MUSKEL + REFLEXE. Hinsichtlich der Funktion unterscheidet man zunächst drei Muskeltypen:

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1 MUSKEL + REFLEXE I. Lehrziele Ziel ist es, zunächst den anatomischen und physiologischen Aufbau des Muskels zu verstehen. Des Weiteren soll der Unterschied zwischen glatter Muskulatur und Herz- und Skelettmuskulatur verdeutlicht werden. Zudem sollte der Vorgang der Kontraktion und der elektromechanischen Kopplung nach Durcharbeiten der Anleitung klar sein (die Bedeutung des Calciums bei der Muskelkontraktion sei hier besonders 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. Im Hinblick auf das Praktikum ist es von besonderer Bedeutung, die verschiedenen Reflexarten und deren Reflexbögen nachzuvollziehen und gegebenenfalls auch aufzeichnen zu können. II. Einleitung Hinsichtlich der Funktion unterscheidet man zunächst drei Muskeltypen: Skelettmuskulatur Herzmuskel glatte Muskulatur Sie unterscheiden sich sowohl im histologischen Aufbau als auch funktionell. Zunächst wird auf den Skelettmuskel und anschließend auf die glatte Muskulatur eingegangen. A. Der Skelettmuskel (= quergestreifte Muskulatur) 1. Anatomische Grundlagen Der Skelettmuskel an sich ist aus vielkernigen Muskelfasern aufgebaut. Eine Muskelfaser ist die funktionelle Einheit des Muskels: = die Skelettmuskelzelle. Sie hat eine schlauchförmige Gestalt, einen Durchmesser von µm und eine Länge von bis zu 20 cm und mehr (Bsp.: M. sartorius). Die Skelettmuskelfaser ist somit eine lange multi-nukleäre Zelle. Sie wird von Bindegewebe, dem Endomysium umgeben. Es umgibt mit retikulären Fasern jede Muskelfaser, die ihrerseits von einer Basallamina umgeben ist. Das Endomysium ist für die Reissfestigkeit des Muskels verantwortlich.

2 MUSKULATUR 2 Viele Muskelfasern bilden ein Primärbündel (Durchmesser ~ 1 mm). Auch dieses ist von Bindegewebe, dem Perimysium, umgeben. aus: Schmidt, Thews, Lang, 30 Aufl., Springer Verlag Mehrere Primärbündel bilden Sekudärbündel (Sekundärfaszikel, Faszikel = Bündel), die die makroskopisch sichtbare Faserung des Muskels (Fleischfaser) zeigen. Der ganze Muskel ist von einer Faszie umgeben, die auf der Innenseite lockeres 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 Plasmamembran der Muskelfasern wird als Sarkolemm bezeichnet. Eine Myofibrille besteht aus den kontraktilen Proteinen Aktin und Myosin, den regulatorischen Proteinen Troponin und Tropomyosin und einer Reihe von Struktur- und Zytoskelettproteinen 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 extrazellulären Matrix gekoppelt. Klinik: Muskeldystrophie Typ Duchenne und Typ Becker Ursache für diese Muskeldystrophie ist eine X-chromosomal rezessiv vererbte (m, 1:3000) Mutation im Dystrophin-Gen (größtes bekanntes Gen hohe Rate von Spontanmutationen). Es kommt dadurch zu einer Störung der Verbindung zwischen kontraktilem Apparat, Sarkolemm und umgebendem Bindegewebe, was zur Folge hat, dass das Sarkolemm bei Muskelkontraktion geschädigt wird, so dass es letztendlich zu einem Untergang von Skelettmuskelfasern kommt. Die Erkrankung führt im Verlauf von etwa 10 Jahren zu vollständiger Geh- und Stehunfähigkeit. Letztendlich lebensbegrenzend sind die Beeinträchtigung der Atemmuskulatur und die zunehmende Herzmuskelschwäche. Myosin (sog. dickes Filament) und Aktin (sog. dünnes Filament) haben unterschiedliche optische Eigenschaften, so dass Skelettmuskelfasern im Lichtmikroskop eine charakteristische 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 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 absolute 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).

4 MUSKULATUR 4 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 beruht auf zyklischen Wechselwirkungen zwischen Myosinköpfen und Aktinfilamenten (= Querbrückenzyklus) und der hydrolytischen Spaltung von ATP. 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). 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 (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 ihrerseits jeweils aus ca. 200 globulären Aktinmonomeren (G-Aktin) bestehen. Jedes G-Monomer besitzt eine Bindungsstelle für einen Myosinkopf. Jedes Aktinfilament ist mit Tropomyosin und Troponin C, I und T assoziiert. (Abb. aus Deetjen, Speckmann, 3. Auflage, Urban & Fischer Verlag).

