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1 Neuromuskuläre Physiologie 1. Stunde: Skelettmuskulatur 2. Stunde: Elektromechanische Koppelung 3. Stunde: Muskelkontraction – Muskelmechanik – Muskelenergetik 4. Stunde: Reflexe 5. Stunde: Hemmung Mechanismen Lehrbücher: Klinke/Pape/Kurtz/Sibernagl, Physiologie: Kapitel 4: Muskulatur (nur Skelettmuskulatur) Kapitel 23: Sensomotorische Systeme: Körperhaltung und Bewegung (nur Rückenmark: Struktur, Funktion, Symptome) Schmidt/Lang/Heckmann: Physiologie des Menschen: Kapitel 6: Kontraktionsmechanismen Kapitel 7: Motorische Systeme (nur Spinale Reflexe und Spinale postsynaptische Hemm- Mechanismen) Notiz: Das „=>“ ist als „führt zu“ zu verstehen im Text.

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Neuromuskulre Physiologie 1. Stunde: Skelettmuskulatur 2. Stunde: Elektromechanische Koppelung 3. Stunde: Muskelkontraction Muskelmechanik Muskelenergetik 4. Stunde: Reflexe 5. Stunde: Hemmung Mechanismen Lehrbcher: Klinke/Pape/Kurtz/Sibernagl, Physiologie: Kapitel 4: Muskulatur (nur Skelettmuskulatur) Kapitel 23: Sensomotorische Systeme: Krperhaltung und Bewegung (nur Rckenmark: Struktur, Funktion, Symptome) Schmidt/Lang/Heckmann: Physiologie des Menschen: Kapitel 6: Kontraktionsmechanismen Kapitel 7: Motorische Systeme (nur Spinale Reflexe und Spinale postsynaptische Hemm-Mechanismen) Notiz: Das => ist als fhrt zu zu verstehen im Text.

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1. Stunde: Skelettmuskulatur Muskulatur: quergestreifte (Skelettmuskulatur und Herzmuskulatur) und glatte. Die wichtigsten Eigenschaften der drei Arten von Muskelfasern sind hier zusammengefasst [die wichtigen Punkte werden alle in diesen Vorlesungen bearbeitet; die Tabelle dient zur bersicht, aber muss nicht auswendig gelernt sein]:

Skelettmuskulatur: In das Skelettsystem integriert. Funktion: Krperhaltung, willkrliche Bewegungen. Generelle Organisation der Skelettmuskulatur: vielkernige Muskelfasern, einige Zentimeter lang, 10-100 m dick. Aufgebaut aus einkernigen Myoblasten, die zu Myotuben fusionieren, die dann zu Muskelfasern differenzieren.

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Die Muskelfasern enthalten Myofibrillen (ca. 1 m Durchmesser), Zellkerne, Organellen, sowie Sarkoplasma und sind von der Plasmamembran (Sarkolemm) umschlossen. Sie sind quer-gestreift: Die Querstreifung bedeutet, dass dunkle und helle Banden zu sehen sind.

Die Proteine, welche die Banden darstellen, bestehen aus dicken (Myosin) und dnnen (Aktin) Filamenten. Aktin- und Myosinfilamente bilden den kontraktilen Apparat. Die Struktur ist im Bild auf der nchsten Seite gezeigt. In polarisiertem Licht formen die Bndel der Myosinfilamente (1,6 m lang) stark doppelbrechende (anisotrop) dunkle Banden, die A-Banden genannt werden (von anisotrop). Die Bndel der Aktinfilamente (1,1 m lang) sind weniger doppelbrechend (isotrop) und erkennbar als helle I-Banden (von Isotrop). Im Zentrum der A-Bande: heller Bereich = H-Zone. Diese ist von der M-Linie in der Mitte geteilt. Hier sind die Myosinfilamente ber Strukturproteine (Myomesin) verankert. Hier ist auch Kreatinkinase assoziiert (ein Enzym, welches fr die ATP Regeneration sehr wichtig ist). In der H-Zone fehlen die Aktin-filamente. I-Banden sind durch eine dunkle Linie, die Z-Scheibe, in der Mitte geteilt. Hier sind die Myosinfilamente durch Titinmolekle verankert. Die Aktinfilamente sind durch alpha-Aktinin an die Z-Scheibe gebunden. Im berlappungsbereich bilden Myosin- und Aktinfilamente ein hexagonales Gitter: 1 Myosin umgeben von 6 Aktinen. Der Abschnitt zwischen zwei Z-Banden = Sarkomer = morphologische Untereinheit des Skelettmuskels. Lnge= 2,2-2,4 m.

