Stossantwort von aktivierter Muskulatur: Experiment und Modellierung
Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Muskeln sind für die biologische Fortbewegung unerlässlich. Der ausgeklügelte Aufbau der Muskeln ermöglicht es ihnen, während der Kontraktion Stöße zu ertragen. So werden beim Bodenkontakt eines Beines (touch-down: TD) am Skelettsystem Stoßwellen ausgelöst, die sich über die Verbindungen (z. B. Muskelansätze und Ursprünge) am Skelett auf die Muskeln übertragen. Als Reaktion darauf überlagern gedämpfte Schwingungen (Schwabbelmassendynamik) die antreibende Muskelkontraktion. Die Kontraktionsdynamik des Muskels in hochdynamischen Situationen ist weitestgehend unbekannt, so dass grundlegende Fragen zu den Designkriterien noch offen sind. Dies gilt insbesondere für die Struktur und Anordnung von krafterzeugenden Querbrücken (CB) und primär elastischen Strukturen, die beide über eine eingebaute Nachgiebigkeit und Dämpfungseigenschaften verfügen. Aus dem Gesamtprojekt sind vier Kernpublikationen (plus ein weiteres, eingereichtes Manuskript) hervorgegangen. Auf Grundlage dieser Ergebnisse konnten weitere 7 Studien zu Fragestellungen, welche sich bei der Projektbearbeitung ergeben haben, veröffentlicht werden. Im Rahmen des Projekts wurde ein weltweit einzigartiger Versuchsaufbau entwickelt, der die Untersuchung der Schwabbelmassendynamik isolierter Muskeln unter definierten Stoßbedingungen ermöglicht. Durch die experimentelle Untersuchung von Stoßprozessen in enger Verzahnung mit der Modellentwicklung konnten wir detaillierte Einblicke in die Kontraktionsdynamik und Weichteildynamik erhalten. So konnten wir die Reaktion der Muskelfasern auf Dehnungen sowie die Energiedissipation und das Frequenzspektrum des Muskel-Sehnen-Komplexes als Reaktion auf ein Aufprallszenario analysieren. Diese experimentellen Ergebnisse halfen uns bei der Entwicklung eines reduktionistischen analytischen Modells, welches die wichtigsten (Eigen-)Frequenzcharakteristika der Schwabbelmassendynamik erklärt. Darüber hinaus konnte ein komplexes, direktdynamisches Simulationsmodell entwickelt werden, das die Kinematik der Schwabbelmassen reproduziert. Die gewonnenen Erkenntnisse flossen zudem in die Entwicklung eines Hill-Muskelmodells mit integrierter Phosphatkinetik sowie eines geometrisch-mechanistischen Modells ein, welches die Verschiebung von Kraft-Längen-Maxima bei Muskelaktivierung erklärt. Die Ergebnisse haben eine hohe Relevanz für ein grundlegendes strukturelles Verständnis der Kontraktionsdynamik sowie für biomechanische Anwendungen, z. B. die Weiterentwicklung biomimetischer Roboteraktuatoren sowie die Entwicklung von Prothesen. Weiterhin haben die Ergebnisse Einfluss auf die Entwicklung von Maßnahmen zur Verletzungsprävention und Rehabilitation sowie ein verbessertes Verständnis der Beziehung zwischen mechanischen Belastungen und muskelphysiologischen Anpassungen (z. B. im Hinblick auf den Einfluss von Schwerelosigkeit).
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Contraction dynamics and function of the muscle-tendon complex depend on the muscle fibre-tendon length ratio: a simulation study. Biomechanics and Modeling in Mechanobiology, 15(1), 245-258.
Mörl, Falk; Siebert, Tobias & Häufle, Daniel
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Strain in shock-loaded skeletal muscle and the time scale of muscular wobbling mass dynamics. Scientific Reports, 7(1).
Christensen, Kasper B.; Günther, Michael; Schmitt, Syn & Siebert, Tobias
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Inter-filament spacing mediates calcium binding to troponin: A simple geometric-mechanistic model explains the shift of force-length maxima with muscle activation. Journal of Theoretical Biology, 454, 240-252.
Rockenfeller, Robert & Günther, Michael
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The basic mechanical structure of the skeletal muscle machinery: One model for linking microscopic and macroscopic scales. Journal of Theoretical Biology, 456, 137-167.
Günther, Michael; Haeufle, Daniel F.B. & Schmitt, Syn
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Exhaustion of Skeletal Muscle Fibers Within Seconds: Incorporating Phosphate Kinetics Into a Hill-Type Model. Frontiers in Physiology, 11.
Rockenfeller, Robert; Günther, Michael; Stutzig, Norman; Haeufle, Daniel F. B.; Siebert, Tobias; Schmitt, Syn; Leichsenring, Kay; Böl, Markus & Götz, Thomas
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A geometry- and muscle-based control architecture for synthesising biological movement. Biological Cybernetics, 115(1), 7-37.
Walter, Johannes R.; Günther, Michael; Haeufle, Daniel F. B. & Schmitt, Syn
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Cross-bridge mechanics estimated from skeletal muscles’ work-loop responses to impacts in legged locomotion. Scientific Reports, 11(1).
Christensen, Kasper B.; Günther, Michael; Schmitt, Syn & Siebert, Tobias
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Rules of nature’s Formula Run: Muscle mechanics during late stance is the key to explaining maximum running speed. Journal of Theoretical Biology, 523, 110714.
Günther, Michael; Rockenfeller, Robert; Weihmann, Tom; Haeufle, Daniel F.B.; Götz, Thomas & Schmitt, Syn
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Muscle active force-length curve explained by an electrophysical model of interfilament spacing. Biophysical Journal, 121(10), 1823-1855.
Rockenfeller, Robert; Günther, Michael & Hooper, Scott L.
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Muscle wobbling mass dynamics: eigenfrequency dependencies on activity, impact strength, and ground material. Scientific Reports, 13(1).
Christensen, Kasper B.; Günther, Michael; Schmitt, Syn & Siebert, Tobias
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Compliance at the heart of the muscle
M. Gunther, K. B. Christensen, D. F. B. Haeufle, S. Schmitt & T. Siebert
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Rethinking the physiological cross-sectional area of skeletal muscle reveals the mechanical advantage of pennation. Royal Society Open Science, 11(9).
Rockenfeller, Robert; Günther, Michael; Clemente, Christofer J. & Dick, Taylor J. M.