5 MUSKULATUR der Kontraktionszyklus Im wesentlichen 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 Bindung von Myosinkopf und Aktin. 2. Die ATPase des Myosins spaltet das ATP => Hydrolyse des ATP (ATP ADP + P i + Mg 2+ - Komplex; 3. Der Myosinkopf richtet sich auf, um 90. Jetzt bindet der Myosinkopf an eine gegenüberliegende Aktin Untereinheit. 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 das Aktinfilament an sich vorbeizieht (1. Teil des Kraftschlags) aus. Klinke, Silbernagl, 3. Auflage, Thieme Verlag 4. Anschließend wird das immer noch gebundene ADP gelöst, was Teil 2 des Kraftschlags auslöst und die Myosinköpfe in ihre Endposition bringt (Myosinkopfwinkel 45 = Grundzustand, siehe oben) Der letztlich übrig gebliebene Aktin Myosin Komplex ist sehr stabil (Rigorkomplex) und kann nur durch eine erneute Bindung von ATP gelöst werden ( Weichmacherwirkung des ATP ). Der Mangel an ATP, bzw. die nicht mehr vorhandene Bildung im toten Organismus ist somit auch für die Totenstarre verantwortlich (ist erst nach Zersetzung der Aktin- und Myosinfilamente lösbar). Nachdem nun der Kontraktionszyklus abgehandelt worden ist, soll nun auf das Zustandekommen einer Kontraktion, genauer gesagt die elektromechanische Kopplung eingegangen werden.

6 MUSKULATUR 6 Grundlage der Kontraktion ist, wie eben besprochen, die Aktin Myosin Interaktion. Die Frage ist, wie diese Kontraktion genau reguliert wird. Die Antwort soll der nachfolgende Text liefern die neuromuskuläre Synapse Um die elektromechanische Kopplung zu verstehen, muss kurz auf die Übertragung an der motorischen Endplatte eingegangen werden. Die Skelettmuskeln selbst werden von motorischen Nervenfasern innerviert, die entweder Spinalnerven oder Hirnnerven entstammen. An den jeweiligen Muskelfasern befindet sich jeweils eine motorische Endplatte an ihr tritt das Motoaxon mit dem Sarkolemm in Kontakt (s. Abb.). Die Erregungsübertragung vom Motoaxon zur Muskelfaser geschieht demzufolge an der motorischen Endplatte, welche gleichzeitig eine chemische Synapse darstellt. Transmitter der Übertragung ist hier Acetycholin (ACh), das an n(nikotinerge) Cholinorezeptoren der subsynaptischen Muskelzellmembran (= Sarkolemm) bindet. Die nikotinergen Cholinorezeptoren sind ionotrop, d.h., sie stellen gleichzeitig einen Ionenkanal dar (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. Entleert nun ein motoaxonales Aktionspotenzial (AP) etwa 100 solcher Vesikel, öffnen sich dadurch ca Kanäle gleichzeitig, so dass es zu einem nerven-induzierten exzitatoririschen Endplattenpotential (EPP, mit einer Amplitude bis zu 70mV) kommt, welches wenn es überschwellig ist ein Aktionspotenzial (AP) in der Muskelfaser auslöst. 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.

7 MUSKULATUR 7 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 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 Herz- und glatten Muskelzellen nicht über Gap junctions miteinander verbunden sind die elektro-mechanische Kopplung aus: Klinke, Silbernagl, Pape, 5. Auflage Kommen wir nun zurück auf das AP in der Muskelfaser, welches ja, wie oben beschrieben, durch ein EPSP 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. Kommt es zu einem AP, werden durch die Depolarisation in der Membran der T-Tubuli spannungsabhängige Calcium-Kanäle (Dihydropyridin-Rezeptoren DHP-R, Dihydropyridin ist ein Hemmstoff) aktiviert. Als weitere wichtige Struktur 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 und des sarkoplasmatischen Retikulums überbrückt (s. Abb.) RyR sind Calcium-Kanäle und für die Calcium-Freisetzung aus dem SR verantwortlich. Beide Rezeptoren sind mechanisch aneinander gekoppelt; kommt es zu einer Konfigurationsänderung (Aktivierung) eines DHPR, wird dadurch gleichzeitig ein gegenüberliegender RyR mechanisch aktiviert, so 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 mol/l dadurch gibt das Tropomyosin die Myosin- Bindungsstellen des Aktin-Filaments frei und der Querbrückenzyklus startet.

