Kontraktile, elastische und neuronale Mechanismen der muskulären Leistungssteigerung im Dehnungs-Verkürzungs-Zyklus.

• Antragsteller: Professor Dr. Daniel Hahn; Dr. Florian Paternoster; Professor Dr. Wolfgang Seiberl; Professor Dr. Tobias Siebert
• Fachliche Zuordnung: Orthopädie, Unfallchirurgie, rekonstruktive Chirurgie ; Anatomie und Physiologie ; Systematik und Morphologie der Tiere
• Förderung: Förderung seit 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 354863464

Der Dehnungs-Verkürzungs-Zyklus (DVZ) beschreibt die muskuläre Funktionsweise, wenn ein aktiver Muskel gedehnt wird und sich in direktem Anschluss daran wieder verkürzt. Diese Abfolge von exzentrischer und konzentrischer Muskelaktivität stellt die häufigste muskuläre Aktionsform während menschlicher Fortbewegung wie Gehen, Laufen oder Springen dar. Dabei zeichnet sich der DVZ durch zwei Besonderheiten aus: Erstens sind Muskelkraft, Arbeit und Leistung während der konzentrischen Vortriebsphase des DVZs im Vergleich zu rein konzentrischen Muskelaktionen um bis zu 50% erhöht. Zweitens geht diese gesteigerte Leistungsfähigkeit mit einer erhöhten Effizienz einher. In einer ersten DFG-Förderperiode konnten in diesem Zusammenhang bereits verschiedene kontraktile, elastische und neuronale Beiträge zur Leistungssteigerung im DVZ identifiziert werden. In dieser Fortsetzung zur ersten Förderperiode sollen weitere grundlegende Fragen zur Leistungssteigerung im DVZ entschlüsselt werden. Zudem wird der Fokus auf die Untersuchung alltagsnaher Kontraktionsbedingungen gerichtet. Der ganzheitliche Forschungsansatz des Fortsetzungsprojekts setzt sich dazu aus eng miteinander verflochtenen Experimenten auf den unterschiedlichsten strukturellen Ebenen der Muskulatur zusammen. Im Rahmen dieser Experimente wird untersucht, wie sich Muskelaktivierung und unterschiedliche Muskelfasertypen auf die Leistungssteigerung im DVZ auswirken. Des Weiteren soll der Beitrag passiv-elastischer Komponenten der Muskulatur zur Leistungssteigerung im DVZ bestimmt werden. Aus angewandter Sicht werden in Anlehnung an zyklische Fortbewegung wiederholte DVZs betrachtet. Dies erfolgt auch für die komplexe mehrgelenkige Beinstreckung wie sie beim Gehen und Laufen auftritt. Zur Erreichung der Ziele dieses Forschungsprojekts finden Experimente auf Muskelfaserebene bis hin zu ein- und mehrgelenkigen Muskelaktionen in vivo statt. Versuchsreihen an isolierten Muskelfasern erlauben dabei Rückschlüsse auf die kontraktilen und passiven Strukturen der Muskelzelle. Die Experimente mit Versuchspersonen geben hingegen Aufschluss darüber, wie sich das Zusammenspiel von Muskeln und Sehnen sowie die neuronale Aktivierung auf die Leistungssteigerung im DVZ auswirken. Die Untersuchung der mehrgelenkigen Beinstreckung erlaubt schließlich eine Beurteilung der Biomechanik und der Koordination bei alltagsnahen Kontraktionsbedingungen. Zusammen mit den Erkenntnissen der ersten Förderperiode trägt dieses Forschungsprojekt dazu bei, den DVZ als alltagsnahe Kontraktionsform der Muskulatur besser zu verstehen. Dies ist nicht nur für ein grundlegendes Verständnis der menschlichen Fortbewegung von Bedeutung, sondern kann darüber hinaus auch Anwendung z.B. im Bereich der Medizintechnik, Robotik und Prothetik sowie für die Entwicklung effizienter humanoider Antriebe finden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen