Vergleich herkömmliches Hypertrophie-Training versus Vibrationstraining mit individuell bestimmter Trainingsfrequenz

Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Abstract

1. Einleitung

2. Abklärung von Begriffen
2.1 Motorische Kraft
2.2. Muskelarbeitsweisen
2.3. One-Repetition-Maximum
2.4. Hypertrophie
2.5. Isokinetik
2.6. Testgütekriterien
2.7. EMG
2.8. EMG und Ermüdung
2.9. Sonografie (Ultraschall)

3. Physiologische Grundlagen
3.1. Das Zentralnervensystem
3.2. Neuron
3.3. Zellmembran
3.4. Das Membranpotential: Gleichgewicht zweier Kräfte
3.5. Ionen in der extrazellulären und intrazellulären Flüssigkeit
3.6. Natrium-Kalium-Austauschpumpe
3.7. Das Ruhe- und Aktionspotential
3.8. Synapse
3.9. Die Skelettmuskulatur
3.9.1. Fiederungswinkel und Faserlänge
3.9.2. Die Motorische Einheit
3.9.3. Die Muskelspindel
3.9.4. Das Golgi-Sehnen Organ
3.10. Der Reflex
3.10.2. Monosynaptischer Reflex
3.10.3. Polysynaptischer Reflex
3.10.4. Hofmann Reflex (H-Reflex)
3.10.5. Der Dehnungsreflex (Dehnungs-Verkürzungszyklus)
3.10.6. Tonischer Vibrationsreflex

4. Physikalische Grundlagen
4.1. Resonanz
4.2. Frequenz
4.3. Interferenz
4.4. Schwingung
4.5. Fadenpendel
4.6. Schwingungsarten
4.6.1. Gedämpfte harmonische Schwingung
4.6.2. Erzwungene harmonische Schwingung
4.6.3. Freie ungedämpfte Schwingung
4.7. Vibrationen

5. Spezielle Literaturrecherche
5.1. Veränderung der Muskelkraft
5.2. Ganzkörpervibrationen
5.2.1. Zusammenfassung Ganzkörpervibrationen
5.3. Teilkörpervibrationen
5.3.1. Zusammenfassung Teilkörpervibrationen
5.4. Problemstellung und Forschungsdefizit

6. Hypothesen

7. Methodik
7.1. Voruntersuchungen
7.2. Auswertung Vibrationsfrequenzen und Reliabilitätsprüfung
7.3. Stichprobe
7.4. Untersuchungsdesign
7.4.1. Messtermine
7.4.2. Testablauf
7.4.3. Verteilung Trainingsfrequenzen
7.4.4. Trainingseinheit
7.5. Messgeräte
7.5.1. Ultraschall
7.5.2. Isomed 2000
7.5.3. AMTI-Kraftmessplatte
7.5.4. Beinstrecker-Trainingsgerät
7.6. Datenauswertung

8. Ergebnisse und Interpretation
8.1. Ergebnisse der Arbeitshypothese 1
8.1.1. Interpretation der Arbeitshypothese 1
8.2. Ergebnisse der Arbeitshypothese 2
8.2.1. Interpretation der Arbeitshypothese 2
8.3. Ergebnisse der Arbeitshypothese 3
8.3.1. Interpretation der Arbeitshypothese 3
8.4. Ergebnisse der Arbeitshypothese 4
8.4.1. Interpretation der Arbeitshypothese 4
8.5. Ergebnisse der Arbeitshypothese 5
8.5.1. Interpretation der Arbeitshypothese 5
8.6.Ergebnisse der Arbeitshypothese 6
8.6.1. Interpretation der Arbeitshypothese 6

9. Zusammenfassung und Ausblick

10. Literaturliste

11. Anhang

Abbildungsverzeichnis:

Abb. 1: Mechanismus des Krafttrainings: Zuerst kommt es zu einer intramuskulären Innervation, dann erst folgt die Muskelfaserhypertrophie. (Weineck, 1994, S.251)

Abb. 2: Mittlere EMG Maxima ausgewählter Muskeln des linken Beines bei Prä- und Post-Test (Thorhauer, 2008)