8 MUSKULATUR 8 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 solchen Patienten unter Narkotika-Gabe (z.b. Halothan) zu einem massiven, unkontrollierten Calcium Ausstrom aus dem sarkoplasmatischen Retikulum kommt. Die 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 ein Antidot, in diesem Falle Dantrolen, welches die RyR und damit die Calcium Freisetzung blockiert, injiziert werden. Damit der Muskel nach erfolgter Kontraktion wieder erschlaffen kann, muss die Ca 2+ - Konzentration im Sakroplasma wieder auf/unter 10-7 mol/l gesenkt werden. Dies geschieht mittels primär aktiver Ca 2+ -Pumpen (Ca 2+ -ATPasen), die sich in der Membran des sarkoplasmatischen Retikulums befinden und das Ca 2+ in das longitudinale System pumpen. Unter Spaltung eines ATP-Moleküls transportieren die Ca 2+ -ATPasen 2 Ca 2+ außen. Durch die Abnahme der sarkoplasmatischen Ca 2+ -Konzentration dissoziiert Ca 2+ von Troponin C ab, und es kommt zu einer Rückumlagerung des Tropomyosins und damit zur Blockierung der Bindungsstellen. Somit hängt die Erschlaffungs-Geschwindigkeit eines Muskels von der Geschwindigkeit ab, mit der die sarkoplasmatische Ca 2+ -Konzentration gesenkt werden kann. 4. MUSKELMECHANIK 4.1. Einzelzuckung Wie es auf molekularer Ebene zu einer Zuckung kommt, haben wir bereits gesehen (Querbrückenzyklus). Durch Ca 2+ -Freisetzung kommt es zu einer kurzen Kontraktion der Muskelzelle, die allerdings sofort durch Ca 2+ -Wiederaufnahme (mittels Ca 2+ -Pumpe) ein Ende findet. Bei der Muskelkontraktion lassen sich 3 Phasen unterscheiden: a) Latenzzeit: sie beschreibt die zeitliche Diskrepanz zwischen elektrischer Erregung und Zuckung, d.h., die Kontraktion ist erst deutlich nach dem AP zu messen. b) Anstiegszeit: sie entspricht dem Beginn der Kontraktion des Muskels bis zum Gipfel der Kontraktion. c) Erschlaffungszeit: sie markiert das 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 der Muskelfaser und auf die Dämpfung der Spannungsentwicklung durch die serienelastischen Elemente andererseits. Sie ist dabei zum einen abhängig vom jeweiligen Muskeltyp und dauert etwa 1ms bis zu mehreren ms, zum anderen ist sie temperaturabhängig (je höher die Temperatur, desto geringer die Latenzzeit). Wegen der großen Schwankungsbreite verwendet man Relativwerte: Erschlaffungszeit: Anstiegszeit = 2-3:1 beim Skelettmuskel, 1:1 beim Herzmuskel

9 MUSKULATUR 9 Merke: Die Muskelkontraktion folgt nicht der Alles-Oder-Nichts-Regel!! Die Zuckungsamplitude nimmt mit steigender Anzahl die aktivierten motorischen Einheiten zu. Die maximale Kontraktion ist erreicht, wenn alle Fasern erregt sind. Bei wiederholten Reiz hängt der Kontraktions-stärke von der interval zwischen die Reize. Eine einzelne Zuckung ist i.d.r. zu kurz, um den Muskel maximal zu kontrahieren; man findet eine Einzelzuckung im menschlichen Körper lediglich bei Eigenreflexen. Alle willkürlichen Skelettmuskel-Kontraktionen sind tetanischer Natur (s.u.). (Abb. rechts aus Physiologie Praktikum) 4.2. Superposition und Tetaniserung Dieses Phänomen dient der Abstufung 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 Dauerverkürzung (= Tetanus). Gibt man mehrere Reize in kurzem Abstand, wird die Gesamtverkürzung/Kraft des Muskels größer (s. o.). Warum? Der Reiz führt letztendlich via EM Kopplug zu einer Ca 2+ -Freisetzung in der Muskelfaser. Daraufhin kommt es zur Zuckung, die etwa 10mal so lang dauert wie der Prozess von der Erregung bis zur Aktivierung des kontraktilen 5 hz Apparates. Somit kann ein 2. Reiz 2 Einzelzuckung ausgelöst werden während die Zuckung noch im Gange ist. Dieser führt ebenfalls zur Ca hz - 2 u. T. Freisetzung, was die gerade sinkende Calcium-Konzentration wieder auf das höhere Niveau ansteigen lässt. Der Ursprungs- 10 v. T. 25 hz zustand von 10-7 mol/l wird also erst gar nicht erreicht, weshalb der 0 Time (ms) 1200 Muskel nicht erschlafft. Kraft (N) Merke: Die Ca 2+ -Konzentration muss 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) Unvollständiger Tetanus (U.T): ab einer Reizfrequenz von etwa 10 Hz. Die superponierten Zuckungen sind noch deutlich zu unterscheiden (die Ca 2+ -Konzentration nimmt schon so weit ab, dass der Muskel sich bereits zu entspannen beginnt)

