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Vorlesungen BiomechanikVL 1: Muskelphysiologie Übermittlung von Informationen durch Elektrische Impulse und Hormonelle Botenstoffe Motorische Einheit = spinales Motoneuron mit Zellkörper, efferente Nervenfaser(Axon), 10 – 2000 Muskelfasern Verbindung von Nervenzelle und Muskelfaser → motorische Endp...

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Vorlesungen Biomechanik VL 1: Muskelphysiologie - Übermittlung von Informationen durch Elektrische Impulse und Hormonelle Botenstoffe - Motorische Einheit = spinales Motoneuron mit Zellkörper, efferente Nervenfaser(Axon), 10 – 2000 Muskelfasern - Verbindung von Nervenzelle und Muskelfaser → motorische Endplatte (Synapse) Grundlagen zellulärer Erregbarkeit - intrazellulär: c(K+) hoch, großmolekulare Anionen - extrazellulär: c(Cl-) und c(Na+) hoch - Membran ist permeabel für Kalium-Ionen → Ruhepotenzial und Konzentrationsgefälle Erregungsentstehung und -leitung - Depolarisation an benachbartem Schnürring → Ladungsverschiebung - Öffnung spannungssensitiver Natrium-Ionenkanäle → Depolarisation - Ladungsverschiebung an benachbarten Schnürring + Repolarisation durch Ionenpumpe Kontraktionsvorgang des Sarkomers - Sarkomer = Abstand zwischen 2 Z-Streifen - Aktinfilamente und Titin am Ende der Z-Streifen - Myosin verbunden mit Titin - Myosin bestehend aus Kopf- und Halsteil - Aktin bestehend aus Doppelhelix globulärer Proteine - dazwischenliegend Doppelhelix aus Troponin und Tropomyosin

Frequenzierung - Entladungsrate des Motoneurons - Beeinflussung der Kontraktionskraft Rekrutierung - Erreichbarkeit möglichst vieler motorischer Einheiten - willkürlich viele Einheiten mit Einfluss auf die Kontraktionskraft Differenzierung motorischer Einheiten - Typ 1 → slow oxidative - Typ 2A → fast oxidative-glycolyitc - Typ 2B → fast glycolytic

VL 2: Sensorische Grundlagen Reize Sinnenmodalitäten - 5 Sinne (Sehen, Hören, Fühlen, Schmecken, Riechen) + Weitere( Schmerz, Gleichgewicht) - Submodalitäten/Qualitäten (z.B. Sehen → Farben, Helligkeit) - Quantität (z.B. Lautheit eines Tones) Klassifikation der Sinnesorgane - Exterozeptoren (Reize aus der Umwelt) - Propriozeptoren (Lage und Bewegung unseres Körpers) - Enterozeptoren (mechanische und chemische Informationen der Eingeweide) Adäquater Reiz → wenn Sinnesorgane auf bestimmte physikalische oder chemische Reize optimal reagieren Inadäquater Reiz → keine optimale Reaktion da Sensoren nur begrenzt Erregungen auslösen Physikochemische Reiztypen - mechanische Reize (Muskeln, Haut, Vestibulärapparat) - chemische Reize (Geschmack, Geruch) - Thermische Reize - Reize durch Photonen ( Auge: Stäbchen-, Zapfenzellen) Vestibuläres System - beidseitig im Innenohr - Funktion: Bewegungs- und Lageempfindungen + Beschleunigungswahrnehmung - Zusammenspiel mit Propriozeptoren Gleichgewichtsorgane - Macula utriculi + Macula sacculi → Translationsbeschleunigung - 3 Bogengänge → Winkelbeschleunigungen - Erregungsauslösung durch Bewegung der Stereozilien (Härchen) in gallertiger Masse

VL 3: Informationsverarbeitung und Aktionssysteme

Afferenzen - Hinterstrand → Propriozeption und taktiler Sensibilität - Vorderseitenstrang → Thermo- und Nozizeption

- Dorsaler Strom („Wo?“) → Parietallappen, räumliche Informationsverarbeitung - Ventraler Strom („Was?“) → Temporallappen, Objekterkennung & Formbestimmung - Primärmotorischer Kortex → Repräsentation von Bewegungen bzgl. Kraft, Geschwindigkeit, Richtung eingelenkiger Bewegungen