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So ensteht die Querstreifung einzelner Fasern. Die Querstreifung ganzer Muskeln => wie knnten sie aufgebaut sein? Myosinfilamente:

12 nm Durchmesser, bestehend aus ca. 300 Moleklen. 1 Molekl = 2 schwere Ketten von 220 kDa (alpha-helikaler Schwanzteil + globulrer Kopf), 4 leichte Ketten von 20 kDa.

Kopfteile: katalytische Domne (Aktin-Bindungsstelle, ATP Hydrolyse); Leichte-Ketten-Domne (an welche die leichten Ketten binden) = Hebelarm; Konverter-Teil (bindet katalytische Domne und Hebelarm).

bereinander gelagert, Myosinkpfe auen; Kpfe binden whrend der Kontraktion an Aktin.

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Myosinkopf Feinstruktur: Aktinfilamente:

10 nm Durchmesser, ca. 400 Molekle (globulr, G-Aktin, 42 kDa). Doppelstrngige Helix, 2,7 G-Aktin pro Windung = filamentres F-Aktin.

An Aktin binden Regulatorproteine, z.B. Tropomyosin. Es ist filaments und erstreckt sich ber 7 Aktin Molekle und bildet einen sogenannten Troponinkomplex.

Der Troponinkomplex wird gebildet durch: Troponin C (bindet Ca2+), Troponin T (bindet Tropomyosin), Troponin I (inhibitorisch).

Es gibt mehrere Anker-Proteine, die zusammen-arbeiten, um die Filamente an auen-Muskel Elemente, wie die Sehnen, zu binden: Dystrophin: verankert Aktinfilamente an Sarkoglykanen (Bestandteile des Sarkolemma) Merosin: verankert Sarkoglykane an Kollagenfibrillen der extrazellulren Matrix (die z.B. in die Sehnen integriert sind).

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So kann die Muskelkraft auf die Sehnen bertragen werden. Mutationen in den Anker-Moleklen fhren zu Dystrophien. Dystrophin-Mutationen rufen die Duchenne-Dystrophie hervor. Sarkoglykan-Mutationen verursachen die Gliedergrtel-Dystrophie. Merosin-Mutationen fhren zu kongenitaler Dystrophie. In den Vorlesungen ber die Motorik werden Dystrophien ausfhrlicher beschrieben. Kontraktion: Gleitfilamenttheorie: die Lnge der Filamente ndert sich nicht, aber die Aktin- und Myosinfilamente gleiten aneinander entlang. Am Anfang werden Aktinfilamente aus den Rumen zwischen den Myosinfilamenten herausausgezogen: H und I Bereiche werden dadurch breiter, A bleibt konstant. Wenn die Dehnung die Gleichtgewichtslnge berschreitet (z.B. ber ~2.4 m), werden auch die Titinmolekle elastisch gedehnt.

Die Kontraktion nutzt einen sogenannten Querbrckenzyklus: eine zyklische Wechselwirkung zwischen Myosinkopf und Aktinfilament. Schritte:

1) ATP bindet an die katalytische Domne von Myosin. Der Myosinkopf lst sich vom Aktin.

2) ATP-Spaltung zu ADP+Phosphat => umklappen des Konverters (+ Hebelarms); katalytische Domne wird in Richtung Z-Linie verschoben.

3) Myosinkopf bindet an Aktin mit niedriger Affinitt. 4) Strukturumlagerung im Myosinkopf => Hochaffine Bindung an Aktin. 5) Konverter (+ Hebelarm) wird umorientiert => Aktin und Myosin werden 6-8

nm verschoben. Phosphat dissoziiert ab = Kraftschlag (erster Teil). 6) Weiteres Umklappen von Konverter und Hebelarm => Aktin und Myosin

werden 2-4 nm verschoben = Kraftschlag (zweiter Teil). ADP dissoziiert ab. 1. Kraftschlag => ca. 1% Reduzierung der Sarkomerlnge.

Der Myosinkopf ist jetzt Nukleotid-frei und hochaffin an Aktin gebunden. Nach ca. 1 ms wird ein neues ATP-Molekl gebunden und der Zyklus kann erneut beginnen.

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Dieser Zyklus kann ca. 5-50 Mal pro Sekunde stattfinden => z.B. 20% Verkrzung der Sarkomerlnge. Die Totenstarre kommt von einem Mangel an ATP (ATP wird nicht mehr neu gebildet). Was passiert dann? Ein Rigorkomplex von Aktin und Myosinkopf. Hier sind zwei Schemen fr den Querbrckenzyklus zu sehen, die diese Details im Bild-Modus erklren:

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Ca2+-Regulierung der Kontraktion: Die Aktivitt ist ber die Ca2+-Konzentration im Sarkolemma reguliert. Bei niedrigen Konzentrationen (~100 nM = 10-7 mol/L) verhindern Troponin +

Tropomyosin den Schlag, indem sie die hochaffine Bindung von Myosin und Aktin verhindern.

Hhere Konzentrationen (10-100-mal hher): Troponin C bindet Ca2+, Troponin I wird umgelagert, Troponin T Konformation wird gendert, Tropomyosin wird weggedrckt und Myosinbindungstellen werden freigesetzt.

Wenn die Ca2+-Konzentration sinkt => umgekehrter Mechanismus, Muskel erschlafft.

Hier sind die Muskelproteine zusammengefasst:

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2. Stunde: Elektromechanische Koppelung Skelettmuskelfasern werden durch die neuromuskulre Endplatte erregt (Neuromuscular Junction, NMJ). Anders formuliert, Muskeln werden efferent von Motoneuronen innerviert. Ein Motoneuron innerviert mehrere Muskelfasern = motorische Einheit. In den Synapsen-Vorlesungen haben wir gelernt, dass nach einem AP in den Motoneuronen ein AP in den Muskelzellen generiert wird. Dieses AP breitet sich in der Muskelzelle mit 3-5 m/s aus. Die bertragung des AP zur Muskelzelle (eigentlich Muskelzellmembran) zur Einleitung des Querbrckenzyklus = elektromechanische Koppelung. Findet statt wie folgt:

Rhrenfrmige Einstlpungen des Sarkolemms bringen AP ins Innere der Fasern = Transversale Tubuli (T-Tubuli) => an Grenzen zwischen A- und I- Banden.

Ein Membransystem tief im Sarkoplasma = sarkoplasmatisches Retikulum = Ca2+-Speicher. Besteht aus longitudinalen Rhren und erweiterten Endbezirken (terminale Zisternen).

Enge Kontakte mit T-Tubuli, an beiden lateralen Seiten jedes Sarkomers => Triaden-Strukturen.

Hier liegen in der T-Tubuli-Membran spannungsgesteuerte Ca2+-Kanle, Dihydropyridin-Rezeptoren (DHPR). Diese Kanle lassen kein Ca2+ durch, denn sie ffnen sich nicht und funktionieren hier nur als Spannungssensoren.

DHPRs stehen in engem Kontakt mit Ca2+-Kanlen der Membran der terminalen Zisternen = Ryanodin-Rezeptoren, RyR (binden Ryanodin, ein Pflanzenalkaloid).

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Das AP in der Muskelmembran fhrt zu einer Umlagerung von DHPR und dadurch zu einer ffnung von RyR. Das Resultat ist, dass Ca2+ aus dem sarkoplasmatischen Retikulum in die Zelle einstrmt.

Die Troponin, Tropomyosin-Aktivitt (siehe oben, Vorlesung 1) folgt. Mit einer Latenz von 10-15 ms kommt es zur Kontraktion.

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Anschlieend erschlafft der Muskel (Relaxation): Ca2+-ATPasen im sarkoplasmatischen Retikulum pumpen Ca2+ in die longitudinalen Rhren (Konzentration dort ca. 1 mM). Die Dissoziation von Ca2+ vom Troponin C blockiert die Bindung von Myosin an Aktin (in der ersten Vorlesung besprochen).

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Im Herzmuskel sind die Mechanismen hnlich, aber nicht identisch. Im Skelettmuskel sind die DHRP und RyR Rezeptoren direkt gekoppelt (Bild unten, Teil B), wie gerade erklrt. Im Herzmuskel ist das nicht so (Bild unten, Teil D): Die DHPR funktionieren hier als richtige Kanle und lassen Ca2+ durch. Dieser Ca2+ Einstrom aktiviert die RyR, was zu einer Freisetzung von Ca2+ aus dem sarkoplasmatischen Retikulum fhrt. Dieser Mechanismus heit Kalzium-Induzierte Kalzium-Freisetzung.

Pharmakologie von Muskelkontraktion:

Tubocurarin (oder Curare) ist ein Pflanzenalkaloid, welches die nAchR nicht-kompetitiv hemmt => Muskelrelaxation

Bungarotoxin: hemmt nAchR nicht-kompetitiv => Schlangengift. Botulinumtoxine: spalten SNAREs (Vesikelfusionsmolekle). Gebildet von Bakterien

(Clostridia) => Lebensmittelvergiftungen (kann tdlich sein). Therapeutisch => gegen berhhte Muskelspannung.