10 MUSKULATUR 10 b) Vollständiger Tetanus (V.T.): ab einer Reizfrequenz von ca. 20 Hz, bei erhöhter Reizfrequenz verschmelzen die Einzelzuckungen und werden als solche von außen nicht mehr erkennbar. Es gibt einen Anstieg zu einem glatten Plateau. Fusionsfrequenz = Verschmelzungsfrequenz ist diejenige Reizfrequenz, die gerade einen vollständigen Tetanus auslöst, etwa 20 Hz (10 bis 100+ Hz, vom Muskelfasertyp abhängig). Sobald das Reizintervall weniger als etwa 1/3 der für die Einzelzuckung benötigten Zeit beträgt, kommt es zum vollständigen Tetanus. Je länger die Einzelzuckung dauert, desto niedriger ist die Verschmelzungsfrequenz. Die Verschmelzungsfrequenz ist, wie die Einzelzuckung, temperatur-abhängig die Ruhedehnungskurve Kraft Ruhedehnungskurve Länge Anhängelast beschreiben lässt: Die Ruhedehnungskurve beschreibt die Kraft (Spannung; Y-Achse), die nötig ist, um den Muskel ausgehend von seiner Ruhelänge zu einer bestimmten Länge (X-Achse) zu dehnen. Dabei verhält sich der Muskel elastisch, d.h., er leistet der Deformation Widerstand, um nach Aufhören der deformierenden Kraft (Last) sofort wieder die Formänderung rückgängig zu machen (vgl. Stahl-Feder, Gummiband). Im Zustand der Deformation baut er eine gewisse Spannung auf, die sich im folgenden Experiment als Man hänge verschiedene Gewichte an einen aufgehängten Muskel und erfasse die Längenänderung (genau diesen Zusammenhang beschreibt die Ruhedehnungskurve)! 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.

11 MUSKULATUR 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. 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 Relative Kraft Sarkomerlänge 3.5 µm Sarkomer Länge (µm) Man unterscheidet fünf verschiedene Kontraktionsformen, die sich jeweils auch graphisch beschreiben lassen: 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

12 MUSKULATUR 12 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 (A). A Kraft B Kraft Länge Länge Die Kurve der isometrischen Maxima (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. Kraft Länge 4. Unterstützungs-Kontraktion: erst findet eine isometrische, dann eine isotonische Kontraktion statt (Gewicht vom Boden abheben). Kraft Länge 5. Anschlags-Kontraktion: erst findet eine isotonische, dann eine isometrische Kontraktion statt (Ohrfeige, Kieferschluss) Kraft 4.5. die Muskelarbeit: sie lässt sich aus dem Kraft- Längen-Diagramm erkennen: Arbeit = Kraft (Spannung) x Weg (Muskellängen- Änderung). Bei mittlerer Last ist die Arbeit am größten. Sie ist Null bei rein isometrischer Kontraktion, da hier keine Längenänderung stattfindet. Das Kraft-Längen Diagramm kann auch als Arbeits- Diagramm betrachtet werden. Kraft Länge Länge Arbeit

13 MUSKULATUR die Muskelleistung: sie lässt sich aus dem Kraft-Geschwindigkeitsdiagramm (Hill- Kurve) ablesen: Hill-Kurve Verkurzungsgeschwindigkeit 3 2 Leistung bei höherer (1), mittlerer (2) und geringerer Last (3) = Areal des Vierecks 1 Merke: Die geleistete Arbeit eines Muskels ist immer geringer als die Energie, die er dafür braucht!! Das Verhältnis zwischen Arbeit und investierter Energie nennt sich Wirkungsgrad und liegt in der Regel zwischen %. Last Die Fläche des eingezeichneten Vierecks entspricht der Leistung bei der entsprechenden Last. Leistung = Muskelkraft (Spannung) x Verkürzungs-Geschwindigkeit. Verkürzungsgeschwindigkeit: Die maximale Verkürzungsgeschwindigkeit entspricht der maximalen Geschwindigkeit des Querbrückenzyklus, die wiederum von der ATPase-Aktivität des Myosins bestimmt wird: Typ-I-Faser-Myosin hat nur geringe ATPase-Aktivität (Halte- Muskeln). Typ-II(a und b)-faser-myosin hat hohe ATPase-Aktivität (in Bewegungsmuskeln). Durch Verringerung der Last nähert man sich sukzessive der maximalen Verkürzungs- Geschwindigkeit. Schwere Gegenstände können somit nur langsam angehoben werden. Leistung: Die Leistung ist bei mittlerer Last (0,3 x Maximal-Kraft) maximal 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 Impulse mit einer Frequenz von etwa 10 Hz schon einen unvollständigen Tetanus 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.