Abb. 3: Die Komponenten eines Neurons (Carlson, 2004, S. 36)

Abb. 4: Die relative Konzentration wichtiger Ionen im Zellinneren und im Extrazellularraum und die auf sie wirkenden Kräfte (Carlson, 2004, S.53)

Abb. 5: Schema der Na-K-Pumpe (Schmidt, Thews, 1995, S.9)

Abb. 6: Zeitlicher Ablauf des Aktionspotentials bei intrazellulärer Ableitung an einer einzelnen Nervenfaser (Thews et al, 1989, S.60)

Abb. 7: Schematische Darstellung der Überlagerung der Einzelzuckungen bis zur Entstehung einer tetanischen Kontraktion durch zunehmende Impulsfrequenz (nach Hartmann, Tünnemann, 1993)

Abb. 8: Details einer Synapse (Carlson, 2004, S.63)

Abb. 9: Darstellung der Struktur des Skelettmuskels (Weineck, 1994)

Abb. 10: Arten der Muskelfaseranordnung: a) Parallelfaseriger, b) einfach gefiederter und c) doppelt gefiederter Muskel (Weineck, 1996)

Abb. 11: Aufbau einer motorischen Einheit (Weineck, 1994, S. 91)

Abb. 12: Schema des Eigenreflexbogens (Weineck, 1994, S.493)

Abb. 13: Darstellung des Patellarsehnenreflexes (Thews et al, 1989, S. 436)

Abb. 14: Unterschied zwischen monosynaptischen (links) und polysynaptischen (rechts) Reflexbogen (Brandis, 1995, S.414)

Abb. 15: Graphik einer destruktiven Interferenz (Tipler, 1994, S.437)

Abb. 16: Graphik einer konstruktiven Interferenz (Tipler, 1994, S.436)

Abb. 17: Schema eines Fadenpendels (Strehlow, 1995, S.187)

Abb. 18: Gedämpfte harmonische Schwingung (Tipler, 1994)

Abb. 19: Freie ungedämpfte Schwingung (Hänsel, Neumann, 1993)

Abb. 20: Zusammenfassung der Publikationen zu Ganzkörpervibrationen

Abb. 21: Zusammenfassung der Publikationen zu Teilkörpervibrationen

Abb. 22: Spektrum der verwendeten Frequenzen

Abb. 23: Testmethodik der Veränderung des EMG-Signals durch Ermüdung

Abb. 24. Zeigt die Einstellung des Kniewinkels sowie die Klebung der EMG-Elektroden

Abb. 25: Beispiel einer Frequenzbestimmung mittels der prozentuellen Veränderung des Integrals

Abb. 26: Lineare Regressionsgerade des Eingangs- und Ausgangstests

Abb. 27: Die erzielten Frequenzen der Probanden bei Eingangs- und Ausgangstest

Abb. 28: Häufigkeitsverteilung der erzielten Vibrationsfrequenzen

Abb. 29: Ultraschall am Interfakultären Fachbereich für Sport- und Bewegungswissenschaften Salzburg/Rif

Abb. 30: Isomed 2000 am Interfakultären Fachbereich für Sport- und Bewegungswissenschaften Salzburg/Rif

Abb. 31: AMTI-Kraftmessplatte am Interfakultären Fachbereich für Sport- und Bewegungswissenschaften Salzburg/Rif

Abb. 32: Beinstrecker-Trainingsgerät am Interfakultären Fachbereich für Sport- und Bewegungswissenschaften Salzburg/Rif

Abb. 33: Veränderung der Dicke des rectus femoris

Abb. 34: Prozentuelle Veränderung zwischen Eingangs- und Ausgangstests der Dicke des rectus femoris

Abb. 35: Veränderung der Dicke des vastus lateralis

Abb. 36: Prozentuelle Veränderung zwischen Eingangs- und Ausgangstest der Dicke des vastus lateralis

Abb. 37: Faserlängenveränderung des vastus lateralis

Abb. 38: Prozentuelle Veränderung zwischen Eingangs- und Ausgangstest der Faserlänge des vastus lateralis

