Körperhaltung und Motorik

Untersuchung motorischer Systeme

 
 
© H. Hinghofer-Szalkay

Elektroencephalogramm: ἤλεκτρον = Bernstein (erste Beobachtung von Elektrizität), ἐγκέφαλον = Gehirn, γραφή = Aufzeichnung
Elektromyogramm:
μυς, μυός = Muskel, γραφή = Schrift, Aufzeichnung
H-Reflex: Nach Paul Hoffmann
Spastik: σπασμός = Krampf
Libet-Versuch: Benjamin Libet
Plegie: πληγή  = Schlag (Lähmung)
Rigor: rigor = Starrheit
Spastik: σπασμός = Krampf
Wundt-sche Uhr: Wilhelm Wundt



Die Motorik wird auf verschiedenen Funktionsebenen überprüft; die Testung des Muskeltonus sowie einfacher Reflexe (z.B. Patellarsehnenreflex) gehören zum Grundrepertoire (Reflexhammer des Neurologen).

Muskeltätigkeit bringt Veränderungen im Stoffwechsel mit sich; bei Überschreitung der anaeroben Schwelle nimmt der Laktatspiegel im Blut zu (Laktatschwelle) und bewirkt nicht-respiratorische Azidose.

Die Messung der Ankunftszeit der Erregung am Muskel nach Reizung des motorischen Kortex überprüft die motorische Efferenz.

Ein Elektromyogramm ist die Ableitung motorischer Potentiale aus (invasiv) bzw. vom Muskel (Hautelektroden). Je stärker die Aktivierung, desto mehr motorische Einheiten senden - mit zunehmender Frequenz - ein- bis dreiphasige Entladunspotentiale. Bei hoher Aktivierungsstärke verschmelzen diese zu einem Interferenzmuster.

Untersuchungen der motorischen Planung und Kontrolle im Großhirn kann mit verschiedenen Methoden erfolgen (EEG mit Untersuchung prämotorischer Potentiale, verschiedene bildgebende Verfahren etc).


Stoffwechsel  Prämotorische Potentiale Transkranielle Magnetstimulation Elektromyographie


>Abbildung: Sensorisch-zerebrale Koordination der Motorik


Als Muskeltonus bezeichnet man den 'plastischen' Dehnungswiderstand willkürlich entspannter Muskulatur. Man prüft ihn durch passives Hin- und Herbewegen in den Gelenken (tonischer Dehnungsreflex) und beurteilt den unwillkürlichen Muskelwiderstand
 
  an der Nacken- und Halsmuskulatur durch Hochheben des Kopfes oder durch den 'Kopffalltest'

  an der Muskulatur der Arme durch Beugen und Strecken im Schulter- und Ellbogengelenk (evt. Händeschütteln)

  an der Muskulatur der Beine durch Beugen und Strecken im Hüft- und Kniegelenk.
Der Proband wird aufgefordert, völlig entspannt zu bleiben und die vom Untersucher durchgeführten Bewegungen weder 'mitzumachen' noch 'dagegenzuhalten'.

Das Erkennen / Vermeiden willkürlicher Mitbewegungen wird erleichtert durch

  Seitenvergleiche und

  Änderung der Bewegungsgeschwindigkeit.

  Stoffwechsel. Die Aktivität der Muskulatur steht mit so gut wie allen Teilsystemen des Organismus in Zusammenhang. Mit der Erhöhung der Muskeldurchblutung kommt es zu einer Steigerung des Herzminutenvolumens (bis ≈4-fach), der Ventilation (bis ≈20-fach) und des Sauerstoffverbrauchs (ebenfalls bis ≈20-fach - diese Zahlen gelten für Hochtrainierte). Immer kommt es zu einer Erhöhung der Laktatproduktion: Der aktivierte Muskel erhöht die Kapazität der oxidativen Energiegewinnung, ein Teil der Energie wird aber anoxidativ gewonnen, insbesondere zu Beginn der Belastung und wenn diese über die aerobe Kapazität hinausgeht.

In diesem Fall steigt der Laktatspiegel im Blut deutlich an (man spricht von einer anaeroben oder "Laktatschwelle"), was die pH-Regulation des Körpers im Sinne einer metabolischen Azidose belastet. (Man kann über den Blut-pH abschätzen, ob ein Sportler wirklich bis zur Belastungsgrenze gegangen ist - der arterielle pH kann dann bis auf ≈7,0 sinken). Zwar wird Laktat z.B. von Leber, Niere und Herzmuskel weiterverwertet, aber wenn das Angebot größer wird als die Nachfrage, nimmt der Laktatwert im Blut deutlich über den Ruhewert (≈1 mM/l) zu (bis ≈10 mM/l).
 