Koffein: aktiviert die RyR, eine Kontraktur kann folgen (siehe unten). Strungen:

Kontraktur: Aktivitt ohne APs, z.B. durch lokale Depolarisation Auto-Antikrper gegen AchR => Abbau von AchRen => Myasthenia gravis. Mutationen in Na+-Kanlen, die zu einer verzgerten Inaktivierung fhren = lang-

anhaltende Kontraktionen = Myotonie => verstrkter K+-Verlust = Hyperkalimie => strkere Depolarisation => Na+-Kanal-Inaktivierung => Paralyse (familire hyperalkalimische periodische Paralyse).

Mutationen im Ryanodin-Rezeptor: knnen bei Narkosen mit Halothan zu massiver Ca2+-Freisetzung fhren => Massive Kontraktion => Anstieg der Krpertemperatur.

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3. Stunde: Muskelkontraktion Muskelmechanik Muskelenergetik Fr eine einzelne motorische Einheit gilt die Alles-oder-Nichts Regel. Ein AP fhrt zu einer Muskelzuckung (Einzelzuckung). Die Amplitude einer Einzelzuckung einer motorischen Einheit ist konstant (es werden immer dieselben Fasern aktiviert). Zeitliche Abschnitte: Latenzzeit, Gipfelzeit, Erschlaffungszeit:

Fr einen ganzen Muskel gilt die Alles-oder-Nichts Regel nicht, weil unterschiedliche Mengen an Fasern aktiviert werden knnen:

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Nicht alle Muskelfasern sind identisch: Langsame Muskelfasern (Typ I), reich an Myoglobin (rote Muskeln), mit langsamen

Myosinisoformen und einem lngeren Kraftbeitrag pro verbrauchtem ATP Molekl. Schnelle Muskelfasern (Typ IIA, IIB): weniger Myoglobin (weie Muskeln),

schnelle Myosinisoformen, krzerer Kraftbeitrag pro ATP Molekl. IIA: geringe Ermdbarkeit IIB: starke Ermdbarkeit

IA sind meistens tonisch. IIA: phasisch und tonisch. IIB: meistens phasisch

Wenn der Abstand zwischen zwei Aktionpotenzialen kleiner als die Dauer einer Einzelzuckung ist (1 AP = wenige ms; Einzelzuckung = 50-500 ms): => berlagerung (Superposition) => groe mechanische Antwort. Wenn die Muskelfasern sich zwischen den APs noch etwas entspannen => unvollstndige tetanische Kontraktionen. Wenn der Abstand zwischen den APs kleiner als ~1/3 der Dauer einer Einzelzuckug wird (Verschmelzungsfrequenz): => vollstndige (glatte) tetanische Kontraktion (glatter Tetanus).

Die Kraft im Tetanus ist 3 bis 10-fach grer als bei Einzelzuckungen. Bei schnellen, willkrlichen Bewegungen feuern die Motoneuronen APs mit Frequenzen von 6-8 Hz => repetitive Kontraktionen => Kraft erhht (Tetanus). Durch Aktivierung zustzlicher motorischer Einheiten (Rekrutierung) kann die Kraft noch mehr erhht werden.

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Langfristig kann die Kraft durch Hypertrophie bzw. Atrophie moduliert werden. Hypertrophie: Die Dicke der Muskelfasern nimmt durch Training (erhhte Proteinsynthese) zu. Atrophie: erhhter Proteinabbau; findet statt bei Ruhigstellung, Denervierung, Alterung. Muskelmechanik: Definitionen:

Isolierte, nicht erregte Muskeln nehmen ihre Gleichgewichtslnge ein Die Gleichgewichtslnge ist etwas kleiner als die Muskellnge im Skelett

(Ruhelnge). Wird der Muskel ber die Gleichgewichtslnge gedehnt => passive Rckstellkrfte

(=> meistens durch Titinmolekle; wie?). Darstellung von passiven Krften vs. Muskellnge = Ruhe-Dehnungs-Kurve.

Isotonische Kontraktionen: Der Muskel verkrzt sich bei konstanter Kraftentwicklung oder konstanter Belastung. z.B. beim Anheben eines Gewichtes mit konstanter Geschwindigkeit.

Isometrische Kontraktionen: Die Kraft ndert sich ohne eine nderung der Muskellnge ohne eine nderung der Sarkomerlnge (=> elastische Verformung des Myosinkopfes, Dehnung der Aktin- und Myosinfilamente). Was wre hierfr ein Beispiel?

