Die Auswirkungen von Bewegungstraining auf die neuromuskuläre Kontrolle der Schulter

Bedeutung

Der menschliche Schulterkomplex opfert Stabilität im Austausch für einen großen Bewegungsbereich, der für die Handmanipulation erforderlich ist. Aufgrund der inhärenten Instabilität der knöchernen Kongruenz und der Bänderzwänge spielt die dynamische Kontrolle der Muskeln eine wichtige Rolle bei der Stabilisierung der Schulter während der Bewegung. Die Muskeln der Rotatorenmanschette dienen als Hauptstabilisator des Schultergelenks, während der Deltamuskel den größten Teil des für die Bewegung erforderlichen Drehmoments bereitstellt. Daher ist die Koordination der Muskeln des Deltamuskels und der Rotatorenmanschette für eine reibungslose und effiziente Schulterfunktion unerlässlich. Eine Beeinträchtigung der neuromuskulären Kontrolle dieser Muskeln kann zu Verletzungen und Schmerzen führen. Folglich zielen Rehabilitationsprogramme darauf ab, die normale neuromuskuläre Kontrolle dieser Schultermuskulatur wiederherzustellen, um Schmerzen zu lindern und die Schulterfunktion zu verbessern. Obwohl Rehabilitationsprogramme positive Effekte auf Schmerzlinderung und funktionelle Verbesserung gezeigt haben, ist noch unklar, ob sie dazu dienen, die neuromuskuläre Kontrolle der Schultermuskulatur zu verbessern.

Während der Deltamuskel den größten Teil des Drehmoments bereitstellt, das zum Anheben der Schulter erforderlich ist, kann er auch eine überlegene direkte Kraft auf das Glenoid erzeugen. Diese Scherkraft neigt dazu, den Humeruskopf nach oben zu ziehen, was zu einer Verringerung des subakromialen Raums führen kann. Wenn die Muskeln der Rotatorenmanschette richtig funktionieren, führt die Wirkungslinie der Muskeln der Rotatorenmanschette zu einer zentrierenden Kraft, die dazu beitragen kann, den Humeruskopf in der Mitte der Gelenkpfanne zu halten. Es wurde jedoch die Hypothese aufgestellt, dass, wenn die Muskeln der Rotatorenmanschette während der Armbewegung keine ausreichende Kraft erzeugen können, die vom Deltamuskel erzeugte überlegene Scherkraft zu einer überlegenen Translation des Humeruskopfes führt. Diese anormale Verschiebung kann zu einem Auftreffen auf subakromiales Gewebe und schließlich zu Gewebeverletzungen und Schmerzen führen.

Traditionell konzentrieren sich Schulterrehabilitationsprogramme auf die Stärkung der Rotatorenmanschettenmuskulatur durch Schulterbewegungen, bei denen die Rotatorenmanschettenmuskeln eine hohe Muskelaktivität zeigen. Obwohl diese Aktivitäten zu einer Stärkung der Rotatorenmanschette führen, ist unbekannt, ob die wiederholte Belastung der Rotatorenmanschette zu neuromuskulären Anpassungen führt, die helfen, der Scherkraft des Deltamuskels entgegenzuwirken.

Dieser Rehabilitationsstress kann die neurologischen und physiologischen Veränderungen in den neuromuskulären Strukturen induzieren und somit die neuromuskuläre Kontrolle des gesamten Schulterkomplexes verändern. Kinematik- und Elektromyographie (EMG)-Messungen wurden häufig verwendet, um die neuromuskuläre Kontrolle zu untersuchen. Während kinematische Messungen Bewegungsmuster zeigen, zeigt EMG das Timing, die Abfolge und das Ausmaß der Muskelfeuerung. Abnormale Kinematik und EMG-Muster wurden bei Patienten mit Schulter-Impingement nachgewiesen. Die Messung von Parametern der neuromuskulären Kontrolle kann zu einem besseren Verständnis des zugrunde liegenden Mechanismus des Schultertrainings führen und wie sich die neuromuskulären Strukturen an die Belastung des Bewegungstrainings anpassen. Genauer gesagt können diese Bewertungen verwendet werden, um zu beurteilen, ob ein Rehabilitationsprogramm zu einer positiven Anpassung führt, die den Schultermuskeln helfen kann, den Stress durch Aktivitäten wie Überkopfsportaktivitäten und das Tragen oder Heben schwerer Gegenstände zu bewältigen. Letztendlich könnte dies genutzt werden, um ein effizienteres Trainingsprogramm für Sportler und ein effektives Rehabilitationsprogramm für Patienten mit Schulterverletzungen zu entwickeln.