14 Dies geschieht: MUSKULATUR 14 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 Energie lieferant 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 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 Leistung stark herabsetzt. Nach Beendigung der Arbeit gilt es nun noch, die zu Beginn der Belastung verbrauchten Speicher an ATP, Kreatinphosphat und Muskelglykogen wieder aufzufüllen. Das zuvor eingegangene Sauerstoffdefizit wird jetzt durch verstärkte Atmung ausgeglichen (Sauerstoffschuld). 2. Der Wärmeablauf während der Muskelkontraktion: Bei jeder Muskeltätigkeit entsteht aus der investierten Gesamtenergie neben der mechanischen Arbeit (der Kontraktion) auch Wärme: umgesetzte chemische Energie =

15 MUSKULATUR 15 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 äußerlich keine Arbeit geleistet wird (vgl. Muskelarbeit), geht die gesamte Energie in Wärme über. Es lassen sich zwei große Wärmeschübe während der Muskelarbeit feststellen: 1. Initialwärme: sie erstreckt sich vom Beginn der Latenzphase bis zum Ende der Erschlaffung, überdauert also die ganze Kontraktion. Es lassen sich verschiedene Untergruppen herausdifferenzieren: Aus Klinke, Silbernahl, 3. Aufl. Thieme Verlag 1) Aktivierungswärme entsteht während der Aktivierung des Querbrückenzyklus. 2) Verkürzungswärme entsteht bei der Verschiebung der kontraktilen Filamente. 3) Erschlaffungswärme entsteht während des Abbaus der Spannung (z.b. beim Absetzen eines angehobenen 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

16 6. REFLEXE MUSKULATUR 16 Alle einfachen Korrekturen der Muskeltätigkeit sind in Form von Reflexen (= stereotyp ablaufende unwillkürliche motorische Reaktion auf einen äußeren Reiz) auf Rückenmarksebene 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 und ermöglicht eine gewisse Eigendynamik, die keiner übergeordneten Kontrolle bedarf. Dieses Grundmodell lässt sich im 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 Muskellänge b) Die Golgi-Sehnenorgane für die Erfassung der Muskelspannung Daneben gibt es auch andere Sensoren (Nozizeptoren, Warm- / Kalt-Sensoren, Vater-Pacini-Körperchen, Merkel-Zellen), die aber nicht muskelspezifisch sind oder erst gar nicht im Muskel zu finden sind die Muskelspindel Hier handelt es sich um spezialisierte Skelettmuskelfasern, die durch einen Bindegewebssack von den übrigen Muskelzellen getrennt werden. Man nennt sie auch intrafusale Muskulatur. Indem sie zur Arbeitsmuskulatur parallel geschaltet sind, können sie eine eintretende Dehnung registrieren und über bestimmte Afferenzen ans ZNS weiterleiten. Man unterscheidet zwei Subtypen der 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 intrafusalen 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 Entladungsrate. Verkürzt er sich, nimmt die Impulsfrequenz ab.

17 MUSKULATUR Informationen über die Geschwindigkeit der Längenänderung: Bei schneller Längenänderung kommt es zunächst zu einem überproportionalen Anstieg bzw. Abfall der Entladungsrate, die sich erst nach Beendigung der Dehnung/Verkürzung auf die neue Länge einstellt. Dabei gilt: -- Je stärker die Dehnung, desto schneller die Impulsrate. -- Je stärker die Verkürzung (negative Dehnung), desto langsamer die Impulsrate. Während Ia-Fasern beide Parameter erfassen, beschränkt sich die Empfindlichkeit der II- Fasern ausschließlich auf die Registrierung der Muskellänge. Die afferenten Fasern treten am Hinterhorn ins Rückenmark ein und werden in den motorischen Vorderhornzellen, entweder direkt oder indirekt über Interneurone auf - Motoneurone verschaltet. Die einzelnen Muskelfasern der Arbeitsmuskulatur werden von -Motoneuronen efferent innerviert. Die Efferenzen der Muskelspindelfasern sind die -Motoneurone. Diese unterscheiden sich von den erstgenannten vor allem durch ihre Leitgeschwindigkeit ( -Motoneurone leiten mit ~ 60m/s etwa doppelt so schnell wie -Motoneurone mit ~ 30 m/s). Ihre Aufgabe ist es, die Empfindlichkeit der Muskelspindel auch während der Kontraktion sicherzustellen: Im Rahmen der Muskelverkürzung während der Kontraktion würde ohne -Motoneuron die intrafusale Muskulatur entdehnt und die Entladungsrate der Afferenzen würde auf ein Minimum reduziert. Dann wäre die Erfassung einer weiteren Verkürzung unmöglich. Diesen Zustand bezeichnet man als Spindelpause. Um diese zu umgehen, bedient sich der Körper der - -Koaktivierung. Jede Aktivierung eines - Motoneurons geht mit der gleichzeitigen Aktivierung der -Motoneurone des entsprechenden Muskels einher. Da diese 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 Diese sensorischen Organe befinden sich am Übergang der Arbeitsmuskulatur zur 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 den Golgi-Sehnenorganen registriert und in eine zur Spannung proportionale Impulsfrequenz transformiert. Diese läuft über die zugehörigen Afferenzen (Ib-Fasern) ins Rückenmark, wo eine Verschaltung auf hemmende Interneurone erfolgt. Über eine weitere Synapse wird so das -Motoneuron des

