Elektromyografie: Hintergrund

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Dominik Kruse
vor 7 Jahren
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1 Elektromyografie: Hintergrund Skelettmuskeln leisten bei der Fortbewegung und Unterstützung des animalischen Skeletts den größten Teil der Arbeit. Jeder Muskel besteht aus einzelnen Muskelfasern, die in Bündeln organisiert sind (Abbildung 1). Abbildung 1. Struktur eines Skelettmuskels. Jede einzelne Faser wird von einem Zweig eines motorischen Axons innerviert. Unter normalen Umständen werden alle Muskelfasern, die von dem motorischen Neuron und seinen axonalen Zweigen innerviert wurden, von einem neuronalen Aktionspotenzial aktiviert. Das motorische Neuron sowie alle von ihm innervierten Muskelfasern werden als motorische Einheit bezeichnet (Abbildung 2). Abbildung 2. Die Bestandteile einer motorischen Einheit. Bei diesem Aktivierungsprozess wird ein Aktionspotenzial initiiert (entweder freiwillig oder durch elektrische Reizung eines peripheren Nervs) und die Nervenfaser entlang

2 weitergeleitet. Dadurch kommt es zur Ausschüttung eines Neurotransmitters in den synaptischen Spalt der motorischen Endplatte und zur Depolarisierung der Muskelmembran, woraufhin sich die Muskelfasern zusammenziehen. Die Elektromyografie ist ein Verfahren zur Messung der elektrischen Aktivität der Muskeln und der muskelkontrollierenden Nerven. Die aufgezeichneten Daten werden Elektromyogramm genannt, auch unter der Bezeichnung EMG oder Myogramm bekannt. Es gibt zwei Aufzeichnungsmethoden: Bei der einen werden Nadelelektroden durch die Haut in den Muskel eingeführt und bei der anderen Elektroden auf der Haut platziert. Größe und Form der gemessenen Wellenform liefern Informationen über die Fähigkeit des Muskels, auf Nervenreize zu reagieren. In der klinischen Praxis wird das EMG größtenteils verwendet, wenn Menschen Schwächesymptome zeigen und die Untersuchung eine beeinträchtigte Muskelkraft ergibt. Es kann helfen, Muskelschwächen zu unterscheiden, die auf anderweitig begründete Nervenstörungen zurückzuführen sind. Das EMG liefert eine Darstellung von Zeitabläufen und Mustern der Muskelaktivität während komplexer Bewegungen. Das Rohsignal des Oberflächen-EMGs reflektiert die elektrische Aktivität der Muskelfasern, die zum jeweiligen Zeitpunkt aktiv sind. Die Aktivierung von motorischen Einheiten erfolgt asynchron und in manchen Fällen lässt sich bei äußerst schwachen Kontraktionen der Anteil der einzelnen motorischen Einheiten am EMG-Signal ermitteln. Mit zunehmender Stärke der Muskelkontraktion nimmt die Dichte der Aktionspotenziale jedoch zu, und dann stellt das Rohsignal u. U. die elektrische Aktivität von vielleicht Tausenden von einzelnen Fasern dar. In der ersten Übung zeichnen Sie die EMG-Aktivität bei freiwilligen Kontraktionen der Bizeps- und Trizeps-Muskeln des Arms auf (Abbildung 3).

3 Abbildung 3. Struktur eines Skelettmuskels. Das EMG-Rohsignal bei freiwilligen Kontraktionen kann auf verschiedene Weise verarbeitet werden, um die Intensität der EMG-Aktivität zu ermitteln. Bei der hier verwendeten Methode werden die ins Negative gehenden Teile des EMGs invertiert. Anschließend wird das gesamte Signal integriert, um einzelne Spitzen zu glätten und den zeitlichen Verlauf der wechselnden Aktivität stärker zu verdeutlichen. In diesem Teil der Übung untersuchen Sie die Koaktivierung - ein Phänomen, bei dem die Kontraktion eines Muskels zu mehreren geringen Aktivitäten im antagonistischen Muskel führt. Die physiologische Bedeutung dieses Phänomens ist nicht ganz geklärt, doch wird vermutet, dass es zur Stabilisierung des Gelenks beiträgt. Außerdem zeichnen Sie Reiz-EMG-Signale auf, die durch die elektrische Reizung eines muskelversorgenden motorischen Nervs erzeugt werden. Der abductor pollicis brevis ist ein Mitglied der Thenarmuskelgruppe an der Handfläche (Abbildung 4). Abbildung 4. Muskeln von Unterarm und Hand. Der motorische Nerv des abductor pollicis brevis (Mediannerv) ist an Handgelenk und Ellbogen leicht zu reizen. In dieser Übung werden flache Metallscheibenelektroden auf Ihrer Haut angebracht. Kurze elektrische Impulse werden durch die Haut zum Nerv geleitet und es wird aufgezeichnet, wie lange der Muskel braucht, um mit einer Kontraktion auf den elektrischen Impuls zu reagieren. Die Geschwindigkeit der Reaktion hängt von der Leitgeschwindigkeit ab. Im Allgemeinen liegt die normale Leitgeschwindigkeit im Bereich von 50 bis 60 Metern pro Sekunde. Die normale Leitgeschwindigkeit kann jedoch je nach Person und Nerv variieren. Nerven- und Muskelstörungen führen zu anormalen Muskelreaktionen. Durch die Messung der elektrischen Aktivität in Muskeln und Nerven kann festgestellt werden, ob, wo und in welchem Ausmaß Muskelgewebe oder Nerven zerstörende Krankheiten vorliegen (z. B. Muskeldystrophie bzw. amyotrophische Lateralsklerose (Lou-Gehrig-Krankheit)). Im Fall von Nervenverletzungen kann häufig die betroffene Stelle ermittelt werden. In der klinischen Praxis werden EMG- und Nervenleitungsstudien gewöhnlich gemeinsam durchgeführt.