Abb. 39: Fiederungswinkelveränderung des vastus lateralis

Abb. 40: Prozentuelle Veränderung zwischen Eingangs- und Ausgangstest des Fiederungswinkels der Fasern des vastus lateralis

Abb. 41: Veränderung des isometrischen maximalen Drehmoments

Abb. 42: Prozentuelle Veränderung zwischen Eingangs- und Ausgangstest des isometrischen maximalen Drehmoments

Abb. 43: Veränderung des isokinetischen maximalen Drehmoments

Abb. 44: Prozentuelle Veränderung zwischen Eingangs- und Ausgangstest des isokinetischen maximalen Drehmoments

Abb. 45: Veränderung der maximalen Sprunghöhe

Abb. 46: Prozentuelle Veränderung zwischen Eingangs- und Ausgangstest der maximalen Sprunghöhe

Abb. 47: Veränderung des One-Repetition Maximum

Abb. 48: Prozentuelle Veränderung zwischen Eingangs- und Ausgangstest des One-Repetition Maximum

Abstract:

Der Grund für diese Untersuchung war es, einen Vergleich zwischen einem herkömmlichen Hypertrophie Training und einem Vibrationstraining mit individuell bestimmter Trainingsfrequenz darzulegen. Die Bestimmung der individuellen Vibrationsfrequenz wurde mittels der Veränderung des Integrals des Oberflächen-EMGs nach einer ermüdenden Belastung anhand des rectus femoris bestimmt.

Die Stichprobe bestand aus 36 Probanden, die wiederum in drei Gruppen, zu jeweils zwölf, unterteilt wurden. Die Vibrations- (Vib) und die Hypertrophietrainingsgruppe (Hyp) absolvierten über einen Zeitraum von 6 Wochen drei mal wöchentlich ein Hypertrophietraining bei einer Intensität von 80 Prozent. Bei der Vib wurde zusätzlich eine individuell bestimmte Vibration auf den Muskel induziert. Die Kontrollgruppe (KG) nahm nur am Eingangs- und Ausgangstest teil.

Die Ergebnisse zeigen, dass es bei jedem der gemessenen Parameter zumindest in einer der beiden Trainingsgruppen zu signifikanten Unterschieden innerhalb der Gruppe kommt. Gemessen wurde die Veränderung der Dicke des rectus femoris (Vib=0,002**), des vastus lateralis (Hyp p=0,020*; Vib p=0,043*), die Faserlängen- (Vib p=0,019*) und Fiederungswinkelveränderung (Vib & Hyp p=0,000***) des vastus lateralis und das isometrische (Vib & Hyp p=0,000***) und isokinetische (Hyp p=0,048*) maximale Drehmoment. Bei der Messung des CMJ (Vib p=0,000***) und des 1-RM (Vib & Hyp p=0,000***) konnte hingegen zusätzlich zum Unterschied innerhalb der Gruppe noch ein signifikanter Gruppenunterschied zwischen den beiden Trainingsgruppen dargestellt werden (CMJ p=0,001**; 1-RM p=0,001**).

Man kann daher sagen, dass ein Training mit individuell bestimmter Vibrationsfrequenz nur anhand des CMJ und des 1-RM zu signifikanten Gruppenunterschieden durch den Trainingsreiz führt.

Schlüsselwörter: Vibrationstraining, individuell bestimmte Vibrationsfrequenz, Hypertrophietraining, rectus femoris, vastus lateralis.

Abstract:

The aim of this study was to determine the contrast between regular hypertrophy training and vibration training with individual defined training frequency. The determination of the individual vibration frequency was measured with EMG electrodes. The main reason was the change of the integral of the EMG signal after an exhausting impact.

36 subjects were divided into 2 training groups (Hyp and Vib) and 1 control group (CG). The two training groups performed a regular hypertrophy training 3 times a week at an intensity of 80% for a time period of 6 weeks. The subjects of the Vib performed the same training under the influence of their specific vibration frequency.