18 MUSKULATUR 18 Muskels gehemmt und dadurch die Spannung reduziert. Der Muskel hemmt sich also selbst, um eine übermäßige Spannungsentwicklung zu vermeiden. Der Eigenreflex ist dadurch charakterisiert, dass Sensor und Effektor im selben Organ liegen. Beim Fremdreflex befinden 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 auf die zugehörige Sehne, ist dies der adäquate Reiz für die Muskelspindel. Ihrer Funktion als Sensor entsprechend, registriert sie den Reiz und leitet ihn über ihre Afferenzen, die Ia-Fasern weiter. Diese treten durch das Hinterhorn des entsprechenden Segments ins Rückenmark ein und erregen dort das zugehörige - Motoneuron, welches anschließend über das Vorderhorn wieder den Muskel aktiviert (Abbildung Teil A). Die Umschaltung im ZNS erfolgt dabei monosynaptisch, weshalb sehr schnell mit einer Reaktion zu rechnen ist. Diesen Zusammenhang beschreibt die Latenzzeit, also die Zeit, die vom Einwirken des Reizes bis zur Ausführung der Kontraktion vergeht. Parallel läuft aber noch eine zweite Reaktion ab (Abbildung, Teil B): die Ia-Faser tritt gleichzeitig mit einem inhibierenden (Ia)-Interneuron in Kontakt, welches wiederum synaptisch mit einem -Motoneuron verbunden ist. Dieses -Motoneuron 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 motorfaser, antagonistischer Muskel Außerdem liegen Sensor und Effektor in unterschiedlichen Organen. Es handelt sich um einen 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. Da die Verschaltungen im Rücken-mark segmental organisiert sind, finden sich unterschiedliche Muskelreflexe auf unterschiedlichen Ebenen des Rückenmarks. Es bietet

19 MUSKULATUR 19 sich hier ein Angriffspunkt für die klinische Überprüfung der Funktion des jeweiligen Segments. Die Ausführ-barkeit 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). Im EMG kann man die sogenannte H-Welle erkennen: sie 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 die der H-Welle. Dies liegt daran, dass die Erregung nicht erst den Weg über das Rückenmark nehmen muss, sondern den direkten Weg über den efferenten Nerven.

20 MUSKULATUR 20 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 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. Beispiele sind der Bauchhautreflex, der Cremasterreflex, der Beuge- und der gekreuzte Streckreflex. 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.

21 MUSKULATUR 21 Den unterschiedlichen Anforderungen entsprechend unterscheidet man zwischen zwei funktionellen Erregungstypen: Single-unit-Typ: Benachbarte Zellen 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 sowie durch Dehnung der glatten Muskelzellen. Bsp.: Darm-, Ureterund Uterusmuskulatur. Multi-unit-Typ: Hier werden die 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.: Irisund Ziliarmuskeln, Samenleiter und Pilomotoren). Kontraktionen der glatten Muskelzellen können durch mehrere Faktoren ausgelöst werden: 1. Neuronal: - eine motorische Endplatte wie bei der Skelett-Muskulatur gibt es bei den glatten Muskelzellen nicht, jedoch werden die Transmitter (Noradrenalin; ACh) in der Nähe der Muskelzellen freigesetzt. Ob sie konstriktorisch oder dilatierend wirken, hängt vom jeweiligen Rezeptor-Molekül der Muskelzell-Membran ab. aus Klinke, Pape, Silbernagl, 5. Aufl. Thieme Verlag 2. Selbständig / Spontan ( Schrittmacher- Zellen) - wie bereits oben beschrieben, gibt es Schrittmacherzellen, die selbständig AP generieren können, wobei die Weiterleitung über Gap junctions erfolgt. 3. Lokale Faktoren / Mediatoren: - bei 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 versorgende Arteriolen (= glatte Muskulatur) aus sie dilatieren, und der Muskel wird stärker durchblutet. 4. Hormone: - manche Hormone wirken auch auf die glatte Muskulatur, z.b. Adiuretin (ADH) - es wirkt konstriktorisch auf die Gefässwand-Muskulatur (siehe auch 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 indirekt zu einem Anstieg der zytosolischen Ca 2+ -Konzentration auf >10-7 mol/l führen.