4 Wenn ein externer Nervenreiz angelegt wird, fühlt der Proband ein kurzes Stechen, ein Kribbeln und ein Zucken im Muskel. Das kann sich ähnlich anfühlen wie die statische Entladung, die man spürt, wenn man seine Füße am Teppich reibt und dann einen Metallgegenstand anfasst. In unseren Übungen sind die einzelnen elektrischen Impulse sehr kurz (weniger als eine Millisekunde). Die Energie der elektrischen Impulse ist nicht hoch genug, um Verletzungen oder Schäden hervorzurufen. Es gibt keinerlei Risiko im Zusammenhang mit diesen kleinen Strömen. Da nichts in die Haut eingeführt wird, besteht keine Infektionsgefahr. Übung 1: Freiwillige Kontraktion 1. Im Gegensatz zu der diskreten Wellenform eines Elektrokardiogramms ist die Wellenform des Elektromyogramms unregelmäßig. Was ist Ihrer Meinung nach der Grund dafür? 2. Erklären Sie mit eigenen Worten, wie sich die EMG Spur bei Belastung des Arms veränderte. Was geschieht angesichts der erfassten Daten mit den Muskeln, wenn sie belastet werden? Übung 2: Wechsel von Aktivität und Koaktivierung 1. Definieren Sie mit eigenen Worten den Begriff Koaktivierung. Wie lässt sich dieses Phänomen Ihrer Ansicht nach erklären? 2. Die Koaktivierung von Bauchmuskeln und Muskeln, die zur Stützung der Wirbelsäule dienen, ist erwiesenermaßen unerlässlich für die aufrechte Haltung des Menschen. Ist Ihren Daten zufolge die Koaktivierung des Trizeps für die ordnungsgemäße Funktion des Bizeps nötig und umgekehrt? Übungen 3 und 4: Reiz-EMG und Nervenleitgeschwindigkeit 1. Listen Sie die physiologischen Ereignisse auf, die zwischen dem Reiz und dem Beginn der aufgezeichneten Reaktion auftreten (d. h. während der Latenzperiode). 2. Welches der an der Latenzperiode beteiligten Ereignisse (die Sie in oben stehender Frage 1 aufgelistet haben) hängt von der Position der Reizelektrode ab? 3. Wie lange braucht ein Nervenimpuls Ihren Ergebnissen und der berechneten Nervenleitgeschwindigkeit zufolge, um vom Rückenmark zum großen Zeh zu gelangen? Nehmen Sie an, dass die zurückgelegte Strecke einen Meter beträgt. 4. Gab es unter den Mitgliedern Ihrer Gruppe Abweichungen bei der Nervenleitgeschwindigkeit? Nennen Sie einige Erklärungen dafür.

5 Quiz: 1. A single motor neuron: A. Innervates only one muscle fiber. B. May innervate a number of muscle fibers. 2. The EMG is a recording of: A. The action potentials of the motor nerves supplying the muscle fibers. B. The action potentials of the innervated muscle fibers. C. The contractions of the innervated muscle fibers. 3. The phenomenon of coactivation : A. Is the relaxation of muscle antagonists during the contraction of the agonist muscle. B. Is the weaker contraction of muscle antagonists during the contraction of the agonist muscle. C. Is the simultaneous contraction of other agonist muscles. 4. In the evoked EMG: A. There is synchronous excitation of the muscles supplied by the stimulated nerve. B. The magnitude of the measured EMG is independent of the nerve stimulus intensity. 5. The conduction velocity of motor nerves is approximately: A. 10 m/s. B. 2 m/s. C. 50 m/s.

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