The results indicate that it is possible to show significant differences for all measured parameters within the group. The measured parameters were: the change of the muscle thickness of the rectus femoris (Vib=0,002**) and the vastus lateralis (Hyp p=0,020*; Vib p=0,043*), the length of the muscle fibres (Vib p=0,019*) and the pennation angle (Vib & Hyp p=0,000***) of the vastus lateralis, and the isometric (Vib & Hyp p=0,000***) and isokinetic torque (Hyp p=0,048*). The CMJ (Vib p=0,000***) and the 1-RM (Vib & Hyp p=0,000***) additionally showed a significant difference between the training groups (CMJ p=0,001**; 1-RM p=0,001**).

These findings suggest that a vibration training with an individual defined frequency leads to a significant difference for the CMJ and the 1-RM between the groups due to the performed training.

Key words: vibration training, individual defined vibration frequency, hypertrophy training, rectus femoris, vastus lateralis.

1. Einleitung

Wäre ein Leben ohne Schwingungen in der heutigen Zeit überhaupt noch möglich? Die meisten Menschen in der westlichen Welt müssten diese Frage vermutlich mit „Nein“ beantworten. Viele Dinge, die wir heutzutage als selbstverständlich annehmen, haben Schwingungen als Grundlage (Radio, Fernsehen, Internet, Telefon, etc.). Ohne diese sogenannten Hilfsmittel, hätten wir vermutlich enorme Probleme, unser Leben in geregelten Bahnen zu halten.

Es gibt unzählige Punkte, an denen man erkennen kann, dass Schwingungen enorm wichtig für unser heutiges Leben sind. Andererseits gibt es auch Beispiele, bei denen sich diese Einflüsse negativ auf den Menschen auswirken. Die Wissenschaftsdisziplin, die sich damit beschäftigt, wird als Arbeitswissenschaft bezeichnet. Dorninger (2004) schreibt, dass es das Ziel der Arbeitswissenschaft ist, die durch die Mensch-Maschinen Symbiose entstandenen Gefahren zu entdecken und wenn möglich auch zu beseitigen. Es gibt unzählige Studien, die sich mit der Wirkung von mechanischen Schwingungen auf das System „Mensch“ beschäftigen. Es zeigt sich jedoch auch, dass eine maximale Reduktion von Schwingungen nicht ausreicht, um ein gesundheitliches Risiko gänzlich zu vermeiden.

Die Arbeitswissenschaft ist jedoch nicht die einzige Wissenschaftsdisziplin, die versucht in diesem Bereich Erkenntnisse zu gewinnen. Die ersten Untersuchungen, die aus dem Bereich der Sportwissenschaft stammen, wurden bereits in den 50er Jahren von Lippold et al (1957) durchgeführt. Der erste Pionier auf diesem Gebiet war jedoch ein Russe, namens Issurin. Er konnte im Gegensatz zum konventionellen Krafttraining mit seinen Untersuchungen gewaltige positive Effekte des Vibrationskrafttrainings darstellen.

Im Gegensatz zu anderen Wissenschaftsdisziplinen, welche meist auf eine völlige Vermeidung von Schwingungen abzielt, beschäftigt sich die Sportwissenschaft damit, jene Schwingung zu definieren, bei dem der Körper individuell optimal darauf reagiert.

Krafttraining spielt eine ausschlaggebende Rolle in fast allen Sportarten. Durch ein gezielt durchgeführtes Krafttraining wird die Basis für weitere Leistungssteigerungen in anderen Bereichen geschaffen, um somit dem Körper in den bestmöglichen Zustand für nachfolgende Belastungen zu versetzen (Friedmann, 2007). Der Trend zum Training mit induzierten Schwingungen, beziehungsweise Vibrationen, nahm in den letzten Jahren stark zu. In fast allen gut ausgestatteten Fitnessstudios ist es möglich, ein Training auf sogenannten „Power Plates“ durchzuführen, durch die während des Trainings bestimmte Vibrationen auf den Körper einwirken. Eine Neuheit in Sachen Fitnessstudios, die es erst seit kurzer Zeit in Oberösterreich gibt, ist ein Fitnessstudio, welches fast ausschließlich nur mit Vibrationen arbeitet. Das heißt, die Mehrheit aller Kräftigungs- (dynamisch und isometrisch), Dehnungsübungen sowie angebotene Massagen über Vibrationen durchgeführt werden. Die positiven Auswirkungen eines solchen Trainings sind laut Anbieter, immens. Der Abbau von Stress, die Verbesserung der Knochendichte, die verbesserte Koordination und die Beweglichkeit, etc. sind nur ein Bruchteil der vom Anbieter angeführten positiven Effekte. Es ist hier zu hinterfragen, ob diese Effekte nicht auch mit einem herkömmlichen Training erreicht werden könnten?