22 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).

23 Praktischer Teil MUSKULATUR 23 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)

24 MUSKULATUR 24 EMG und Reflexe: 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

25 MUSKULATUR 25 Versuch 1: Elektromyogramm Methode: Zwei Ag/AgCl-Elektroden werden auf die Haut einer Hand über die Mm. abduktor digiti minimi 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. 1. Reizstelle 1 Reizstelle 2 Ableitungsstelle Abb Das EMG bei Willküraktivität 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 minimi willkürlich. Hier ist eine möglichst feine Abstufung anzustreben, so daß bei einer minimalen Bewegung die elektrische Aktivität einzelner motorischer Einheiten beobachtet werden kann. Bei stärkerer Innervation nehmen Anzahl und Amplitude der Summenaktionspotentiale zu. Bei maximaler Willkürinnervation lassen sich die Summenaktionspotentiale nicht mehr auseinanderhalten: volles Interferenzmuster. In der klinischen Anwendung werden feine, bipolare Nadelelektroden in den Muskel eingestochen. Welche Vor- und Nachteile hat diese Methode? 1.2 Bestimmung der Erregungsleitungsgeschwindigkeit mit Hilfe des EMG Das EMG des M. abduktor digiti minimi wird an einem Probanden durch elektrische Reizung des N. ulnaris an zwei unterschiedlichen Reizorten ausgelöst (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 Ihnen ermittelten Wert ein: NLG = Vergleichen Sie diesen Wert mit den Angaben für Nervenleitungs-Geschwindigkeiten in Ihren Lehrbüchern.Wovon ist die Nervenleitungsgeschwindigkeit abhängig? Ergebnisse am Tafel schreiben. Versuch 2: Isometrische Kontraktion des menschlichen Skelettmuskels Es werden die isometrischen Kontraktionen des M. adductor pollicis während der Reizung des N. ulnaris und bei Willkür-Kontraktionen gemessen. Gleichzeitig wird das EMG des Muskels mit Oberflächenelektroden abgeleitet.

26 MUSKULATUR 26 Methode: EMG-Elektroden werden über den M. adductor pollicis und am Zeigefinger der rechten Hand aufgeklebt (Abb. 2). Die Reizelektroden werden über den N. ulnaris und die Erdelektrode am Unterarm mittels eines Gummibandes fixiert. Die rechte Hand und der Unterarm werden dann in der Versuchsapparatur fixiert und das Interphalangealgelenk des Daumens auf einen mechanoelektrischen Wandler gelegt (der Wandler setzt mechanische Kraft in elektrische Spannung um: 5 mv 1 N). Abb. 2 Powerlab Input 2 Powerlab Input 1 Stimulator Reizelektrode Erde 2.1 Summen-Aktionspotenzial und isometrische Einzelkontraktion Der Nerv wird mit Einzelimpulsen (Dauer 0,1 0.2 ms; Amplitude 20 ma) gereizt. Die mechanische und elektrische Aktivität des Muskels sowie der 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 anderen Parameter beobachtet. Wie ändern sich Summenaktionspotential und Kontraktion mit der Reizstärke? Erklären Sie Ihre Beobachtungen! Tragen Sie folgende Meßwerte hier ein: Länge des Muskelsummen-Aktionspotenzials: Länge der Muskelkontraktion: Anstiegszeit der Kontraktion: Erschlaffungszeite der Kontraktion: 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]

27 MUSKULATUR Superposition von Muskelzuckungen 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 40 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 5 Hz und bestimmen Sie die maximale Spannungsentwicklung. Erhöhen Sie die Reizfrequenz auf 10, 15, 25, 30 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: Vergleichen Sie die maximale Kraftentwicklung bei 20 bzw. 30 Hz mit der einer Einzelzuckung. Kraft [N] SAP 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.

