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The influence of sports expertise on the extent of physiological mirror-EMG-activity in the upper and lower extremity

Authors:

Abstract

During unimanual motor tasks, muscle activity may not be restricted to the contracting muscle, but occurs involuntarily in the contralateral resting limb. This phenomenon has been referred to as mirror electromyographic (MEMG) activity. To date, however, it is unknown if the occurrence of the physiological form of MEMG can also be observed in lower extremities (LE) during the performance of unilateral isometric leg contractions. Furthermore, it still remains elusive if and how MEMG is affected by long-term exercise training. Here, we provide novel evidence for physiological MEMG in LE during strong unilateral contractions in healthy young adults. Endurance athletes show a higher extent of MEMG in LE compared to non-athletes. While the underlying neurophysiological mechanisms of MEMG still remain elusive, our study indicates, at least indirectly, that sport-related long-term training might affect the amount of MEMG during strong isometric contractions specifically in trained limbs.
Einleitung Methoden
Der Einfluss sportlicher Expertise auf das Ausmaß der
Spiegel-EMG-Aktivität in der oberen und unteren Extremität
Maudrich, T.1,2*, Kenville, R.1,2, Ragert, P.1,2, Steele, C.J.1,3
1Abteilung Neurologie, Max-Planck-Institut für Kognitions- und Neurowissenschaften, Leipzig, Deutschland
2Sportwissenschaftliche Fakultät, Institut r Allgemeine Bewegungs- und Trainingswissenschaft, Universität Leipzig, Deutschland
3Douglas Mental Health University Institute, McGill University, Montreal, Canada
*maudrich@cbs.mpg.de
Unter dem Begriff der Spiegel-EMG-Aktivität, engl. "Mirror-
EMG-Activity" (MEMG) versteht man das Phänomen einer
bei unilateralen Muskelkontraktionen auftretenden unwill-
kürlichen Aktivität homologer Muskeln der inaktiven
kontralateralen Extremität (Sehm, Steele, et al., 2015).
Bisherige Erkenntnisse zu diesem physiologischen
Phänomen beschränken sich auf die Beschreibung der
unwillkürlichen Aktivität bei unilateralen Hand- und
Armkontraktionen. Bis zum jetzigen Zeitpunkt steht der
wissenschaftliche Nachweis der physiologischen MEMG
innerhalb der unteren Extremität in gesunden Personen
während
unilateraler
isometrischer
Beinkontraktionen
aus
.
Zur Beantwortung der aufgeworfenen Fragestellungen wurde ein quasirandomisiertes Blockdesign mit
zwei Untersuchungsgruppen (Ausdauergruppe: n = 11, 23.0 (6.0) Jahre; Kontrollgruppe: n = 11, 25.0 (7.0)
Jahre; Median (IQR)) gewählt. Die Gruppeneinteilung geschah anhand der wöchentlichen sportlichen
Aktivität, sowie der Anzahl der Trainingsjahre in der jeweiligen Sportart (Laufen, Radfahren, Triathlon).
Jeder Proband nahm an zwei Verhaltenstests zur Erfassung der oberen Extremität (OEX) bzw. der
unteren Extremität (UEX) in einem Abstand von ca. einer Woche teil. An beiden Tagen mussten die
Probanden eine unilaterale isometrische Kraftaufgabe der Hand- bzw. Fußmuskulatur mit jeweils drei
verschiedenen Kraftstufen (20%, 50%, 80% der zuvor ermittelten individuellen Maximum Voluntary
Contraction (MVC)) und einer Testdauer von ca. 30 Minuten an zwei handgefertigten Kraftsensoren
(siehe Abb. 1.) durchführen.
Während beider Testtage wurde die neuromuskuläre Aktivität eines distalen und proximalen Muskels der
jeweiligen
Extremität
mittels
Oberflächen
-
EMG
erfasst
.
Die
in
der
ruhenden
Extremität
erfasste
Ergebnisse
Abb. 2. Gruppenvergleich der unwillkürlichen mittleren MEMG des Musculus tibialis anterior (TA)
zwischen Normalpersonen (rote Boxen) und Ausdauersportlern (blaue Boxen). Abgebildet sind die
getesteten Kraftstufen (20%, 50%, 80% MVC) und dabei unwillkürlich auftretende MEMG-Werte des
rechten bzw. linken TA (dargestellt als prozentuale Veränderung zur Baseline (BL)-Aktivität, BL = 100%;