Das Defizit, welches in diesem Sektor jedoch noch besteht, ist die ideale Frequenz und Amplitude zu kennen, mit der der Muskel eines Sportlers in Schwingung versetzt werden soll. Dieses Wissen ist notwendig, um ein gezieltes Vibrationstraining überhaupt zu gewährleisten. Unzählige Studien arbeiten mit bestimmten vorgegebenen Frequenzen pro Trainingsgruppe (Beispiel: 25 Hz), wobei eine Untersuchung deutliche Zuwachsraten darstellen kann, eine andere jedoch nicht. Der Grund dafür könnte sein, dass die Probanden einer Gruppe zufälligerweise aller Ihre ideale Eigenfrequenz in der Nähe von 25 Hertz haben, die Probanden der anderen Gruppe jedoch nicht.

Das Ziel dieser Untersuchung ist es daher, die individuell ideale Trainingsfrequenz für eine ausgewählte Übung zu ermitteln und danach ein Hypertrophie Training mit dieser durchzuführen, um zu erkennen, ob ein höherer Leistungszuwachs mit einem Vibrationstraining mit individuell bestimmter Trainingsfrequenz möglich ist.

2. Abklärung von Begriffen:

2.1. Motorische Kraft:

“Die motorische Kraft ist die muskuläre Fähigkeit, physikalische Kräfte zu entwickeln, um Widerstände zu überwinden oder ihnen entgegenzuwirken. Sie ist eine der fünf motorischen Grundeigenschaften, welche die körperliche Leistungsfähigkeit des Menschen beschreiben“ (Spring et al., 1990, S. 3).

Die entwickelte Kraft lässt sich laut Spring et al. (1990), in drei Arten unterscheiden:

- Maximalkraft
- Schnellkraft
- Kraftausdauer

Für die Messungen dieser Untersuchung ist die Maximalkraft der entscheidendste Parameter, daher wird nur darauf genauer eingegangen.

„Die Maximalkraft ist die höchstmögliche Kraft, die das Nerv – Muskel – System bei maximaler willkürlicher Kontraktion auszuüben vermag“ (Zatsiorsky, 1996). Grundsätzlich kann man sagen, dass die Maximalkraft nur gegen einen unüberwindbaren Widerstand aufgebracht werden kann. Zatsiorsky (1996) meint außerdem, dass es zwei verschiedene Formen von Kraft gibt, und zwar wird unterschieden zwischen innerer und äußerer Kraft. Eine Kraft, die von einem Teil des menschlichen Körpers auf einen anderen wirkt, wird als innere Kraft bezeichnet. Eine Kraft, die jedoch zwischen dem Körper des Sportlers und der Umwelt wirkt, wird als äußere Kraft bezeichnet.

In der Isokinetik wird der Ausdruck der Maximalkraft in einem etwas anderen Zusammenhang verwendet. Hierbei wird der Begriff Maximalkraft verwendet, um das bei der vorgegebenen Winkelgeschwindigkeit gemessene maximale Drehmoment darzustellen.

