Nr. 6/2021

Training unter verschiedenen Gravitationsbedingungen

Was hat das Laufbandtraining im Weltraum mit dem Reha-Training auf der Erde gemeinsam? Mit dieser Parallele von All und Alltag beschäftigte sich Charlotte Richter, Institut für Bewegungs- und Neurowissenschaft, für ihre Doktorarbeit: Astronaut:innen und Patient:innen in der Gangrehabilitation trainieren mit unterschiedlichem Ziel in ähnlichen Trainingsszenarios, bei denen die Entlastung des Körpergewichtes eine wesentliche Rolle spielt. Im Fokus ihrer Untersuchung steht der Wadenmuskel, der für den normalen Gang und fürs Laufen unabdingbar ist und besonders schnell auf Belastung und Entlastung reagiert.

Schwerelosigkeit und Alter haben eines gemein: Beides fördert Abbauprozesse im muskuloskelettalen System. Mit fortschreitendem Alter verlieren Menschen an Muskelmasse und Muskelkraft; ihre Knochendichte nimmt ab. Befinden sich Astronaut:innen über längere Zeit im All, ohne etwa ein sportliches Training durchzuführen, passiert ähnliches – nur viel schneller. Für ihre Doktorarbeit hat sich Charlotte Richter am Institut für Bewegungs- und Neurowissenschaft unter der Supervision von Prof. Dr. Kirsten Albracht und Dr. Björn Braunstein mit dieser Gemeinsamkeit beschäftigt. Richter simulierte dazu nicht nur das Training von Astronaut:innen, sondern untersuchte auch ein Gangtraining mit Körpergewichtsunterstützung. Denn in beiden Settings können Bewegung und Sport helfen, Abbauprozessen entgegenzuwirken. Die Untersuchung von Charlotte Richter war Teil eines Forschungsprojekts, welches in Kooperation mit der FH Aachen, der Europäischen Weltraumagentur (ESA), dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), dem King's College London und der London South Bank University durchgeführt wurde.

Den Einfluss von Gravitation verstehen lernen

„Die Physiologie des menschlichen Körpers wird durch Gravitation beeinflusst. Trainieren Astronaut:innen in Schwerelosigkeit nicht ungefähr zweieinhalb Stunden täglich, baut sich ihre Muskelmasse ab und die Knochendichte wird geringer“, beschreibt Charlotte Richter. Auch unter irdischen Bedingungen gibt es Situationen, in denen Abbauprozesse schneller gehen. Wenn Menschen sich über einen längeren Zeitraum kaum oder gar nicht bewegen können – wie etwa bei Bettlägerigkeit nach einer schweren Verletzung – baut sich Muskulatur auch hier schnell ab und es kann zu Störungen im Gangbild kommen. Um Patient:innen kontrolliert wieder an das Gehen unter voller Belastung heranzuführen, werden beim rehabilitativen Gangtraining spezielle Laufbänder eingesetzt, die sogenannten AlterG-Laufbänder. Diese nehmen der trainierenden Person einen Teil ihres Körpergewichts ab.

Beim Training in Schwerelosigkeit hingegen wird versucht, künstlich eine ähnliche Belastungssituation wie auf der Erde herzustellen, um die für den Erhalt von Muskelmasse und -arbeit notwendigen Reize zu setzen. Dabei, so die 30-jährige Wissenschaftlerin, gebe es zufällig eine Parallele zwischen Schwerelosigkeit und Reha: In beiden Situationen wird bei 70 Prozent des Körpergewichts trainiert. „In der Schwerelosigkeit müssen die Astronaut:innen aktiv der Entlastung ihres Körpers entgegenwirken. Für das Laufbandtraining werden sie dafür mit speziellen Bungee-Gurten an das Laufband gezogen. Sie trainieren meist mit bis zu etwa 70 Prozent ihres Körpergewichts. In der Reha müssen die Patient:innen hingegen aktiv entlastet werden. Bei einer empfohlenen Entlastung von 30 Prozent, entsprechend 70 Prozent Körpergewicht, hatte man bisher festgestellt, dass sich das Gangbild kaum verändert. Die Kinematik, das heißt der Verlauf der Kniegelenkwinkel oder der Sprunggelenkwinkel, bleibt sehr ähnlich zum normalen Gang. Allerdings hat sich noch nie jemand mit Hilfe eines Ultraschallgeräts angeschaut, ob oder wie sich die Arbeitsweise des Wadenmuskels unter derartigen Entlastungsbedingungen ändert“, skizziert Richter ihren Forschungsansatz.

