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Dissertation: Gianpiero De-Monte


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Dissertation: Gianpiero De-Monte

Dissertation / Doktorarbeit / Thesis

Deutsche Sporthochschule Köln
Institut für Biomechanik und Orthopädie
De-Monte, Gianpiero (2008): Force enhancement phenomena after shortening-stretch cycles in electro stimulated human calf muscles Zusammenfassung:
ZUSAMMENFASSUNG

Die muskuläre Kraft hängt nicht ausschließlich von der Anfangslänge und der Kontraktionsgeschwindigkeit des Muskels ab. Sondern sie wird zusätzlich von zeitabhängigen Phänomenen beeinflusst. Heutzutage sind die sogenannten „force depression“ (Kraftverminderung) und „force enhancement“ (Kraftsteigerung) Phänomene allgemein bekannte und akzeptierte Eigenschaften bezüglich der Muskelkontraktion. Die Mechanismen, diesem zeitabhängigen Phänomenen zugrunde liegen, sind jedoch noch nicht vollständig geklärt und stehen somit im Fokus der wissenschaftlichen Debatte. Nach unserem Wissen existieren heutzutage keine Studien in der Literatur, die zeitabhängige Phänomene der Kraftentwicklung, wie Kraftverringerung und Kraftsteigerung nach Verkürzungs-Dehnungs-Zyklen im menschlichen Muskel in vivo untersuchen.
Das Ziel der gegenwärtigen Dissertation wird in drei Themengebiete gegliedert: (1) Die Untersuchung des Vorhandenseins einer Momenterhöhung nach Verkürzungs-Dehnungs-Zyklen im menschlichen M. trizeps surae während maximaler und submaximaler Aktivierungslevel in vivo. (2) Die Fragestellung, ob die Verkürzungsgeschwindigkeit die Momentenerhöhung nach Verkürzungs-Dehnungszyklen in vivo gleichen Ausmaßes beeinflusst. Sowie (3) die Untersuchung, ob die Dehnungsgeschwindigkeit die Momentenerhöhung nach Verkürzungs-Dehnungszyklen gleichen Ausmaßes in vivo beeinflusst.
Vierzehn männliche Probanden führten einige Serien von elektrostimulierten Verkürzungs-Dehndungszyklen durch. Die Verkürzungs-Dehnungs-Zyklen wurden mit drei konstanten Winkelgeschwindigkeiten (25°/s, 50°/s, 100°/s), mit zwei Amplituden (15° und 25° Sprunggelenkswinkel Veränderung) und unter zwei verschiedenen Stimmulationsfrequenzen (15° und 25°) durchgeführt. Unter Verwendung von Ultraschall wurde der Fiederungswinkel und die Faszikellänge des M. gastrocnemius medialis bei Ruhe und während Kontraktion gemessen.
Diese Dissertationsarbeit zeigt erstmalig das Vorhandensein einer Kraftsteigerung nach Verkürzungs-Dehnungszyklen gleichen Ausmaßes im Menschen. Es wurde gezeigt, dass sich die isometrischen Plantarflexionsmomente 1,5s-2,0s nach Verkürzungs-Dehnungs-Zyklen im Verhältnis zum isometrischen Anfangsmoment um 2-3% erhöhen. Darüber hinaus weist die Analyse der Architektur des M. gastrocnemius medialis während der Verkürzungs-Dehnungs-Zyklen auf eine Unterschätzung (1-3%) der beobachteten Momentensteigerung hin. Hieraus kann geschlussfolgert werden, dass die reale Kraftsteigerung des menschlichen M. trizeps surae nach Verkürzungs-Dehnungs-Zyklen gleicher Größe wahrscheinlich annähernd 3-6% beträgt.
Unsere Ergebnisse zeigen, dass trotz einer Variation der Dehnungsgeschwindigkeit eine mittlere Kraftsteigerung von 2% nach Verkürzungs-Dehnungs-Zyklen bestehen bleibt. Dies führte zu der Schlussfolgerung, dass in vivo Kraftsteigerungen nach Verkürzungs-Dehnungszyklen im aufsteigenden Bereich der Kraft-Längen-Kurve der Wadenmuskulatur nicht durch Änderungen der Dehnungsgeschwindigkeit beeinflusst werden. Änderungen der angewandten Verkürzungsgeschwindigkeiten hatten keinerlei Effekt auf die Kraftsteigerung oder auf Unterschiede der Muskelarchitektur vor und nach Verkürzungs-Dehnungs-Zyklen. In allen Experimenten unterschieden sich die Sprunggelenkswinkel, die Faszikellängen und die Fiederungswinkel signifikant von den isometrischen Anfangsbedingungen. Eine Kraftsteigerung scheint somit stark durch Veränderungen der Muskelarchitektur beeinflusst zu sein. Dies führte uns zu der Annahme, dass die Berücksichtigung der Muskelarchitektur für die Untersuchung zeitabhängiger Phänomene in der Generierung der Muskelkraft nach Verkürzungs- oder Dehnungskontraktionen in vivo unentbehrlich ist.