Auxotonische Kontraktionen: Lnge und Kraft ndern sich gleichzeitig (z.B. bei Gelenkbewegungen). Positiv auxotonische Kontraktionen = die Last steigt mit der Verkrzung an; negativ auxotonische Kontraktionen = Gegenteil.

Untersttzungskontraktionen: zwei Phasen: eine isometrische Phase und eine isotonische oder auxotonische Phase. z.B. das Hochheben eines Gegenstands: erste Phase isometrisch: bis die Kraft dem Gewicht des Gegenstandes entspricht. Zweite Phase isotonisch: das Anheben.

Anschlagkontraktionen: zwei Phasen: eine isotonische Phase und eine isometrische Phase. z.B. beim Kauen.

Kontraktionsformen, bei denen die Muskeln sich verkrzen = konzentrische Kontraktionen

Kontraktionsformen, bei denen die Muskeln sich verlngern (sich dehnen) = exzentrische Kontraktionen

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Die Sarkomerlnge hat einen groen Einfluss auf die isometrische Kraft. Maximale Kraft zwischen 2-2,2 m. ber 2,2 m => Kraft sinkt mit abnehmender berlappung zwischen Myosin und Aktin. Unter 2 m => Kraft sinkt mit der Doppelberlappung der Myosinfilamente mit Aktinfilamenten beider Sarkomerhlften und der Kollision der Myosinfilamente mit den Z-Scheiben.

Die Muskelarbeit = Last x Hubhhe / Kraft x Weg. Die Mechanische Leistung = Kraft x Verkrzungsgeschwindigkeit. Sowohl Muskelarbeit als auch Leistung sind bei mittlerer Belastung am grten.

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Bei isometrischen Kontraktionen ist die Kraft fr dieselbe Muskellnge immer grer:

Muskelkater = Muskelschmerzen 24-48 Stunden nach ungewohnten Muskelbelastungen, die zum Anschwellen der Muskelfasern fhren. Ursache = Mikrolsionen, besonders im Bereich der Z-Scheiben => Autolyse zerstrter Faserstrukturen. Die nchsten Abbildungen zeigen Lsionen nach steigernder Belastung (Elektronmiograph), sowie ein Fluoreszenzbild mit intakten Fasern, die eine zerstrte Faser umgeben (grn):

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Muskelenergetik: Der ATP Spiegel liegt normalerweise bei ~5 mM und bei normaler Muskelaktivitt findet kein Absinken statt. Die ATP Regeneration geschieht durch 3 Mechanismen:

1) Anaerob-alaktazid: Kreatinphosphat (KP) + ADP = Kreatin + ATP. Kein Sauerstoffverbrauch, kein Lactat. = Lohmann-Reaktion (geht in beide Richtungen!).

2) Anaerob-laktazid: Glycolyse (Abbau von Glucose, welche aus Glykogenabbau kommt). Glykogen zu Glucose bringt 3 Mol ATP pro Mol Glucose; Abbau von Glucose zu Lactat => 2 Mol ATP.

3) Aerob-alaktazid: oxidative Phosphorylierung in den Mitochondrien (in der Atmungskette). Energiequellen: Kohlenhydrate, Fettsuren.

Normalerweise findet whrend der Muskelkontraktionen die sogenannte Lohmann-Reaktion statt und der KP Spiegel sinkt (im Bild unten KP = CP). Nach der Kontraktion wird der KP Spiegel durch oxidative Prozesse regeneriert:

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Wirkungsgrad: Unter optimalen Bedingungen werden 40-50% der chemischen Energie in mechanische Arbeit umgewandelt. Die brigen 50-60% werden als Wrme freigesetzt. Die Regeneration von ATP in der Erholungsphase fhrt zu Wrmeverlust => zustzliche Verluste, die den Gesamtwirkungsgrad des Muskels um bis zu 30% senken. Muskelermdung: ist die Abnahme der Muskelkraft bei anhaltenden Bewegungen. Nur der Muskel ermdet, nicht die Synapse die cholinerge Prsynapse ermdet nie. Die Ermdung wird bemerkt und um die Muskeln zu schonen, wird die Willkrinnervation vom ZNS reduziert.

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4. Stunde: Reflexe Reflexe: stereotype Antworten auf spezifische Reize. Spinale Reflexe: Rckenmark. Rckenmark:

Geteilt in Substantia grisea (grau; Schmetterlingsform; zentral) und Substantia alba (wei, am Rand). Substantia grisea wird in zehn Schichten (I-X) unterteilt.

Hinterhorn: hier treten die sensorichen Afferenzen ein (Primrafferenzen). Vorderhorn: motorische Ausgnge.