<Abbildung: Auslösung des "Patellarsehnenreflexes"
Nach einer Vorlage bei aibolita.com

Dehnung von Muskelspindeln im m. quadriceps femoris (durch Dehnung der Patellarsehne mittels Reflexhammer) führt zur Auslösung von Aktionspotentialen über afferente Ia-Fasern (blau). Nach ("monosynaptischer") Aktivierung motorischer Vorderhornzellen desselben Muskels kontrahiert sich dieser, während Antagonisten - durch Einschaltung inhibitorischer Zwischenneurone - gehemmt werden

  Die Prüfung von Reflexen ist ein wichtiges diagnostisches Werkzeug zur Testung der Rückenmarks- bzw. Hirnstammfunktion. Von Eigenreflexen spricht man, wenn der Reflex den Muskel aktiviert, von dem aus er ausgelöst wurde. Die Prüfung solcher Reflexe kann ausgelöst werden durch

      mechanische Dehnung: Masseter-, Brachioradialis-Reflex; irreführenderweise als "Sehnen"- oder T-Reflex - T nach tendon - bezeichnet, wenn durch Dehnung des Muskels über seine Sehne ausgelöst: Patellarsehnen- (<Abbildung), Achillessehnenreflex

      elektrische Reizung (H-Reflex ). Elektrische Reizung sensibler Fasern in einem Nerven, der den zu prüfenden Muskel versorgt, führt zur Auslösung des spinalen Spindelreflexes. In diesem Fall wird - im Gegensatz zum T-Reflex - die Muskelspindel umgangen.
 
Fremdreflexe haben ein komplexeres Verschaltungsmuster, Ausgangs- und Zielort sind verschieden (Beispiele: Lidschluss-, Bauchdecken-, Cremaster-, Analreflex; Babinskireflex). Auf der Ebene des Hirnstamms ausgelöste Reflexe (Pupillenlicht-, Corneal-, Orbicularis-oculi-, vestibulo-okulärer, Zungen-Kiefer-Reflex) sind überwiegend komplexe Fremdreflexe.
 
   Näheres zu Hirnstammreflexen s. dort.
 

>Abbildung: Bereitschaftspotential im EEG

Beim Libet-Experiment steigt das gemittelte Bereitschaftspotential an, bevor die Handlungsabsicht bewusst wird

Welche Teile im Gehirn werden als erste aktiviert, wenn es (im Anschluss daran) zu einer motorischen Aktion kommt? Gibt es einen freien Willen? Solche Fragen wurden u.a. durch Ableitung zerebraler Bereitschaftspotentiale untersucht.

Da diese Signale sehr schwach sind und im Spontan-EEG untergehen, werden sie durch Mittelung mehrerer (durch den Zeitpunkt der motorischen Aktivität synchronisierter) EEG-Strecken errechnet (ähnlich wie evozierte Potentiale, nur retrograd). Man bezeichnet dieses Mittelungsverfahren als Averaging; es werden zahlreiche Einzelregistrierungen addiert, bis sich die nicht mit dem Bereitschaftspotential ursächlich verknüpften Zufalls-Ausschläge im EEG gegenseitig herausmitteln.

Dabei zeigt sich, dass bereits etwa eine Sekunde vor Beginn einer Handlung Änderungen im elektrischen Feld einer entsprechenden Hirnregion auftreten.



<Abbildung: Wundt'sche Uhr


Geht dem Bereitschaftspotenzial eine willkürliche Entscheidung voran?

Der Libet-Versuch soll darauf eine Antwort geben: Der Proband sitzt vor einen Bildschirm, auf dem sich ein Lichtpunkt mit einer konstanten Geschwindigkeit von 360° in 2,5 sec im Kreis bewegt (sog. Wundt’sche Uhr, <Abbildung). Der Proband führt zu einem beliebigen Zeitpunkt eine Bewegung aus und gibt den Moment, in welchem er sich für die Bewegung entscheidet, durch Angabe des Winkels des Lichtpunktes an.

Es werden die Zeitpunkte des Beginns des Bereitschaftspotenzials (aus EEG gemittelt, Abbildung rechts), des Bewusstwerdens einer Bewegungsabsicht, und des Beginns der Bewegung verglichen. Der Libet-Versuch suggeriert, dass (unter diesen experimentellen Bedingungen) die Bewegung bewusst erst "gewollt" wird, wenn das Gehirn bereits unbewusst die Intention zu dieser motorischen Aktion "vorbereitet" hat.

Neuere Untersuchungen zeigen, dass unbewusst vorbereitete Bewegungsintentionen willentlich gestoppt werden können, d.h. das prämotorische Bereitschaftspotential nicht notwendigerweise einen  "point of no return" bedeuten muss.