Die Pyramidenbahn - absteigende Nervenbahnen aus den motorischen Cortices - 90% der Nervenfasern kreuzen in der Medulla - Motoneuronen-Pool mit Einfluss aller motorischer Regionen Kleinhirn - Koordination der Feinabstimmung von Bewegungen - Soll/Ist-Vergleich durch Kopie von Afferenz und Efferenz → Wahrnehmung und Evaluation der Bewegungen, ggf. Fehlerkontrolle Basalganglien - Vorbereitung motorischer Programme - Selektion und Suppression von Handlungsmustern Hirnstamm - Medulla → Blutkreislauf & Atmung - Brücke → Schaltung von Klein- und Großhirn - Mittelhirn → Augenmuskulatur - wichtige Kerne für Bewegungskontrolle, Vestibulariskerne, Retikulärformation Zwischenhirn - Thalamus → Projektion von Input aus Basalganglien + Kleinhirn, „Zugang“ zum Großhirn - Hypothalamus → Steuerung des veg. Nervensystems, Steuerung von Hormondrüsen - Hypophyse → Hormondrüse des Zwischenhirns

VL 4: Modelle der Bewegungskoordination Koordination: Zusammenwirken von ZNS und Skelettmuskulatur innerhalb eines gezielten Bewegungsablaufs

Closed-Loop Merkmale:

- Feedback - Sollwert-Vergleich mit Feedback - Fehlermeldung bei Diskrepanz - Fehlerkorrektur Exekutivebene → Effektorebene

- Anwendung bei Bewegungen mit hoher Präzision und geringem Geschwindigkeitsbedarf - Fehlerkorrektur mit hohem Zeitaufwand, keine Anwendbarkeit bei schnellen Bewegungen

Open-Loop

→ zentrale Programmierung und periphere Feedbackvorgänge - unterschiedliche Korrektursysteme, Programmausführung und Programmauswahl Generalisierte Motorische Programme - GMP zuständig für Bewegungsklassen mit invarianten Merkmalen - variante Parameter zur Änderung der Zielstellung und Anpassung an Umwelt

invariante Merkmale: - Sequenzierung → Verhätnisse der zeitlichen Abfolge von Muskelimpulsen konstant - relatives Timing → Dauer der Einzelimpulse konstant - relative Kräfte → Verhätnisse der Intensitäten der Einzelimpulse konstant variante Merkmale: - absolute Dauer der Bewegung, proportionale Anpassung der Einzelimpulse - absolute Kräfte, proportionale Anpassung der Einzelkräfte der Bewegungen Motorisches Lernen: - unterschiedliche Lernbedingungen trainieren entweder Programmierung oder Parametrisierung verstärkt Kontralateraler Transfer: - Übertragung einer gelernten Bewegung auf die andere Seite zeigt Vorteile in de r Programmierung, aber nicht in der Parametrisierung (z.B. Schreiben mit links)

VL 5: Neuroplastizität und motorisches Lernen Neuroplastizität - Fähigkeit des ZNS Struktur und Organisation anzupassen - somit Grundlage für Lernen, Gedächtnis und Regeneration nach Schäden - z.B. bei Synapsen, Nervenzellen, Nervenzellverbänden, kortikalen Arealen Sensorisches Gedächtnis - große Kapazität, jedoch schneller Verfall - direkte Codierung Kurzzeitgedächtnis - geringe Kapazität und Verfallsresistenz - „Chunks“ → Info-Einheiten Langzeitgedächtnis - riesige Kapazität - Konsolidierung als „Engramme“ → Gedächtnisspuren - geringe Störanfälligkeit

Explizites Gedächtnis

Implizites Gedächtnis

- persönliche Ereignisse, zeitlicher Kontext, Erfahrungen, Fakten - Hippokampus mit zentraler Fkt. der Überführung ins LZG

- Verhaltensgedächtnis - klassische Konditionierung → Verbindung zweier Reize zu einer Information - „learning by doing“

Effizienz synaptischer Übertragung - Transmitterausschüttung, Rezeptordichte, Breite der syn. Region - Langzeit-Mechanismen: - Bildung neuer axonaler Endigungen mit Zunahme dendritischer Äste - Reorganisation und Neurogenese

→ „What fires together, wires together“: Zunahme der Effizienz von syn. Verbindungen bei wiederholter Erregung

VL 6: Systemdynamische Ansätze ausgelassen, bei Bedarf ergänzen!

