Rätselhafte Muskelkraft

Sich mit einem schweren Rucksack auf dem Rücken hinzusetzen ist möglich. Aber wie kommt man dann wieder hoch? Zumeist nicht ohne Hilfe. Der Grund: Gedehnte Muskeln können mehr Kraft aufbringen als nicht gedehnte. Was dahintersteckt, erforschen Bewegungswissenschaftler der Ruhr-Universität Bochum (RUB) um Prof. Daniel Hahn. Ihre Ergebnisse könnten helfen, Prothesen und Hilfsmittel zu verbessern.

„Wenn ich ein Gewicht hochhebe, zieht sich der entsprechende Muskel zusammen, er kontrahiert konzentrisch“, erklärt Daniel Hahn. „Wenn ich aber der Schwerkraft nachgebe, weil ich mich hinsetze oder eine Treppe hinuntergehe, wird der Muskel gedehnt. Trotzdem ist er angespannt, um die Bewegung zu kontrollieren. Wir sprechen dabei von der exzentrischen Kontraktion.“ Experimente haben gezeigt, dass die Kraft, die bei exzentrischen Kontraktionen im Muskel erzeugt wird, größer ist als die Kraft, die bei der konzentrischen Kontraktion entsteht. Dabei wird auch noch weniger Energie verbraucht.

Isolierte Fasern, Ultraschall, Magnetstimulation
Um dem zugrundeliegenden Geheimnis auf die Spur zu kommen, wenden die Forscher verschiedene Techniken an. Sie untersuchen isolierte Muskelzellen unter verschiedenen Bedingungen. Sie nutzen Ultraschall, um die Muskelfasern während der Versuche sichtbar zu machen und sicherzugehen, dass sie wirklich gedehnt werden und die Dehnung nicht etwa durch Sehnen abgemildert wird.

Zusätzlich konzentrieren sich die Forscher auf die neuronalen Aspekte der Muskelbewegungen, also auf die Steuerung der Muskelaktivität ausgehend vom Gehirn über das Rückenmark und die entsprechenden Nervenbahnen. Sie messen die Muskelaktivität in nicht gedehntem und gedehntem Zustand nicht nur, wenn die Probanden den Muskel willentlich anspannten, sondern auch, wenn der Muskel zusätzlich durch elektrische Stimulation am Nerv oder am Rückenmark oder durch transkranielle Magnetstimulation zur Kontraktion gebracht wurde. Dabei werden direkt durch die Schädeldecke hindurch mit einer Magnetspule die Gehirnbereiche des motorischen Cortex stimuliert, die für die Aktivierung ganz bestimmter Muskeln zuständig sind.

Nervenzellen sind lange erregbarer
Die Forscher stellten fest, dass die Nervenzellen im Gehirn nach der Dehnung eines Muskels, während die Probanden die Anspannung noch hielten, leichter erregbar waren als ohne Dehnung. Dahinter könnte sich einer von vielleicht mehreren Faktoren verbergen, der zur Kraftverstärkung nach Dehnung führt. Warum die Erregbarkeit höher ist, ist bislang unklar.

„Die Ergebnisse sind nicht nur für die Grundlagenforschung oder die Leistungssteigerung im Sport interessant, sondern auch für Fragen der Prothetik und Robotik“, sagt Hahn. Mit genauerer Kenntnis der neuromuskulären Mechanismen wäre es denkbar, Unterstützungssysteme immer weiter zu verfeinern und an die natürlichen Bewegungsabläufe zum Beispiel beim Gehen anzupassen.