 
Schon John Locke (17. Jh.) zweifelte das Konzept des freien Willens an. Das Bereitschaftspotential wurde 1964 von Lüder Deecke und Hans Kornhuber beschrieben. Dass das Bereitschaftspotential vor der Bewusstwerdung einer Handlungsintention erfolgt, wurde von Benjamin Libet 1983 gezeigt (s. oben). Die Fähigkeit des Gehirns, eine im Gange befindliche Handlung noch zu "beeinspruchen", wurde 2007 von Patrick Haggard nachgewiesen, und 2010 wurde klar, dass das Bereitschaftspotential unabhängig davon auftritt, welche Entscheidung letztendlich getroffen wird.


Ereigniskorrelierte Potentiale (EP) sind aus dem EEG-Muster gemittelte Potentialverläufe, die mit einem Ereignis (motorisch oder sensorisch) ursächlich zusammenhängen. Zur Mittelung ist die oftmalige Wiederholung des Versuchs und genaue Synchronisierung der EEG-Strecken nach Maßgabe des Zeitpunkts, an dem das Ereignis auftritt, notwendig. Handelt es sich um einen Potentialverlauf, der einem motorischen Ereignis (einer Muskeltätigkeit) zuvorkommt, spricht man von einem prämotorischen Potential (Abbildung oben: Libet-Versuch).

   
>Abbildung: Transkranielle magnetische Stimulation des motorischen Kortex
Nach einer Vorlage in Hierholzer / Schmidt, Pathophysiologie des Menschen, VHC Verlagsgesellschaft 1991

Die Qualität der absteigenden motorischen Leitung kann überprüft werden, indem die Latenzzeit (in Millisekunden) bis zur Ankunft der Aktionspotentiale am Muakel, sowie Form und Amlitude der elektromyographischen Reaktion ermittelt werden

  Absteigende Leitung über Hirnstamm und Rückenmark: Efferente motorische Leitungsbahnen lassen sich überprüfen, indem der motorische Kortex gereizt und sowohl zeitliche Verzögerung bis zur Ankunft der Potentiale an den Muskeln der Peripherie, als auch die Gestalt der motorischen Signale (>Abbildung) ermittelt werden.

Die Fasern einer motorischen Einheit werden von “ihrer” Vorderhornzelle jeweils synchron angeregt, und ihre gemeinsame Entladung führt zu ein-bis dreiphasigen Summen-Aktionspotentialen, die zur Untersuchung der Muskelfunktion mittels Oberflächenelektroden (von der Haut) oder eingestochenen, isolierten Drähten (aus dem Muskel) abgeleitet werden können; das Ergebnis nennt man Elektromyogramm:

  Aus einem Elektromyogramm (EMG) kann man z.B. in Sportphysiologie bzw. Bewegungswissenschaften die Aktivierung einzelner Muskeln bei Bewegungsabläufen ablesen. In der neurologischen Anwendung kann man aus dem EMG diagnostizieren, ob allenfalls eine (Schädigung von Muskelzellen) oder MyopathieNeuropathie (Schädigung von Nervenfasern) vorliegt.
 

<Abbildung: Nichtinvasiver elektromyographischer Versuchsaufbau
Kombiniert nach Vorlagen bei medchrome.com und Shin et al, Ann Rehab Med 
2014; 38:127-31

Oberflächenelektroden (s: surface) sind über Muskeln (hier; Bizeps und Trizeps) an der Haut befestigt. Alle Elektroden liegen an differenten Positionen, daher sind die Ableitungen bipolar. Eingeblendet ist eine Originalregistrierung; Aktivierung des Muskels führt zu elektrischen Entladungen motorischer Einheiten

Mit zunehmender Kontraktionsstärke nimmt die Zahl der aktivierten Vorderhornzellen und ihre Entladungsfrequenz zu; es werden immer mehr motorische Einheiten rekrutiert. Bei intensiver Kontraktion lassen sich die Potentialverläufe einzelner motorischer Einheiten nicht mehr differenzieren, sie überlagern sich zu einem Interferenzmuster.

Je kleiner (begrenzter) das Ableitungsgebiet, desto "schärfer" kommt das Entladungsverhalten einzelner motorischer Einheiten zum Vorschein. Das funktioniert am besten mit invasiven Ableitungen, d.h. direkt aus dem betreffenden Muskel. Dann ist es möglich, nur mehr wenige motorische Einheiten zu "belauschen", und die Form der spezifischen Entladungscharakteristik der Einheiten (Motor Unit Action Potential Trains) wird erkennbar. Dabei
werden feine Metallelektroden (isolierte Drähte mit freier Spitze) direkt in das Muskelgewebe vorgeschoben (Blutungen sollen vermieden werden). Die abgeleiteten Aktionspotentiale zeigen die Aktivität einer räumlich begrenzten Gruppe von Fasern, die zu einer oder nur wenigen motorischen Einheit(en) gehören.


