Muskelstimulation


(Elektromyostimulation EMS, auch Elektromechanotherapie oder neuromuskuläre Elektrostimulation (NMES) genannt)

Mit Muskelstimulation bezeichnet man die Auslösung von Kontraktionen von Muskelgruppen oder einzelner Muskeln mit Hilfe eines elektrischen Reizes.
Wenn die ausgelöste Kontraktionen derart koordiniert werden, dass eine Funktion unterstützt oder übernommen wird, spricht man von funktioneller Elektrostimulation (FES).

In der Physiotherapie werden künstlich hervorgerufene Muskelkontraktionen zu unterschiedlichen Zwecken eingesetzt.

  1. Atrophie- und Fibrosierungsprophylaxe
  2. Detonisierung der Muskulatur
  3. Tonisierung der Muskulatur
  4. Verbesserung der Zirkulation
  5. Verbesserung des Muskelgefühls
  6. Zur Unterstützung/Übernahme gestörter Funktionen
  7. Muskelkräftigung
  8. Diagnostik (I/t-Kurve)

Wenn eine Muskelfaser mit einem elektrischen Impuls stimuliert wird, reagiert diese Faser mit einer Zuckung, auch "twitch" genannt. Wenn man mit einer Serie Impulse reizt, wird mit zunehmender Reizfrequenz die ausgelöste Kontraktion gleichmässiger, "glatter". Es tritt eine Kontraktions-Summation auf die sich, je höher die Frequenz wird, als glatte tetanische Kontraktion äußert.
Mit zunehmender Frequenz nimmt auch die Kontraktionskraft zu wobei ab etwa 60Hz die maximale Kraftentwicklung erreicht wird.

Muskelfasertypen

Die Grundlage zur Unterscheidung der Muskelfasertypen bilden die sog. Isoforme der Myosine. Eine Isoform ist ein Molekül von identischer Zusammensetzung, aber unterschiedlichen Aufbaus im Vergleich zu einem zweiten Molekül. Isoforme üben ähnliche, aber nicht identische Funktionen aus. Es gibt zwei unterschiedliche Schemata für die Klassifizierung. Beide beruhen auf bestimmten chemischen Färbungen. Die klassische Unterscheidung in "schnellen" (fast-twitch) und "langsamen" (slow-twitch) Fasern beruht auf den Nachweis der myofibrillären Adenosintriphosphatase (mATPase: Enzym, welches die Spaltung von ATP bewirkt und damit Auslöser für den Myosin-Aktin Brückenschlag ist). Mit dieser Analyse sind drei metabolisch unterschiedliche Muskelfasertypen abzugrenzen: FG (fast glycolytic), FOG (fast oxidative-glycolytic) und SO (slow oxydative). Diese drei Fasertypen unterscheiden sich molekular in der Zusammensetzung ihres Myofibrillenapparates, metabolisch in ihrer enzymatischen Ausstattung und funktionell in ihren Kontraktionseigenschaften. Die Unterscheidung ist allerdings für die schnelle Fasern etwas grob, weil die Grenze zwischen glykolytisch und oxidativ nicht scharf zu ziehen ist. Das zweite Verfahren liefert da eine genauere Trennung. Diese Methode untersucht die mATPase-Aktivität der schweren Myosinkette (MHC: myosin heavy chain) und ihrer Isoformen. Mit dieser Methode wurde bei Nagetieren neben Fasertyp IIA und IIB einen dritten schnellen Fasertyp nachgewiesen: der Typ IID (=IIX). Diese drei Typen (A,B und D) enthalten verschiedene Isoforme der MHC. In IIB Fasern findet sich MHCIIb, in den IID Fasern das MHCIId und in IIA Fasern das MHCIIa. Nun ist der Typ IID histochemisch gesehen dem Typ IIB recht ähnlich, deshalb wurde er auch relativ spät erkannt und sogar heute wird oft nicht mal zwischen den zwei Typen unterschieden. Aber: Der Muskelfasertyp der beim Menschen als Typ IIB bezeichnet wird entspricht dem Typ IID vom Nager. Der "richtige" Typ IIB kommt tatsächlich nur bei kleinen Säugetieren vor. Je größer das Tier, umso geringer den Anteil an IIB Fasern.
Hunde, Schweine, Schafe, Llamas und Pferde besitzen diese Isoform nicht und auch beim Menschen kommt er praktisch nicht vor. Es ist deshalb vorzuziehen beim Menschen anstelle vom Fasertyp IIB vom Fasertyp IID zu sprechen.
Es ist verwirrend, wenn man die FG-FOG-SO Klassifizierung mit der Typ I-IIA-IIB/D Klassifizierung durcheinander bringt, beide basieren nämlich auf unterschiedlichen Kriterien. Typ I entspricht dabei wohl dem SO-Typ, bei den schnellen Fasern ist die Übereinstimmung aber nicht mehr 100% gegeben.

Neben den "reinen" Typen existieren sog. hybride Fasern, die gleichzeitig zwei oder mehrere MHC-Isoformen exprimieren. Es sind an die 10 verschiedene Typen bekannt. Die hybriden Fasern kommen je nach Belastungsart in unterschiedlicher Ausprägung vor, speziell in Situation einer Fasertypenumwandlung.