Im Fokus: der Musculus Gastrocnemius Medialis

In einer Pilotstudie mit acht Probanden untersuchte die 30-Jährige die Auswirkung verschiedener Trainingsszenarien bei verminderter Schwerkraft. Sowohl beim Laufbandtraining auf der ISS als auch zur Wiederherstellung einer natürlichen Gehfunktion im Rahmen des rehabilitativen Gangtrainings sei es wichtig, erklärt Richter, dass die Arbeitsweise der Plantarflexoren, also der Wadenmuskeln, die für die Beugung des Fußes in Richtung Fußsohle zuständig sind, trotz Entlastung aufrechterhalten bleibt. Das bedeutet, dass ihr kontraktiles Verhalten möglichst den Bewegungen unter normalen Schwerkraftbedingungen ähnelt. Im Fokus ihrer Untersuchung stand der Musculus Gastrocnemius medialis. „Ein Spaziergang im Park funktioniert nur, weil unser Wadenmuskel ‚mitarbeitet‘. Er trägt unser Körpergewicht und ist für den Vortrieb mitverantwortlich. Außerdem können wir ihn mit dem Ultraschallgerät sehr schön abbilden, da er sehr oberflächlich direkt unter der Haut liegt und nicht zu dick ist. Man kann die einzelnen Muskelfaserbündel mit der Ultraschallsonde im Idealfall komplett darstellen und ihr Kontraktionsverhalten in Echtzeit beobachten“, erklärt Richter, warum sie speziell diesen Muskel ausgewählt hat.

Im Rahmen ihrer kumulativen Dissertation (Titel: „Calf muscle behavior during walking and running unter the gravity conditions of Earth, Space, Moon and Mars: a blessing for rehabilitative gait training and a curse for spaceflight exercise countermeasures”) gingen und liefen die acht Probanden auf zwei verschiedenen Laufbandsystemen. Zum einem auf dem AlterG-Laufband, um das körpergewichtsunterstützte rehabilitative Gangtraining zu simulieren, und zum anderem auf dem sogenannten Vertical Treadmill, einem vertikal ausgerichteten Laufband, das das Lauftraining auf der ISS simuliert. Die Probanden werden in diesem Setup mit einem Gurtsystem in einer liegenden Position fixiert und durch ein pneumatisches Zugsystem aktiv an die Laufbandfläche herangezogen (siehe Foto 1). Je nach Stärke der künstlich applizierten Belastung wurden insgesamt vier Gravitationsbedingungen simuliert: Erde (1g), Reha/ISS (0,7g), Mars (0,38g) und Mond (0,16g).

Vorteile für die Reha, Nachteile für das Training im Weltraum

„In unserem ersten Testszenario, dem Gehen bei 70 Prozent Körpergewicht, haben wir herausgefunden, dass das Verhalten von Muskelfaserbündeln und Sehne zusätzlich zur Gangkinematik erhalten bleibt. Unsere Ergebnisse unterstützen damit die für die Gangrehabilitation bereits empfohlene Dosis einer 70-prozentigen Belastung. Darauf aufbauend haben wir uns die Frage gestellt, ob das auch für das Lauftraining von Astronaut:innen gilt, die ebenfalls mit 70-prozentiger Belastung trainieren. Unsere Untersuchung zeigt: Das, was für das Gehen galt, gilt für das Laufen nicht mehr. Hier verändern sich Gangbild und Kontraktionsverhalten des Gastrocnemius medialis“, beschreibt Richter Ergebnisse. Es stellt sich also die Frage: „Wie kann man das Lauftraining auf der ISS in Zukunft noch optimieren, um – wie in der Gangrehabilitation – ein ‚normales‘ kontraktiles Verhalten zu erzeugen, und wie müsste ein Training bei Mond- oder Marsgravitation aussehen? Das war der verbindende Teil der drei Publikationen, die ich in meiner Dissertation zusammengefasst habe“, erklärt Richter.