* zeigt signifikante Unterschiede zwischen den Gruppen an (p < 0.0167), korr. auf Mehrfachvergleiche).
Itas ipsam, sumquasi conessi nullece periatibus, occum
cus aperum sincipi caectat. Bis volorit laboria tusdaeped
quibus.
während
unilateraler
isometrischer
Beinkontraktionen
aus
.
Ungeklärt ist weiterhin die Frage, inwiefern sich
langjährige sportliche Expertise auf das Ausmaß der
MEMG auswirkt.
jeweiligen
Extremität
mittels
Oberflächen
-
EMG
erfasst
.
Die
in
der
ruhenden
Extremität
erfasste
elektromyografische Aktivität während der Durchführung der Testaufgaben zeitlich synchron zur
willkürlichen Kontraktion der aktiven Extremität gilt als Maß der MEMG. Die MEMG wird als prozentuale
Veränderung zur Baseline (BL)- Aktivität (BL = 100%) angegeben.
Es
konnte
der
erste
wissenschaftliche
Nachweis
geliefert
werden,
dass
die
physiologische
1
Diskussion
DGKN, 2017
Literatur:
Perez MA & Cohen LG (2008). Mechanisms Underlying Functional Changes in the Primary Motor Cortex Ipsilateral to an Active Hand. J Neurosci 28, 5631–5640.
Sehm B, Steele CJ, Villringer A & Ragert P (2015). Mirror Motor Activity During Right-Hand Contractions and Its Relation to White Matter in the Posterior Midbody of the Corpus Callosum. Cereb Cortex 26,
4347-4355.
Svatkova A, Mandl RC, Scheewe TW, Cahn W, Kahn RS & Hulshoff Pol HE (2015). Physical Exercise Keeps the Brain Connected: Biking Increases White Matter Integrity in Patients With Schizophrenia and
Healthy Controls. Schizophr Bull 41, 869-878.
Die physiologische Form der MEMG ist neben der OEX auch in der UEX in
gesunden jungen Personen nachweisbar. Ähnlich wie in der OEX steigt die
unwillkürliche Aktivität mit zunehmenden Kraftanforderungen unilateraler
Kontraktionen ebenso an.
Zukünftige Forschungsansätze sollten sich vor allem auf neurophysiologische
Methoden wie NIBS stützen um die funktionellen Entstehungsmechanismen der
MEMG im Bezug auf die UEX näher zu charakterisieren. Diese gewonnen
Erkenntnisse könnten sich zukünftig auch im Bereich der Neurorehabilitation von
pathologischen Formen der MEMG als nützlich erweisen.
2
Abb. 1. Experimentelles Design. (A) Testaufgabe (Pinch-Task) der OEX.
(B) Testaufgabe (Dorsalextension) der UEX. (C) Visuelles Feedback für
Probanden während der Durchführung der Testaufgaben. (D) Exemplarischer
EMG-Verlauf des linken willkürlichen Musculus tibialis anterior (TA, oben) sowie
unwillkürlicher MEMG des kontralateralen rechten TA (unten). Fünf Kontraktionen
(EMG-Bursts) bilden einen Kraftblock der entsprechenden Kraftstufe (20%, 50%,
80% MVC). Mit zunehmender Kraftanforderung steigt die MEMG ebenfalls an.
Es
konnte
der
erste
wissenschaftliche
Nachweis
geliefert
werden,
dass
die
physiologische
MEMG nicht nur in der OEX sondern ebenso innerhalb der UEX in jungen gesunden
Personen auftritt. Diese Beobachtung trifft sowohl für distale als auch proximale homologe
Muskelgruppen zu, mit der stärksten Ausprägung im distalen Körpersegment (Agonist der
jeweiligen Testaufgabe). Mit zunehmender Kraftanforderung steigt die MEMG signifikant an.
Ausdauersportler zeigen im Vergleich zu Normalpersonen ein höheres Maß an MEMG bei
sehr hohen Kraftanforderungen (80% MVC), jedoch nur in der trainierten UEX (siehe Abb. 2.).
Innerhalb der OEX konnte kein Unterschied zwischen den Gruppen festgestellt werden.
Sportliche Aktivität führt zu Modulationen interhemispherischer Konnektivität,
sowie strukturellen Adaptationen transkallosaler motorischer Faserverbindungen
(Svatkova et al., 2015).
Diese Erkenntnisse von sportinduzierter Neuroplastizität könnten ein höheres
strukturelles bzw. funktionelles Potential für das Auftreten einer
interhemispherischen Fazilitation (IHF) im Sinne des Konzepts des Motor
Overflow (Perez & Cohen, 2008) bei Sportlern implizieren und damit das höhere
Maß an MEMG in Ausdauersportlern bei unilateralen Kontraktionen auf sehr
hohen Kraftstufen speziell in trainierten Extremitäten erklären.
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