Hier noch mal eine Übersicht über die verschiedene Muskelfasertypen:

Fasertyp I
Auch slow twitch (ST), slow oxidativ (SO), oder "tonisch" genannt. Diese Fasern haben den kleinsten Querschnitt. Sie kontrahieren langsam (Twitchdauer bis 100-200 ms) mit wenig Kraftentwicklung. In einer physiologischen Situation kontrahieren diese Fasern immer zuerst. Sie ermüden nur langsam und erholen sich rasch. Die Fasern sind gut durchblutet. Wegen der großen Menge Mitochondrien und die darin enthaltenen Cytochrome und wegen des in den Fasern eingelagerten Myoglobins sind die Muskeln deutlich dunkelrot gefärbt. Sie liegen eher in der Mitte eines Muskels. Die Fasern werden werden in der Elektrostimulation mit niedrigen Frequenzen zwischen 5 und 25 Hz stimuliert.
Fasertyp II A
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Auch fast twitch, oxidativ (FO), fast twitch oxidative-glycolytic (FOG), "fasisch" oder "fast contracting, fatigue resistant (FR)" genannt. Diese Fasern haben sowohl einen oxidativen (aeroben) wie auch einen glykolytischen Stoffwechsel. Sie ermüden weniger rasch und erholen sich rascher als FG Fasern. Sie werden relativ gut durchblutet. Sie enthalten mehr Mitochondrien und Myoglobin als der Fasertyp IID und sind weißlich-rot gefärbt. Ihre Kontraktionen sind weniger rasch (50-100 ms) und weniger kräftig als die der IID Fasern. Die optimale Stimulationsfrequenz liegt zwischen 50 und 70 Hz, die Typ II Fasern kontrahieren bei der Elektrostimulation mit den IID Fasern immer zuerst. Bei Inaktivität atrophiert vor Allem dieser Fasertyp zusammen mit den IID Fasern.
Fasertyp IID = IIX
Auch fast twitch, glykolytisch (G),fast twitch glycolytic (FG), "fasisch" oder "fast contracting, fatigueing (FF)" genannt. Die Bezeichnung IIB ist laut neueren Ansichten (Pette, 1999) nicht korrekt. Der Typ IIB kommt nämlich nur bei kleinen Säugetieren vor. In der deutschen Literatur spricht man heute von "IID", die Amerikaner (u.A.) benutzen für diesen Fasertyp die Bezeichnung "IIX" (z.B. Smerdu 1994). Diese Fasern haben einen überwiegend glykolytischen (anaeroben) Stoffwechsel und nur wenig oxidativ (aerob). Auf einer Stimulation reagieren die Fasern mit einer kurzen (7.5-50 ms) kräftigen Zuckung. Die Leistungsabgabe, besonders bei hohen Geschwindigkeiten und Kraftentwicklung, ist bei Typ IID größer als bei Typ IIA. Typ IID-Fasern haben den höchsten ATP-Verbrauch (sog. tension cost). Ihre Schnelligkeit geht also auf Kosten eines hohen ATP-Verbrauches, während die langsamen Typ I-Fasern wirtschaftlicher arbeiten. Die Fasern ermüden rasch und erholen sich langsam. In einem normalen gemischten Muskel findet man diese Fasern eher an der Oberfläche. Der Faserquerschnitt ist relativ groß, die Fasern kunnen deshalb viel Kraft entwickeln. Sie werden eher schlecht durchblutet. Wegen der geringen Anzahl Mitochondrien und die darin enthaltete Cytochrome und wegen der geringere Menge Myoglobin sehen die Muskeln weißlich aus. Die Fasern werden mit einer Reizfrequenz von 50-70 (-100) Hz stimuliert und kontrahieren bei einer Elektrostimulation mit den Typ IIA Fasern zuerst. Bei Inaktivität atrophiert vor Allem auch dieser Fasertyp. Man betrachtet heute die Expression des IID-Gens als eine Art Grundeinstellung. Personen die sehr viel sitzen, weisen einen höheren Gehalt an Myosin IID in ihren Muskeln auf als sportlich aktive Menschen. Der Anzahl dieser Fasern nimmt bei zunehmender Aktivität zu Gunsten des Myosin IIA ab. Reduziert man das Aktivitätsniveau wieder, wird der Prozess umgekehrt.
Typ IIB
Die Bezeichnung IIB sollte man beim Menschen nicht mehr verwenden in Fällen in der es sich um den Typ IID handelt. Der Typ IIB findet sich beim Menschen nur im Larynx (speziell der M.arytheniodeus transversus), in den Augenmuskeln und manchmal im M. masseter (Andersen,2002). Bei kleinen Säugetieren steht der Typ IIB metabolisch und der Leistung betreffend über Typ IID.

Die Muskelfaserverteilung variiert zwischen einzelnen Individuen enorm. In Muskelbiopsien aus dem M. vastus lateralis zeigte sich nachfolgende Verteilung (Staron 2000):