28 MUSKULATUR 28 Versuch 3: Muskeldehnungsreflex bei mechanischer und elektrischer Reizung Methode: das EMG wird am M. triceps surae während a) mechanischer Reizung der Achillessehne (Muskeldehnungsreflex 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 Der Reflex wird durch einen Hammerschlag auf die Achillessehne ausgelöst, das Reflex- EMG abgeleitet und am Oszillographen beobachtet. Die Schläge werden im Abstand von mindestens 3 s appliziert, die Reizstärke und damit die Dehnung des Muskels variiert. Bestimmen Sie Reflex-Amplitude und -Latenz. Powerlab muss auf Quelle : Trigger eingestellet. 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 synergistisch wirkenden Muskeln, oder auch entfernter Muskeln, kann die Reflexamplitude steigen. Hierzu verwendet man den Jendrassik- Handgriff (kräftiger Zug an den ineinandergehakten Händen,siehe Abb. 4). Weitere 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 Reizintensität ausgelöst. Bestimmen Sie Reflexamplitude und -latenz während der Durchführung des Jendrassik- Handgriffs. Wie hoch ist die EMG-Amplitude?: 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) Elektrische Reize von 0,1 ms Dauer werden im Abstand von mindestens 3 s appliziert. Powerlab muss auf Quelle : User eingestellt.

29 MUSKULATUR 29 Die Reiz-schwelle ist individuell sehr verschieden und wird zwischen 10 und 80 V gesucht. Zwei Ausschläge werden bei mittlerer Reizintensität erscheinen (s.abb. 3): Die M- (Muskel)Welle und die H-(Hoffmann)Welle. Die Reizschwelle für die Auslösung der H- - Reizstelle Welle, die zu Ehren von Paul Hoffmann auch als H-Reflex bezeichnet wird, ist dabei niedriger als die der M-Welle. Falls die M-Welle bei geringeren Reizstärken als die H-Welle auftritt, ist die Winkelstellung des Fußes so zu ändern, dass der Reflex gefördert wird. Die Amplitude der M-Welle nimmt bei zunehmender Reizstärke zu, während die Amplitude der H-Welle abnimmt. Überlegen Sie sich Erklärungsmöglichkeiten für dieses Phänomen! 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 Muskels 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 Abb. 4 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 löst man keinen Reflex aus, sondern eine mechanisch bedingte Muskelkontraktion. (siehe Abb 5) Abb. 4 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.

30 Abb. 5 Reflexprüfung an Menschen MUSKULATUR 30 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

31 MUSKULATUR 31 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]

32 MUSKULATUR Unvollständiger und vollständiger Tetanus 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] Reizfrequenz [Hz] 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.

33 MUSKULATUR 33 Anhang 1: Powerlab Messverstärker, Eingänge 1-4, Kraft Eingang 1, EMG Eingang 3 Reizgerät (Stimulator) Ausgang Anhang 2: Bedienung der 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 Channel 1 liegt das Kraftmess-Signal, auf Channel 3 das Signal der EMG-Elektroden. 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 Vorgehen bleiben die Messwerte erhalten. Der verwendete Stimulus wird im Stimulatorfenster (siehe Abbildung unten) eingestellt, das im Menu Setup - Stimulator... geöffnet wird. Delay Antwort Stimulus

34 MUSKULATUR 34 Stimulatorfenster: Bei wird der Modus Pulse für Einzelpulse oder Multiple für 2 oder mehr Pulse eingestellt. Die Zahl der Pulse kann im Modus Multiple bei eingestellt werden. Die Frequenz der Pulse wird durch die Wahl des Intervalls zwischen den Pulsen bei eingestellt. Der hier verwendete Verstärker ist auf eine maximale Stimulationsfrequenz von 30 Hz (= 32 ms Intervall) begrenzt. Wird ein Delay >0 ms eingestellt, so ist dieser bei der Ablesung der Zeit im Messfenster zu berücksichtigen. Die Einstellung eines Delays ist sinnvoll für Kraftmessungen, da dadurch die Basislinie besser sichtbar ist. Die Amplitude des Stimulus kann bei zwischen 0 und 20 ma gewählt werden. Ein sinnvoller Anfangswert ist 5-10 ma. EMG Aufnahme: Klebeelektroden ankleben. Verbindungskabel anlegen. Das Kabel hat 5 Leiter: zwei Leiter- Paare für die Registrierung (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) des Kabels an den Eingang 3 gekoppelt und der Kanal 2 (rot-braun) an den Eingang 4 gekoppelt. Achten Sie bitte darauf, dass Sie den richtigen Input im Scope-Fenster wählen! Kraft-Aufnahme: Das Kraftaufnahmegerät ist über ein BNC-Kabel an Eingang 1 des Messgeräts angeschlossen. Achten Sie darauf, dass Sie den richtigen Input im Scope-Fenster wählen. Passen Sie die Range -Einstellung an die Signalgröße an. Stellen Sie die Dauer ihrer Ableitung ein ( Time Base-Time).