Der Reflexweg:

1) Der Rezeptor: registriert die Reize (= Sensor). 2) Afferenzen: Signalleitung zum ZNS. 3) Verarbeitungssystem (z.B. ZNS) 4) Efferenzen: Signalleitung zum Effektor 5) Effektor: zur Ausfhrung der Reaktion

Wenn Rezeptor und Effektor in demselben Organ lokalisiert sind, spricht man von Eigenreflexen (z.B. Achillessehnenreflex). Solche Reflexe sind oft monosynaptisch die Afferenzen sind ber eine einzelne Synapse mit den Efferenzen verbunden. Nicht im selben Organ: Fremdreflexe (z.B. Pupillenlichtreflex) sie sind generell polysynaptisch. Sensoren der spinalen Motorik: Muskelspindeln:

sind Nervenfasern, die um spezialisierte Muskelfasern umwickelt sind. Die Nervenfasern werden durch eine Ausdehnung des Muskels aktiviert. Spezialisierte Muskelfasern dienen nur als physikalische Anbindung der Nervenfasern an den Muskel, sind aber keine Sensoren.

Die Muskelspindeln liegen parallel zur Muskulatur. Sie messen die Lnge und Lngennderung des Muskels. sie aktivieren monosynaptisch das Motoneuron des Eigenmuskels.

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Sie haben dnne, kurze Muskelfasern, welche von einer spindelfrmigen Kapsel umgeben sind (aus Bindengewebe; aus dem lateinischen Fusus = Spindel); einige Millimeter lang.

Diese Muskelfasern = intrafusale Fasern (alle anderen = extrafusale Muskelfasern). Kernkettenfasern: krzer, dnner; die Kerne sind hintereinander angeordnet. Kernsackfasern: mit Bereichen, in denen die Kerne dicht zusammen gebndelt sind.

Etwa 2-mal lnger und grer als die Kernkettenfasern. Beide Arten von Muskelfasern werden durch primr sensible Nervendigungen, den Ia-

Fasern (Ia-Afferenzen), innerviert. Ia = groer Durchmesser (~15 m), myelinisiert. Eine weitere afferente Innervation: Gruppe II (Durchmesser ~5-6 m, myelinisiert).

Diese sind als sekundr sensible Endigungen bekannt. Die Ia und II Nervenfasern sind die Sensoren (nicht die Muskelfasern). Efferente Innervation: Axone von Gamma-Motoneuronen (2-8 m); fr extrafusale

Muskelfasern, Innervation durch alpha-Motoaxone (12-21 m). Diese Axone formen Gamma-Endplatten auf Kernsackfasern und Gamma-Endnetze auf Kernkettenfasern.

Die Efferenzen modulieren die Empfindlichkeit der Muskelspindeln. Die Erregung durch Gamma-Efferenzen bestimmt den Dehnungszustand der intrafusalen Muskelfasern und so die Empfindlichkeit der Ia und II Nervenfasern.

Die Aktivierung von Gamma-Motoneuronen kann zu einer intrafusalen Kontraktion fhren, welche die Lnge und Spannung des Muskels nicht ndert, aber die Sensoren aktiviert.

Sehnenorgane:

Liegen in Serie zur Muskulatur. Registrieren die Spannung im Muskel. hemmen disynaptisch (ber einen Interneuron) die Motoneurone des

Eigenmuskels.

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Verzweigte, myelin-lose Nervenendigungen in den Sehnen. Umhllt durch eine Kapsel (~1 mm lang).

Wenn die Muskeln kontrahieren, quetschen die Sehnenstrnge die Nervenendigungen => Aktivierung. Die Nervenendigungen gehren zu den myelinisierten Nervenfasern, 10-20 m Durchmesser = Ib-Fasern.

Freie Nervenendigungen:

Meinstens schmerzempfindlich In Haut, Muskeln, Ligamenten, Gelenken, Periost. sind langsame Fasern, dnn myelinisiert oder unmyelinisiert. starten polysynaptische Reflexe

Zusammenfassung fr die Sensorfasern:

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Nutzung von Sensoren: nicht nur Reflexe (siehe Bild unten, A-D):

Wenn ein Muskel im Gleichgewicht ist, messen die Muskelspindeln (Ia Fasern) die Lnge und stimulieren die Eigen-Alpha-Motoneurone (Teil A in Bild).

Bei einer Dehnung, bzw. einer Verlngerung des Muskels, werden die Muskelspindeln noch aktiver. Die Sehnenorgane (Ib) sind nur wenig aktiv. So knnen die Alpha-Motoneurone aktiviert werden, um den Muskel zu stimulieren und dadurch wieder zu verkrzen (zu kontrahieren) (Teil B in Bild).

