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Heuschreckenstudie zeigt Bedeutung von passiven Muskelkräften für schnelle Bewegungen

Neues Grundlagenwissen zur Motorik verschieden großer Gliedmaßen gewonnen / Kölner Zoologen veröffentlichen in „Current Biology“

Lange, schwere Gliedmaßen wie Arme oder Beine unterscheiden sich von kurzen, leichten Gliedmaßen wie Fingern grundlegend in den Möglichkeiten, schnelle Bewegungen zu erzeugen. Während schnelle Bewegungen von großen Gliedmaßen aktiv durch das zentrale Nervensystem kontrolliert werden müssen, haben bei kleinen und leichten Gliedmaßen die passiven Muskelkräfte das Potential, die entscheidende Rolle für den Geschwindigkeitsverlauf einer Bewegung zu spielen. Zu dem Ergebnis kommt eine Studie der Zoologen Ansgar Büschges, Arndt von Twickel und Christoph Guschlbauer von der Universität zu Köln in Zusammenarbeit mit dem Gastwissenschaftler Scott Hooper von der Ohio University am Modelltier der Stabheuschrecke. Sie ist unter dem Titel „Swing Velocity Profiles of Small Limbs Can Arise from Transient Passive Torques of the Antagonist Muscle Alone“ in der Fachzeitschrift „Current Biology“ erschienen.

Grundsätzlich gibt es im Ablauf einer Bewegung verschiedene Geschwindigkeitsstufen je Teilschritt, bis die gesamte motorische Aktion optimal erzeugt wird, erklärt Professor Büschges: „Betrachten wir beispielsweise das Schwingen unserer Beine: Durch die Schwingphase wird das Bein beim Gehen wieder in die Ausgangsposition des nächsten Schrittes gebracht. Bei dieser Rückführung nimmt die Schwunggeschwindigkeit des Beins zum Ende hin ab, sodass der Fuß weniger schnell aufsetzt – ohne die Verlangsamung würde die beim Aufsetzen erzeugte Kraft dem Laufantrieb zu stark entgegenwirken.“ Diese Verlangsamung wird bei solch großen Gliedmaßen wie dem menschlichen Bein durch das Nervensystem erzeugt.

Bei kleineren Gliedmaßen, wie die Autoren anhand von Insektenbeinen zeigen konnten, kann die Verlangsamung des Beins in schnellen Bewegungen wie der Schwingphase jedoch unabhängig vom zentralen Nervensystem bewirkt werden. Von Twickel erklärt, dass dies an den intrinsischen Eigenschaften der Muskeln, die die Gliedmaßen bewegen, liege: „Wenn sich der Streckermuskel eines Beingelenks zur Erzeugung schneller Bewegungen aktiv verkürzt, verlängert sich der derweil inaktive Beugermuskel notwendigerweise. Der Beugermuskel entwickelt während dieser Streckung eine bisher unbekannte dynamische passive Kraft, die so groß ist, dass sie es schaffen kann, Bewegungen kontinuierlich in ihrem Verlauf auf das funktionell notwendige Niveau zu verlangsamen.“

In der Untersuchung setzten die Autoren den Beugermuskel des Heuschreckenbeins verschiedenen Streckszenarien aus und maßen die dynamischen Kräfte, die der passive Muskel den unterschiedlichen Dehnungen entgegensetzte. Anschließend wurden die neu gewonnenen Ergebnisse dazu verwendet, die Funktionsweise eines Beingelenks dynamisch zu simulieren. Hierbei zeigte sich, dass durch das Zusammenspiel aus simulierter Streckeraktivierung und daraus resultierenden passiven dynamischen Kräften des simulierten Beugers eine Bewegung erzeugt werden konnte, die in ihrem Geschwindigkeitsprofil schnellen Bewegungen beim echten Laufen eines Tieres entsprach.

Diese Ergebnisse ändern die gegenwärtigen Vorstellungen über die Erzeugung von schnellen Bewegungen kleiner Gliedmaßen erheblich, betont Büschges: „Es war seit Längerem bekannt, dass passive Muskelkräfte besonders bei Bewegungen kleiner Gliedmaßen eine Rolle spielen, jedoch wurde bislang nicht damit gerechnet, dass deren Wirkung so groß sein könnte, dass sie das Geschwindigkeitsprofil einer Bewegung bestimmen können. Dies bedeutet, dass der aktive Muskel und sein Gegenspieler perfekt aufeinander abgestimmt sein müssen. Wir sind gerade dabei, dieses Zusammenspiel besser zu verstehen.“

Inhaltlicher Kontakt:     
Professor Dr. Ansgar Büschges
+49 221 470-2607
ansgar.bueschges(at)uni-koeln.de

Presse und Kommunikation:
Frieda Berg
+49 221 470-1704
f.berg(at)uni-koeln.de

Veröffentlichung:
https://doi.org/10.1016/j.cub.2018.11.016