Wie sich Muskelkraft auf das Skelett überträgt

Bei der Übertragung von Muskelkraft auf das Skelett spielt das Bindegewebe eine wichtige Rolle: Sogenannte Aponeurosen umhüllen die Muskeln, unterteilen sie in ihrem Innern, und gehen in Sehnen über. Dehnt man den Muskel passiv, verhalten sich die Aponeurosen wie ein Gummiband, das länger und schmaler wird. Beim aktiven Zusammenziehen des Muskels werden die Aponeurosen jedoch länger und zugleich breiter. Somit werden sie auch steifer und wirken auf den Muskel zurück. Das hat Dr. Brent Raiteri vom Lehrstuhl Bewegungswissenschaft der Ruhr-Universität Bochum (RUB) gemeinsam mit Kollegen der University of Queensland mit Hilfe von Ultraschalluntersuchen herausgefunden.

Sie berichten im Journal PNAS in der Ausgabe vom 19. März 2018.

Elastisches Gewebe speichert Kraft

Eine grundlegende Aufgabe des elastischen Bindegewebes innerhalb und außerhalb der Muskulatur wie beispielsweise Sehnen und Aponeurosen ist es, Muskelkräfte auf das Skelett zu übertragen. Sie verhalten sich dabei ähnlich wie ein Gummiband, das sich dehnt, wenn eine Kraft auf es wirkt, wobei die Dehnung proportional zur wirkenden Kraft ist. Diese Elastizität erlaubt es, mit zunehmender Kraft mehr Energie zu speichern und diese zurückzugeben, sobald die Kraft reduziert wird oder aufhört zu wirken. Sowohl von Sehnen als auch Aponeurosen weiß man, dass sie die Muskulatur mir ihren elastischen Eigenschaften unterstützen effizient und kraftvoll arbeiten zu können.

„Allerdings gibt es Hinweise aus Tierexperimenten, die nahelegen, dass sich Aponeurosen aufgrund ihrer flächigen Struktur nicht wie einfache elastische Gummibänder verhalten“, erklärt Brent Raiteri. „Anstatt unter der Wirkung von Muskelkräften länger und gleichzeitig schmaler zu werden, können Aponeurosen während Muskelaktivität gleichzeitig länger und breiter werden.“

Schwierige Vorhersage

Kräfte, die in einer Richtung auf Aponeurosen wirken, verändern so deren Steifigkeit in einer Richtung 90 Grad zur Kraftwirkung. Dadurch ist es schwieriger vorherzusagen, wie Muskeln ihre Kraft auf das Skelett übertragen und unter welchen Umständen Muskeln möglicherweise Verletzungen erleiden.

Um zu untersuchen, wie die dreidimensionale Muskelstruktur die Dehnung und Spannung der Aponeurosen während aktiver Muskelkontraktionen mit unterschiedlicher Kraft und bei unterschiedlichen Muskellängen beeinflusst, verwendeten Raiteri und seine Kollegen 3D-Ultraschall. Sie bestimmten die Länge und die Breite der Aponeurose des vorderen Schienbeinmuskels.

Ergebnis: Wurde der Muskel passiv gedehnt, dann wurde die Aponeurose sowohl länger als auch schmaler wie ein einfaches Gummiband. „Während willentlicher Muskelaktivität hingegen wurde die Aponeurose in der Länge gedehnt, gleichzeitig aber auch breiter, vermutlich aufgrund des Drucks innerhalb des Muskels und der Muskelverformung“, so Brent Raiteri. Diese Dehnung in die Breite bewirkt wiederum, dass die Aponeurose in Längsrichtung steifer wird, wobei die Steifigkeit der Aponeurose bei langen Muskellängen höher war als bei kürzeren.

Kraftübertragung besser verstehen

Die Änderung der Steifigkeit der Aponeurose beeinflusst während Muskelaktivität ihrerseits die Längenänderung der Muskelfaserbündel, die die aktive Muskelkraft erzeugen und sich dabei verkürzen. „Das ist deshalb bedeutend, weil die Kapazität der Muskelfaserbündel Kraft zu erzeugen maßgeblich von ihrer Länge und ihrer Verkürzungsgeschwindigkeit abhängt“, so Prof. Dr. Daniel Hahn, Inhaber des Lehrstuhls für Bewegungswissenschaft der RUB.

„Dieses Wissen hilft uns, die Wirkung von Kräften im Muskel und die Übertragung dieser Kräfte auf den Bewegungsapparat und somit die Effizienz menschlicher Fortbewegung besser zu verstehen und möglicherweise zu erklären, ob und welche Rolle Aponeurosen bei der Entstehung von Muskelverletzungen spielen“, so Hahn.

Die Vorhersage von Muskelkräften ist außerdem für Simulationen menschlicher Bewegung wichtig. Solche Prognosen können etwa dabei helfen, motorische Beeinträchtigungen durch Erkrankungen wie beispielsweise Schlaganfall besser zu verstehen, orthopädische Eingriffe wie zum Beispiel Muskelverlängerungen zu planen oder auch bioinspirierte Prothesen zu entwickeln.

Förderung

Brent Raiteri wurde durch ein australisches Postgraduiertenstipendium gefördert.

Originalveröffentlichung

Brent James Raiteri, Andrew Graham Cresswell, Glen Anthony Lichtwark: Muscle-tendon length and force affect human tibialis anterior central aponeurosis stiffness in vivo, in: Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), 2018, DOI: 10.1073/pnas.1712697115, http://www.pnas.org/content/early/2018/03/13/1712697115