Innovation

Wenn die neuromuskuläre Kontrolle der Schulter in den Bereichen Biomechanik, orthopädische Rehabilitation und Sport untersucht wird, liegt der Fokus im Allgemeinen auf Kinematik und EMG. Diese Kinematik- und EMG-Parameter stellen dar, wie der Schulterkomplex während der Bewegung als Ergebnis der motorischen Befehlsausführung gesteuert wird. Die kortikospinale Erregbarkeit, die bei Patienten mit neurologischen Erkrankungen umfassend untersucht wurde, wurde kürzlich auch in der Biomechanik, der orthopädischen Rehabilitation und im Sportbereich angewendet. Die kortikospinale Erregbarkeit repräsentiert die Wirksamkeit der neuralen Übertragung entlang der kortikospinalen Bahn. Neben neurologischen Beeinträchtigungen können auch orthopädische Verletzungen und Schmerzen die kortikospinale Erregbarkeit beeinflussen. Beispielsweise zeigt der untere Trapezius bei Personen mit nicht-traumatischer Schulterinstabilität eine verringerte Erregbarkeit. Auch experimenteller tonischer Muskelschmerz über dem ersten dorsalen Interosseus führt zu einer Hemmung der kortikalen und spinalen Erregbarkeit. In ähnlicher Weise sind experimentell induzierte akute Schmerzen im unteren Lendenwirbelbereich mit unterschiedlichen Auswirkungen auf die Rumpfmuskulatur verbunden. Die tiefen Bauchmuskeln, wie der Transversus abdominis, zeigten eine reduzierte kortikospinale Erregbarkeit. Im Gegensatz dazu zeigten oberflächlichere Muskeln, wie der lumbale Rückenstrecker und der äußere schräge Bauchmuskel, eine erhöhte Erregbarkeit. Neben Kinematik- und EMG-Messungen, die die gesamte motorische Strategie demonstrieren, ist die kortikospinale Erregbarkeit ein weiterer vielversprechender Parameter, um die Details zu untersuchen, wie die Muskeln der Deltamuskel und der Rotatorenmanschette vom primären motorischen Kortex über das Rückenmark bis zum Muskel gesteuert werden.

Während konsistente Beweise darauf hindeuten, dass motorisches Training mit erhöhter Erregbarkeit verbunden ist, sind die Auswirkungen von Krafttraining auf die kortikospinale Erregbarkeit noch nicht gut bekannt und können von den Muskeln und der Trainingsaufgabe abhängen. Das Training der neuromuskulären Kontrolle kann sowohl mit motorischem Lernen als auch mit Krafttraining verbunden sein. Die Steuerung und das Schussmuster können direkt bewusst neu erlernt werden, was eine Steigerung der Kraft und des motorischen Lernens beinhaltet. Da es mit einem Lernprozess verbunden ist, kann die Erregbarkeit nach dem Training zunehmen. Es hat sich gezeigt, dass Veränderungen der Erregbarkeit mit einem motorischen Lerneffekt korrelieren, so dass Veränderungen der Erregbarkeit nach dem Training mit Veränderungen des Rotatorenmanschetten-EMG korreliert sein können. Nach wiederholtem Üben können die bewussten Bewegungsmuster automatisch werden, wodurch sich das EMG-Muster der Rotatorenmanschettenaktivierung ändert.

Die Zwecke der Studie sind (1) die Wirkung von Bewegungstraining auf die neuromuskuläre Kontrolle des Schulterkomplexes bei gesunden Probanden zu untersuchen, einschließlich Kinematik, EMG und kortikospinaler Erregbarkeit, und (2) die Beziehung zwischen kortikospinaler Erregbarkeit, EMG u Maßnahmen erzwingen. Die Ergebnisse der Studie können helfen, den zugrunde liegenden neurologischen und biomechanischen Mechanismus des Bewegungstrainings zu verstehen und die Trainings- oder Rehabilitationsprotokolle für Sportler oder Patienten mit Schulterverletzungen zu entwerfen.

Ansatz

Ein randomisiertes, kontrolliertes experimentelles Design wird verwendet, um die Wirkung von Rotatorenmanschettenübungen zu untersuchen. Gesunde Probanden werden rekrutiert und nach dem Zufallsprinzip zwei Gruppen zugeteilt, Übungs- und Kontrollgruppen.

Alle Maßnahmen werden zweimal durchgeführt, vor und nach einer vierwöchigen Behandlung. Feindraht-Elektromyographie (EMG)-Elektroden werden in die Supraspinatus- und Infraspinatus-Muskeln der Rotatorenmanschette eingeführt. Oberflächen-EMG-Elektroden werden für den mittleren Deltamuskel und die Schulterblattmuskulatur verwendet. Transkranielle Magnetstimulation (TMS) wird verwendet, um die kortikospinale Erregbarkeit der Muskeln des Deltamuskels und der Rotatorenmanschette zu beurteilen. Eine flache Doppelspulen-Stimulationsspule wird verwendet, um einen Einzelimpuls-Stimulus über dem motorischen Kortex zu liefern, etwa 4 cm seitlich der Halbierung der Mittellinie und der biaurikulären Linie. Elektromagnetische Ortungssensoren werden an Arm, Schulterblatt und Brustkorb angebracht, um die Schulterkinematik zu messen.