Bei einer Kontraktion, verkrzt sich der Muskel. Die Muskelspindeln sind jetzt inaktiv. Die Kraft, die auf die Sehnen wirkt, aktiviert wiederum die Sehnenorgane. Diese dienen dazu, dass der Muskel inhibiert wird, um sich nicht zu stark zu kontrahieren (Teil C im Bild).

Aber, was passiert wenn wir etwas Schweres heben wollen? Wir kontrahieren die Muskeln ein wenig und die Ia Fasern sind stumm. Aber wir wollen weiter heben und strker kontrahieren und deswegen helfen die Ia Fasern, welche die Motoneurone stimulieren. Um die Ia Fasern an die verkrzten Muskeln anzupassen, werden die Gamma-Motoneurone aktiviert. Diese stimulieren dann die intrafusale Muskulatur, sodass sich die Enden der intrafusalen Muskelfasern verkrzen. Die Mitte der intrafusalen Muskelfasern, die von den Ia Fasern umgeben sind, werden dadurch verlngert und die Ia Fasern werden erneut aktiv. So knnen die Ia Fasern whrend einer Kontraktion in einem verkrzten Muskel aktiv sein, um die Kontraktion zu untersttzen (Teil D in Bild).

Das bedeutet, dass fr maximale Kontraktionskraft beide Alpha- und Gamma-Motoneurone aktiviert werden mssen. Man spricht von einer Alpha- und Gamma- Koaktivierung.

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Monosynaptische Eigenreflexe: Sind Eigenreflexe, die zur Kperstabilisierung dienen; sind einfachste, spinale

Reflexe. Phasischer Dehnungsreflex: Afferenzen der Ia-Fasern (von der Spindel) etablieren

synaptische Kontakte mit alpha-Motoneuronen => monosynaptisch. Wenn die Spindelafferenzen synchron gereizt werden, elektrisch oder durch eine aufgezwungene Muskeldehnung, wie bei einem Schlag mit dem Reflexhammer, fhrt der Reflex zu einer Verkrzung des Muskels.

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Modulation und Quantifizierung von Dehnungsreflexen: Latenz ist konstant (warum?), Intensitt ist modulierbar Intensitt ist abhngig von: 1) Reizstrke, die die Zahl der aktivierten Muskelspindeln

bestimmt; 2) Aktivitt von Gamma-Motoneuronen; 3) Hemmung der Alpha-oder Gamma- Motoneurone; 4) Vordehnung der Muskels; 5) Strke der Vorinnervation

Klinisch-relevante Messungen:

Die Schwelle fr die Auslsung sollte konstant sein und im Normalbereich liegen. Reflexe werden durch den Reflexhammer ausgelst.

Um den Einfluss der Vorinnervation zu messen, misst man die Verstrkung der Reflexantworten nach einem kraftvollen Verhaken und Auseinanderziehen der Hnde (Jendrassik-Handgriff), oder auf-die-Zhne-Beien => die Erregbarkeit der motorischen Einheiten rckt nher zum Schwellenwert.

Es ist schwierig, Reflexe mit einem Reflexhammer zu standardisieren => fr neurophysiologische Zwecke ist es einfacher einen elektrischen Reiz zu nutzen. Die Reflexe werden nach dem Physiologen Paul Hoffman H-Reflexe genannt. Bei niedrigen Reizen werden die Ia-Afferenzen selektiv erregt, whrend die Alpha-Efferenzen stumm sind. Es folgt ein Muskelspindel-bedingter Reflex. Die H-Reflexe sind im EMG als zwei Wellen zu sehen: eine H-Welle (Reflex-bedingt, Latenzzeit 30-40 ms) und eine M-Welle (Latenzzeit 5-10 ms)

Die H-Welle folgt der synaptischen Erregung der Alpha-Motoneurone durch Ia-Afferenzen. Die M-Welle ist die direkte Aktivierung von Alpha-Axonen. Warum ist die Latenz unterschiedlich?

Wenn die Nerven mit niedriger Intensitt erregt sind, werden nur die Ia-Afferenzen stimuliert, weil diese empfindlicher sind. Dann es ist fast nur die H-Welle zu sehen. Wenn die Reizintensitt steigt, werden auch Alpha-Motoneuron Fasern aktiviert und eine M-Welle ist messbar. Mit noch hherer elektrischer Stimulierung werden fast alle Alpha-Motoneuron Fasern aktiviert, was bedeutet, dass die M-Welle sehr gro ist. Die M-Welle wird sowohl in Richtung Muskel, als auch in Richtung Motoneuron geleitet und macht die Motoneurone refraktr. Diese knnen dann nicht mehr auf die Reflex-Synapse antworten, was zu einer Abflachung der H-Welle fhrt.