ABSTRACT

Muscle force is not simply correlated with the instantaneous length and velocity of the muscle. Instead, muscle force is also influenced by history dependent phenomena. Today, force depression and force enhancement are well-recognized and well-accepted properties associated with muscle contraction; however, the mechanisms underlying these history-dependent phenomena and their functional significance are not well understood and are the focus of scientific debate. To the best of our knowledge, to date there have been no studies reported in the literature investigating history dependent phenomena of force production such as force depression or force enhancement after shortening-stretch cycles in human muscles in vivo.
The purpose of the present thesis can be summarised in three points: (1) examine the presence of a moment enhancement after shortening–stretch cycles in the human triceps surae muscles in vivo during maximal as well as submaximal activation levels and investigate the relevance of muscle architecture, (2) examine whether the shortening velocity can affect the moment enhancement after shortening-stretch cycles of equal magnitude in vivo, and (3) investigate whether the stretch velocity can affect the moment enhancement after shortening-stretch cycles of equal magnitude in vivo.
Fourteen male subjects performed a series of electro-stimulated shortening–stretch plantar flexion contractions. The shortening–stretch cycles were performed at three constant angular velocities (25°/s, 50°/s, 100°/s), two amplitudes (15° and 25° ankle angle changes) and at two different stimulation frequencies (15° and 25°). The resultant ankle joint moments were calculated through inverse dynamics. Pennation angle and fascicle length of the m. gastrocnemius medialis at rest and during contractions were measured using ultrasonography.
This thesis demonstrates for the first time the presence of force enhancement after shortening-stretch cycles of equal magnitude in humans. We found that 1.5 to 2.0s after shortening-stretch cycles the isometric plantar flexion moments were enhanced by 2-3% relative to the initial isometric moment. Moreover, the analysis of the gastrocnemius medialis muscle architecture during the shortening stretch cycle suggests an underestimation (1 to 3%) of the observed moment enhancement. We conclude that in humans the real force enhancement of the triceps surae muscle after shortening stretch cycles of equal magnitude might be ~3 to 6%. Our results show that despite varying the stretch velocity after a shortening-stretch cycle of equal magnitude a mean enhancement of 2% persists. This led us to conclude that force enhancement after shortening-stretch cycles in the ascending limb of the force length curve of the calf muscles in vivo is insensitive to stretch velocity changes. Different shortening velocities applied had no effect on the force enhancement or on the differences in muscle architecture before and after the shortening-stretch cycles. In all experiments, after a shortening-stretch cycle the ankle angles, fascicle lengths and pennation angles were significantly different from the initial isometric condition. Thus the force enhancement seems to be strongly influenced by changes in muscle architecture. This led us to deem it indispensable to consider the muscle architecture when studying history dependent phenomena of muscle force generation after shortening or stretching contractions in vivo.


28.04.2017 - 03:18