Die Parameter der kortikospinalen Erregbarkeit werden auch gemessen, wenn sich der Arm in einer Elevation von 90° befindet, mit einem Basislinien-Muskelkontraktionsniveau von 10 % der maximalen freiwilligen Kontraktion (MVC). Die TMS-Stimulationsintensität wird auf 10 % unter dem Schwellenwert eingestellt und in 5 %-Schritten erhöht, bis die Reaktion gesättigt ist. Bei jeder Stimulationsintensität werden fünf Stimuli abgegeben. Die Spitze-zu-Spitze-Amplitude des motorisch evozierten Potenzials (MEP) wird gemessen und über die fünf Versuche bei jeder Intensität gemittelt. Die Kurve der Beziehung zwischen der Stimulationsintensität und der MEP-Amplitude ist sigmoidal und wird mit der Boltzmann-Gleichung angepasst.

MEP(s) = MEPmax/(1+ e^(m(S - 50s)))

In dieser Gleichung ist MEP(s) die Amplitude des motorisch evozierten Potentials, MEPmax ist die maximale MEP-Amplitude, m ist die Steigung der Funktion und S50 ist die Stimulusintensität, bei der MEP 50 % von MEPmax beträgt. Die Spitzensteigung der Funktion tritt bei S50 auf. Die Schwelle der Kurve ist der x-Schnittpunkt der Tangente an die Funktion am Punkt der maximalen Steigung.

Drei Parameter, MEPmax, m und x-Intercept-Schwellenwert, werden verwendet, um die kortikospinale Erregbarkeit zu modellieren, was mehr Details über die Erregbarkeit des kortikospinalen Trakts liefert. Der Wert der x-Intercept-Schwelle ist ähnlich der motorischen Schwelle und stellt die Reizintensität dar, die benötigt wird, um die erregbarsten kortikospinalen Elemente und Motoneuronen zu aktivieren. Die Steigung zeigt die Rekrutierungseffizienz (Gewinn) des Kortikospinaltraktes an. Der MEPmax spiegelt das Gleichgewicht zwischen exzitatorischen und inhibitorischen Komponenten des Kortikospinaltraktes wider.

Die Skapula- und Humeruskinematik und das dynamische EMG der Rotatorenmanschette und der Deltamuskeln werden während drei Versuchen der Armhebung auf Skapulaebene aufgezeichnet. Die quadratischen Mittelwert-EMG-Daten werden über vier 30°-Bewegungsinkremente während der Armhebung von 0° bis 120° berechnet. Die Kinematik des Schulterblatts wird bei 30°, 60°, 90° und 120° Oberarmhöhe dargestellt.

Die Probanden werden auf die Schulterpropriozeption getestet. Sie tragen eine Schutzbrille, die ihnen visuelle Hinweise gibt, um das Ziel zu erreichen. Drei Zielpositionen werden präsentiert: Humerothorakale Elevationswinkel von 50°, 70° und 90° in der Skapulaebene. Die Probanden werden angewiesen, das Ziel ohne visuelle Hinweise wieder zu erreichen, nachdem sie ihre Arme an der Seite entspannt haben. Die Fehler zwischen dem Zielwinkel und dem zurückgegebenen Winkel werden berechnet.

Beide Behandlungsprogramme dauern vier Wochen. Die Probanden in der Übungsgruppe werden Standard-Rehabilitationsübungen für das Schulter-Impingement-Syndrom absolvieren. Die Übung basiert auf einer früheren Behandlungsstudie, die von Dr. Karduna durchgeführt wurde, und wird modifiziert, um den Schwerpunkt auf die Erleichterung und Kräftigung der Muskeln der Rotatorenmanschette zu legen. Die Probanden in der Kontrollgruppe erhalten keine Übung. Die Kontrollpersonen werden gebeten, ihre regulären Aktivitäten beizubehalten und haben nur zwei Bewertungen.

Eine Zwei-Wege-Mixed-Design-Varianzanalyse (ANOVA) wird verwendet, um die Unterschiede in der neuromuskulären Kontrolle nach der Behandlung zwischen der Kontroll- und der Trainingsgruppe zu untersuchen. Die abhängigen Variablen sind die Veränderungen der Kinematik, des EMG und der Erregbarkeit nach der Behandlung. Die unabhängigen Variablen sind Humerus-Elevationswinkel und -gruppen. Die Korrelation zwischen Änderungen der TMS-Messungen, der EMG-Messungen und der Kräfte wird durch eine Korrelationsanalyse untersucht.