>Abbildung: Interferenzmuster (rechts oben), Einzelkomplexe (rechts unten)
Nach
De Luca CJ, Adam A, Wotiz R, Gilmore LD, Nawab SH. Decomposition of Surface EMG Signals. J Neurophysiol 2006; 96: 1646-57

Form der Einzelkomplexe der motorischen Einheiten durch Dekompositionsverfahren (Sensor-Arrays, mathematische Algorithmen) errechnet

Wenn mehr als 3-4 motorische Einheiten gleichzeitig ableitungswirksam feuern, sind die Einzelkomplexe mit freiem Auge nicht mehr zu erkennen. Deren Form ist aber diagnostisch wichtig (myogene, neurogene Störung?). Aus der Überlagerung der Impulse (Interferenzmuster) ist es mit Hilfe diverser meßtechnischer / mathematischer Verfahren dennoch möglich, die individuellen Entladungskomplexe der motorischen Einheiten herauszurechnen, auch aus (nichtinvasiv gewonnenen) Oberflächen-EMG-Ableitungen (Dekomposition, >Abbildung).


<Abbildung: Drei motorische Vorderhornzellen versorgen ihre motorischen Einheiten (farbcodiert; schematisch)
Nach einer Vorlage bei Brooks / Cole - Thomson Learning

Die Aktivierungsschwelle motorischer Einheiten ist unterschiedlich, sie werden bei zunehmendem Kraftbedarf / wachsender Erregungsgröße im ZNS nacheinander "eingeschaltet"
Allgemeines zu elektrophysiologischen Ableitungen s. dort

Zu Prinzipien der Elektrophysiologie s. dort




Zu den wichtigsten motorischen Störungssymptomen gehören:

  Muskuläre Hypotonie: Untersuchte Extremität 'liegt schwer in der Hand'; Gelenke überstreckbar; z.B. bei Polyneuritis, Hinterstrangschäden, Chorea

  Schlaffe Lähmung (Plegie ): Tonus herabgesetzt als Zeichen einer Schädigung der Motoneuronen (zentral oder peripher bedingt)

  Spastische Lähmung: Tonus erhöht ('federnder' Widerstand, bei zunehmender Dehnung steigend, mit plötzlichem Nachlassen - 'Taschenmesserphänomen') als Zeichen einer zentralen Lähmung (Pyramidenbahnzeichen) mit gesteigerten Eigenreflexmustern

  Rigor : 'wächserner' Widerstand, in allen Gelenken Strecker wie Beuger betreffend, im Extremfall als 'Zahnradphänomen' (wiederholtes ruckartiges 'Einrasten') – insbesondere bei Mb. Parkinson

  Elektromyographische Befunde: Bei mäßiger Kontraktion eines Muskels finden sich im EMG einzelne Entladungsmuster der motorischen Einheiten, bei maximaler Kontraktion durch Überlagerung mehrerer Aktivitäten - die nun von zahlreichen Einheiten und hochfrequent auftreten - ein Interferenzmuster (s. oben).

  Bei einer myopathischen Störung, die durch Ausfall einzelner Muskelfasern innerhalb der motorischen Einheiten gekennzeichnet ist, zeigen sich kurze, kleine und polyphasische Einzelpotentiale (Entladungen der motorischen Einheiten) und ein niederamplitudiges, dichtes Interferenzmuster.

  Neuropathische Störungen hingegen sind bedingt durch Ausfall ganzer motorischen Vorderhornzellen und damit motorischen Einheiten. Die verbliebenen, funktionstüchtigen Einheiten hypertrophieren kompensatorisch; die Einzelpotentiale im EMG sind groß und verbreitert, das Interferenzmuster erscheint weniger überlagert (rarefiziert).


Eine Reise durch die Physiologie


 Die Informationen in dieser Website basieren auf verschiedenen Quellen: Lehrbüchern, Reviews, Originalarbeiten u.a. Sie sollen zur Auseinandersetzung mit physiologischen Fragen, Problemen und Erkenntnissen anregen. Soferne Referenzbereiche angegeben sind, dienen diese zur Orientierung; die Grenzen sind aus biologischen, messmethodischen und statistischen Gründen nicht absolut. Wissenschaft fragt, vermutet und interpretiert; sie ist offen, dynamisch und evolutiv. Sie strebt nach Erkenntnis, erhebt aber nicht den Anspruch, im Besitz der "Wahrheit" zu sein.