung einess Delays ist nicht nötig. Die Amplitude kann bei zwischen 0 und 20 ma m gewählt werden. Ein sinnvoller Anfangswert ist 3-5 ma. EMG Aufnahme: Klebe-Elektroden ankleben. Verbindungskabel anlegen. Dass Kabel hat t 5 Leiter: zwei Leiter- Paare für die Registrierungg (weiß-schwarz: Channel 1; rot-braun: Channel 2) und ein grünes Erdungskabel. Die Kabel werden an die Eingänge 3 und 4 des Messgerätes angeschlossen. Demzufolge ist der Kanal 1 (schwarz-weiß) Eingangg 4 gekoppelt. Achtenn Sie bitte darauf, dass Sie den richtigen Input im Scope-Fenster wählen! des Kabels an den d Eingang 3 gekoppelt und der Kanal 2 (rot-braun) an den Kraft-Aufnahme: Das Kraftaufnahmegerät istt über ein BNC-Kabel an Eingangg 1 des Messgeräts angeschlossen. Achten Sie darauf, dass Sie den richtigen Input im Scope-Fenster wählen. Passen Sie die Range -Einstellung ann die Signalgröße an. Stellen Sie die Dauer ihrer Ableitung ein ( Time Base-Time).

34 MUSKULATUR 34 Anhang 3: ein paar Hinweise für die Simulation Froschmuskel : 1. per Maus Drag & Drop einen Muskel an den Haken hängen! 2. die Kabelverbindung per Maus Drag & Drop herstellen! 3. alle Geräte per Mausklick anschalten (grüne LED). 4. Kalibrierung durchführen! Ebenfalls wichtig! 5. Achten Sie bitte auf den Hebelschalter am Kraft-Messgerät (Länge fixieren). 6. Zeitlicher Abstand zwischen den Reizen wird durch Delay eingestellt. 7. Einzelpulse (single), Puls-Paare (2)) oder Puls-Folgen (trains) sind möglich. 8. Achten Sie bitte auf die Zeit-Einstellung des Oszilloskops s! Bei mehreren Reizpulsen entsprechend längeren Zeitverlauf wählen. 9. Bei veränderter Verstärkung des Oszilloskops auf die Position der Y -Achse achten. 10. Reiz-Schwelle des Muskels liegt bei etwa 175 V. Wenn Sie nichts am Oszilloskop sehen, überprüfen Sie bitte # 3, 5 und Wir wünschen Ihnenn viel Erfolg!!!!