Calf muscle behavior during walking and running under the gravity conditions of Earth, Space, Moon, and Mars: A blessing for rehabilitative gait training and a curse for spaceflight exercise countermeasures

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Die Entlastung des Körpergewichtes ist eine Gemeinsamkeit von rehabilitativem Gangtraining und bemannter Raumfahrt. Patienten mit orthopädischen oder neurologischen Erkrankungen profitieren von einem Gangtraining mit bis zu 30 % Entlastung (entsprechend 0.7g), da weniger Kräfte auf ihre unteren Extremitäten wirken, während jedoch die Gangkinematik weitestgehend erhalten bleibt. Zur Wiederherstellung einer natürlichen Gehfunktion ist neben dem Erhalt des Gangbildes auch der Erhalt der kontraktilen Eigenschaften der Plantarflexoren, wie z. B. des Muskels gastrocnemius medialis (GM), wichtig. In vivo Messungen zur Klärung der Frage, ob das Gehen mit 30 % Entlastung das Muskelfaser- und Sehnenverhalten moduliert, wurden bis zum Zeitpunkt dieser Doktorarbeit noch nicht durchgeführt.
Im Gegensatz zur applizierten Entlastung während des rehabilitativen Gangtrainings auf der Erde müssen Astronauten, die der Mikro- und Hypogravitation ausgesetzt sind, aktiv der Entlastung ihres Körpers entgegenwirken, um eine Degeneration ihres muskuloskelettalen Systems zu vermeiden. Daher führen die Besatzungsmitglieder der Internationalen Raumstation (ISS) tägliche Trainingsmaßnahmen, einschließlich dem Laufen mit künstlich applizierter Belastung durch. Die auf der ISS verwendete maximale Belastungsniveaus liegen zufällig auf dem gleichen Niveau, wie sie für das körpergewichtsunterstützte Gangtraining auf der Erde empfohlen sind (entsprechend 0,7g). Jedoch wurde bis zum Zeitpunkt dieser Doktorarbeit noch keine entsprechende Visualisierung des kontraktilen Verhaltens des GM Muskels mittels Ultraschall durchgeführt, weder für das rehabilitative Gangtraining, noch für das simulierte Laufen auf der ISS. Eine derartige Visualisierung kann aber Aufschluss darüber geben, ob es im Weltraum oder auf planetaren Oberflächen möglich ist, erdähnliche Kontraktionsbedingungen und damit ähnliche auf den Muskel ausgeübte Reize zu replizieren. Darüber hinaus blieb im Hinblick auf zukünftige Missionsszenarien bisher unerforscht, ob und wie das kontraktile Verhalten moduliert wird, wenn das Gravitationslevel auf simulierte Marsgravitation (0,38g) und Mondgravitation (0,16g) verringert wird. Daher war das Ziel der Doktorarbeit, die unmittelbaren Auswirkungen des Gehens und Laufens unter verschiedenen Entlastungsbedingungen auf das muskuläre Verhalten des GM zu untersuchen.
Die Entlastungsbedingungen wurden in dieser Studie durch den Einsatz zweier verschiedener Laufbandsysteme simuliert: Zum einen das AlterG Laufband, um ein rehabilitatives Gangtraining zu simulieren, und zum anderen das vertikale Laufbandsystem „VTF“, um das Laufen auf der ISS, dem Mars und dem Mond zu replizieren. Bei den Studienteilnehmern (n = 8, 32 ± 5 Jahre, 178 ± 6 cm Körpergröße, 94 ± 6 cm Beinlänge, 74 ± 7 kg Körpermasse) wurden die plantaren Kräfte über spezielle Kraftmesssohlen gemessen, um die Standphasen und das erreichte Entlastungsniveau zu bestimmen. Die Faserbündellängen und Fiederungswinkel des GM wurden
Deutsche Zusammenfassung
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mittels Ultraschall quantifiziert. Sprung- und Kniegelenks-winkel wurden über Elektrogoniometer aufgezeichnet und zur Bestimmung der Länge der Muskelsehneneinheit herangezogen. Diese besteht aus kontraktilen und serienelastischen Elementen deren Länge mittels eines Muskel- Sehnen-Modells berechnet wurden.
Die Ergebnisse wurden in drei Publikationen präsentiert, die in folgende drei Themen aufgeteilt sind: Rehabilitation von Patienten auf der Erde, Sporttraining auf der ISS, und Sporttraining während zukünftiger planetarer Missionen. Die erste Publikation weist im Wesentlichen darauf hin, dass das Verhalten von Muskelfaserbündeln und Sehnen während des Gehens auf dem AlterG mit 30 % Entlastung, zusätzlich zur Gangkinematik, erhalten bleibt. Dies ist für eine Wiederherstellung "natürlicher" Gangmuster wesentlich und unterstützt die empfohlene Dosis von 30% Entlastung. Im Gegensatz dazu zeigen die Ergebnisse der zweiten und dritten Publikation signifikante Veränderungen im Faserbündel- und Sehnenverhalten sowie in der Gangkinematik zwischen dem Laufen bei 1g und dem Laufen auf dem VTF bei simulierten 0,7g (Publikation 2), sowie bei simulierten 0,38g und 0,16g (Publikation 3). Je geringer die Schwerkraft ist, desto größer wird die Modulation der muskulären Arbeitsweise im Vergleich zu 1g. Zum Beispiel nehmen mit abnehmender simulierter Schwerkraft die Länge der Sehne und der Muskel-Sehnen- Einheit sowie der Fiederungswinkel und die Muskel-Verkürzungsgeschwindigkeit ab, während die Faserbündellänge zunimmt.
Dies deutet darauf hin, dass das Laufen an Bord der ISS bei einer maximalen Belastung von ~0,7g keine exakte Replikation eines erdähnlichen kontraktilen Verhaltens darstellt. Ob diese funktionelle Anpassung an das Laufen mit Entlastung eine muskuläre Degeneration verursacht, muss weiter untersucht werden. Dennoch kann nicht ausgeschlossen werden, dass die beobachteten Veränderungen im kontraktilen Verhalten, wenn sie nicht anderweitig kompensiert werden, die Arbeitskapazität des Muskels beeinflussen, wenn er wieder der Schwerkraftbelastung ausgesetzt wird. Dies könnte nicht nur während der Rehabilitationsphase zurück auf der Erde relevant sein, sondern auch bei der Bewältigung missionsspezifischer Aufgaben nach der Landung auf dem Mond und auf dem Mars. Darüber hinaus deuten die Ergebnisse darauf hin, dass das Faserbündel- und Sehnenverhalten sehr empfindlich auch auf kleine absolute Veränderungen des Schwerkraftniveaus reagiert, was die 1:1-Übertragbarkeit von Prozeduren zwischen Mond und Mars in Frage stellt. Es kann schlussgefolgert werden, dass, um die Muskelmasse und -funktion des GM während Raumfahrtmissionen zu erhalten, Trainingsmaßnahmen wie das Laufen für die jeweiligen individuellen Gravitationsbedingungen jeder Mission optimiert werden sollten.
OriginalspracheEnglisch
ErscheinungsortKöln
VerlagDeutsche Sporthochschule Köln
Seitenumfang90
PublikationsstatusVeröffentlicht - 2021

Bibliographische Notiz

Kumulative Dissertation

ID: 6355102

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