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Fremdreflexe:

zwischen Afferenzen und Efferenzen sind Interneurone geschaltet. Diese dienen zum Krperschutz (Lidschlussreflexe, Fluchtreflexe, etc). Latenzzeit, Dauer, Amplitude sind alle variabel (warum?) Flexorreflex: schmerzhafte Reizung fhrt zu einem Wegziehen der betroffenen

Extremitt durch Gelenkbeugung (Flexion), z.B. Fussohlenreflex. Afferenzen: Freie Nervenendigungen, wie oben beschrieben. Keine homogene

Fasergruppe: kutane Nozizeptoren, hochschwellige Afferenzen der Tiefensensibilitt, sekundre Muskelspindelafferenzen (II).

Die ipsilateralen Extensoren werden gleichzeitig gehemmt.

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Das anatomisch-arrangierte Schema (unten):

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Ein anderer Fremdreflex, der normalerweise gehemmt ist: der Babinski-Reflex (links).

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5. Stunde: Hemmung; Mechanismen Reziproke antagonistische Hemmung:

Ia-Afferenzen (von Muskelspindeln) bilden hemmende Verbindungen zu antagonistischen Alpha-Motoneuronen

Bedeutung: die Aktivierung des Agonisten fhrt in wenigen Zehnteln von Millisekunden zu einer Hemmung der ipsilateralen Antagonisten

Hemmung in Antagonisten => die Spindeln in diesen Muskeln werden entdehnt, sodass sie die Antagonisten nicht mehr erregen und die Agonisten nicht mehr hemmen.

Das Wegfallen der Hemmung (z.B. hier in den Agonisten) = Disinhibition. Wofr knnte die antagonistische Hemmung gut sein? Lngenkontrollsystem.

Autogene Hemmung:

Golgi-Sehnenorgane hemmen die homonymen Alpha-Motoneurone (ber Interneurone) und aktivieren gleichzeitig die Alpha-Motoneurone der Antagonisten.

Aktive Kontraktion => lsen APs ber Ib-Afferenzen aus. Synapsenbildung mit Alpha-Motoneuronen von Antagonisten und mit inhibitorischen Ib-Interneuronen.

Die Interneurone bilden Synapsen mit Alpha-Motoneuronen des Agonisten => Hemmung der agonistischen Aktivitt.

Die autogene Hemmung hlt die Muskelspannung konstant. Die Interneurone stehen unter Kontrolle der supraspinalen motorischen Zentren. Interneurone werden durch absteigende Bahnen moduliert: Bahnung (Fazilitation) und

Hemmung (Disfazilitation) Im Interneuronverband => multimodale Integration der verschiedenen Afferenzen

(welche?)

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Rekurrente (rcklaufende) Hemmung (Renshaw-Hemmung):

Rckwrtshemmung (antagonistische, autogene = Vorwrtshemmungsarten) Rekurrente Axonkollateralen der Alpha-Motoneurone aktivieren hemmende

Interneurone (Renshaw-Zellen), die dann auf die Motoneurone zurckprojizieren Funktion: bertriebene Antworten von Muskeln zu verhindern

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Prsynaptische Hemmung: Die Motorik wird vom ZNS gezielt beeinflusst. Absteigende Bahnen innervieren die prsynaptischen Endigungen der Ia-Fasern. GABA wird freigesetzt und fhrt zu einer primr afferenten Depolarisation Wie knnte hier eine Depolarisation entstehen? Warum ist das ungewhnlich? Die synaptischen Eingnge von Ia-Fasern sind inhibiert Worin liegen die Unterschiede zur autogenen Hemmung? Status von Alpha-Motoneuronen?

Natrlich sind alle diese Hemmungs-Mechanismen und Bahnen gleichzeitig aktiv:

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Innervationsstille (silent period):

Es ist keine klassische Art von Hemmung Nach Ablauf eines monosynaptischen Reflexes (z.B. T-Reflex) ist die Erregbarkeit der

Motoneurone fr ~100 ms vermindert. Verschiedene Faktoren: Kontraktion fhrt zu einer Entlastung der Muskelspindeln => Erregung durch Ia-

Fasern wird vermindert Aktivierung von Golgi-Sehnenorganen => Hemmung (welche Art?) Aktivierung von Alpha-Motoneuronen fhrt zu einer bestimmten Art von Hemmung

In den Motoneuronen kommt es zu einer Hyperpolarisationsphase. Warum?