VL7: Koordinative Fähigkeiten und sporttechnische Fertigkeiten Koordinative Fähigkeiten: - Leistungsvorrausetzungen für eine Klasse motorischer Anforderungen - „motor abilities“ Sporttechnische Fertigkeiten: - automatisierte Regulationsmuster mit stabiler Ausprägung von GMPs - Leistungsvorraussetzung für eine spezifische sportliche Technik - durch mehrere koordinative Fähigkeiten determiniert - „motor skills“

Testgütekriterien zur Erfassung motorischer Leistung - Objektivität: - Unabhängigkeit des Tests vom Untersuchenden und äußeren Einflüssen - Durchführung, Auswertung und Interpretation - Reliabilität: - Reproduzierbarkeit der Ergebnisse bei gleicher Ausgangslage - gleiche Leistung führt zu gleichem Ergebnis - Validität: - Vergleichbarkeit möglich - Gültigkeit der Ergebnisse durch passende zu messende Kriterien - weitere Nebengütekriterien: Vergleichbarkeit, Ökonomie, Nützlichkeit, Normierung Entwicklung des Gehirns - Neurogenese, Proliferation und Migration → Aufbau der Hirnrinde - Differenzierung durch Synaptogenese, Reorganisation und Apoptose (Zelltod) - Erhöhung der Nervenleitgeschwindigkeit durch Myelinisierung - synaptische Dichte mit 2 Jahren am Höhepunkt - postnatal: Neurogenese stark reduziert, aber synaptische Reorganisation verstärkt

Vorlesungen Biomechanik Teil 2 – Arampatzis VL 1: Grundlagen der Biomechanik Haupteben des menschlichen Körpers - Sagittalebene: links und rechts - Frontalebene: anterior und posterior - Transversalebene: oben und unten Kraft - Kräfte nicht beobachtbar oder messbar, lediglich deren Wirkungen → Beschleunigung oder Verformung Drehmoment - Kraft * Länge des Hebels - nötig zur Betrachtung von Kräften auf einen Ort, der nicht auf dessen Wirklinie liegt Arbeit - Energie, die längs eines Weges auf einen Körper übertragen wird - W = ∫(P1 → P2) F*dr Leistung - Energie pro Zeit - P = dW/dt = F * v Materialeigenschaften Steifigkeit - Steigung der Kraft-Deformations-Kurve im elastischen Bereich - K = dF/dL Elastizitätsmodul - Steigung der Spannungs-Dehnungs-Kurve im elastischen Bereich - d[Sigma] / d[Epsilon] Spannung - Kraft durch Querschnittfläche - [Sigma] = F/A Dehnung - Längenänderung durch Ausgangslänge - [Epsilon] = dL / L0 Festigkeit - Betrag der Spannung, bei welchem das Material reißt Hysterase - visokelastische Eigenschaft → Schleife im Spannungs-Dehnungs-Diagramm - bei wieder abnehmender Spannung, anderes Verhältnis von Spannung und Dehnung Creep-Effekt: - bei andauernder Spannung, Zunahme der Dehnung - mögliche Irreversibilität bei zu langer Spannung

VL 2: Mechanismen der Muskelkraftgenerierung Abhängigkeit der Muskelkraft: - Kraft-Längen-Potenzial - Kraft-Geschwindigkeits- Potenzial - Aktivierung Querschnitte der Muskulatur: Anatomischer - Querschnitt senkrecht zur Längsrichtung der Muskeln Physiologischer - Querschnitt senkrecht zur Faserrichtung Fiederungswinkel der Muskulatur - nicht parallel zur Ansatzsehne, sondern schräg → Übertragung eines Teils der Kraft auf die Sehne selbst - Änderung des aktuellen Winkels durch Änderung der Länge und der Aktivierung Verkürzung von kontrahierten Muskeln - bei parallelfaserigen Muskeln, Verkürzungsstrecke der Muskelfaser und Muskelbauchs gleich groß

- bei gefiederten Muskeln, Verkürzungsstrecke des Muskelbauchs grüßer als Faser → Weggewinn

- Muskeln mit höheren Fiederungswinkeln haben eine schlechtere Kraftübertragung auf die Sehne, das erzeugte Moment bleibt gleich - Muskeln mit höheren Fiederungswinkeln zeigen eine geringee Längenänderung der Muskelfasern → höheres Kraftpotenzial durch geringere Längenänderung - höherer Fiederungswinkel → schlechtere Kraftübertragung (Sehne) → Längenänderung (geringere Faserverkürzung) - Muskeln mit höheren Fiederungswinkeln zeigen ein besseres Verhältnis von Kraftgenerierung zu Aktivierung des Muskels (ökonomische Kraftgenerierung)

VL 3: Belastung und Beanspruchung des Bewegungsapparates beeinflussende Faktoren der mechanischen Belastung: - Magnitude (Größe der Kraft) - Kontaktfläche (Verteilung der Kraft) → Spannung beeinflussende Faktoren der Beanspruchung: - Dehnung (stärkere Dehnung der Sehne bei stärkerer Kontraktion des Muskels) - Dauer (wie lange wirkt die Spannung) - Frequenz (wie oft in einem Intervall die Spannung wirkt) - Rate - Lage - Richtung...