Richter vergleicht ihre Erkenntnisse zum Training unter Entlastungsbedingungen mit den zwei Seiten einer Medaille: Vorteile für die Reha und Nachteile für das Training im Weltraum. Während für die Rehabilitation eine 70-prozentige Belastung geeignet ist, um bei gleichbleibendem kontraktilen Verhalten geschädigte Strukturen zu schonen, müsse das Lauftraining im Hinblick auf Weltraummissionen genau angepasst werden, um Muskelmasse und -funktion zu erhalten. Denn das Laufen bei geringerer Schwerkraft – so konnte Richter zeigen – bedeutet längere Kontaktzeiten auf dem Boden, geringere Trittfrequenz, kleinere Dorsalflexion im Sprunggelenk sowie kleinere Kniebeugewinkel. Außerdem nimmt die maximale Länge der Sehne und der Muskel-Sehnen-Einheit ab, wohingegen die Länge der Muskelfaserbündel zunimmt. Der Fiederungswinkel* wird kleiner und die Verkürzungsgeschwindigkeit langsamer (siehe Foto 2). Ob diese funktionellen Anpassungen an die reduzierte Schwerkraft eine muskuläre Degeneration verursachen, müsse weiter untersucht werden. Für längere Missionen im All empfiehlt Richter, zusätzliche Trainingsmethoden in Betracht zu ziehen, zum Beispiel plyometrisches Training, das sind dynamische Schnellkraftübungen wie Sprünge auf und von Kästen oder Seilspringen. Für die Reha eine wichtige Erkenntnis: Laufen mit einer Entlastung von 30 Prozent Körpergewicht oder darüber hinaus verändert die Laufkinematik und führt möglicherweise nicht zum optimalen Therapieerfolg.

*Fiederungswinkel: Die Fiederung des Muskels ist eine Vergrößerung des Muskelquerschnitts durch Abweichen von parallelfaserigen Muskeln. Er beeinflusst das Verkürzungsvermögen sowie die Kraft.

Transfer vom All in den Alltag

In weiteren Untersuchungen möchte sich Charlotte Richter auch mit den Veränderungen im kontraktilen Verhalten des Wadenmuskels bei unterschiedlichen Laufgeschwindigkeiten beschäftigen. „Ich würde gerne untersuchen, ob man die beobachteten Veränderungen im kontraktilen Verhalten bei 70-prozentiger Belastung kompensieren kann, indem Astronaut:innen zum Beispiel ein bisschen schneller laufen. Vielleicht reicht das schon aus, um die entsprechenden Kräfte zu generieren, damit die Muskelmasse und die Arbeitsweise der Muskulatur erhalten bleiben. Ich habe außerdem in einer weiteren Studie gelesen, dass schon das Laufen bei 80 Prozent Körpergewicht ausreichen könnte, um die Laufkinematik zu erhalten. Das würde ich gerne noch für die Arbeitsweise des Wadenmuskels mithilfe eines Ultraschallgeräts validieren. Würde sich das bestätigen, wären die Astronaut:innen vielleicht nur noch einen ganz kleinen Schritt davon entfernt, das Belastungslevel zu erreichen, das mindestens benötigt wird, um ein erdähnliches Kontraktionsverhalten zu erhalten“, erklärt Richter. Ihre Untersuchungen tragen dazu bei, das Training der Astronaut:innen noch effektiver und komfortabler zu machen und davon für Szenarien auf der Erde zu lernen. Eben vom All in den Alltag.

Text: Marilena Werth

Vorträge & Preise

Ihre Forschungsergebnisse der Doktorarbeit konnte Richter in drei renommierten, qualitativ hochwertigen Fachzeitschriften publizieren: Frontiers in Sports and Active Living, NPJ Microgravity und Scientific Reports. Zudem hat die junge Wissenschaftlerin ihre Forschungsergebnisse auf verschiedenen internationalen Konferenzen mit Erfolg präsentiert. Auf dem sportwissenschaftlichen Kongress des „European College of Sport Science (ECSS)“ wurde Richter mit dem begehrten „Young Investigators Award“ für ihr Poster ausgezeichnet und auf dem Human Physiology Workshop des Instituts für Luft- und Raumfahrtmedizin des DLR wurde ihr Vortrag vom Publikum zum besten wissenschaftlichen Beitrag der Konferenz gewählt.

Bild 1: Die Probanden werden mit einem Gurtsystem in einer liegenden Position fixiert und durch ein pneumatisches Zugsystem aktiv an die Laufbandfläche herangezogen (© Charlotte Richter)

Bild 2: Die maximale Länge der Sehne und der Muskel-Sehnen-Einheit nimmt ab, wohingegen die Länge der Muskelfaserbündel zunimmt (© Charlotte Richter)

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