2.2. Muskelarbeitsweisen:

- Konzentrisch: Die innere Kraft ist größer als die äußere Kraft, daher verkürzt sich die Gesamtlänge des Muskel - Sehnen – Apparates.
- Isometrisch: Hierbei kommt es zu keiner Längenveränderung des Muskel – Sehnen – Systems. Die Kraft, die auf den Muskel wirkt, ist ident mit der Kraft, die der Muskel erzeugt.
- Exzentrisch: Die äußere Kraft ist größer als die innere Kraft, welche vom Muskel erzeugt werden kann, daher wird der Muskel – Sehnen – Apparat in seiner Gesamtlänge gedehnt. (Felder, 1999)

2.3. One-Repetition-Maximum:

Unter diesem Begriff versteht man meist eine Bestimmung der Maximalkraft für eine bestimmte Kraftübung. „Das One-Repetition-Maximum ist die schrittweise Annäherung an die Gewichtsbelastung, mit der gerade noch eine korrekte Wiederholung möglich ist“ (Buskies und Boeck-Behrens, 1998). Sind mit einem ausgewählten Gewicht zu viele, oder keine Wiederholungen mehr möglich, hat man das One-Repetition-Maximum noch nicht richtig definiert.

2.4. Hypertrophie:

Zu Beginn eines Krafttrainings kann man in sehr kurzer Zeit bereits große Kraftzuwächse erreichen. Der Grund hierfür ist jedoch nicht eine Muskelmassenzunahme, sondern eine verbesserte Koordination, welche auch als intermuskuläre Koordination bezeichnet wird. Im Anschluss daran, dieser Vorgang kann mehrere Wochen dauern, nimmt die Kraft über eine Vergrößerung der einzelnen Muskelfasern zu (Weineck, 1994, S.249, 250). „Die Fähigkeit des Muskels, Kraft zu entwickeln, hängt unter anderem von dessen physiologischem Querschnitt und hier wiederum von der Anzahl der Muskelfasern ab“ (Kötteritzsch, 1993, S.4).

Diese Vergrößerung der einzelnen Muskelfasern wird auch als myofibrilläre Hypertrophie bezeichnet. Hierbei kommt es durch eine Zunahme an Myofibrillen (Aktin- und Myosinfilamenten) zu einer Vergrößerung der Muskelfasern (Kötteritzsch, 1993, S.5). Um im Anschluss daran einen weiteren Kraftanstieg zu gewährleisten, ist ein Training der intramuskulären Koordination nötig (Abb.1). Durch eine Verbesserung dieser, kommt es zu einer verbesserten Innervation, wodurch mehr Muskelfasern für eine Kontraktion zur Verfügung stehen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 1: Mechanismus des Krafttrainings: Zuerst kommt es zu einer intramuskulären Innervation, dann erst folgt die Muskelfaserhypertrophie. (Weineck, 1994, S.251)

2.5. Isokinetik:

„Der Begriff “Isokinetik “ stammt aus dem Griechischen und wird übersetzt mit iso = gleich und kinesis = Bewegung, womit eine gleichbleibende Bewegungsgeschwindigkeit während der Ausführung der Bewegung gemeint ist“ (Froböse, 1993, S.19). Laut Spring et al. (1990) wird eine Muskelkontraktion als isokinetisch bezeichnet, wenn die Bewegungsgeschwindigkeit über die gesamte Dauer der Bewegung konstant bleibt.

Computerunterstützte Systeme bilden hierfür die Basis, da sie in der Lage sind, genau definierte Bewegungen vorzugeben. Die Winkelgeschwindigkeit einer festgelegten Bewegung (z.B. Beinstreckung) wird hydraulisch oder elektromechanisch kontrolliert. Der Trainierende kann die Bewegung somit nur so schnell ausführen, wie es das isokinetische Gerät vorgibt. Beim Erreichen der eingestellten Winkelgeschwindigkeit setzt proportional zur aufgewendeten Kraft der Widerstand ein. Wird die Bewegung jedoch zu langsam ausgeführt, gibt es keinen Bewegungswiderstand.

Der größte Unterschied zu den Kraftgeräten mit festgelegtem, nicht variablem Widerstand ist, dass sich der isokinetische Widerstand anpassen kann. Er passt sich der vom Trainierenden aufgewendeten Kraft in jeder Winkelstellung proportional an. Somit kann an isokinetischen Geräten in jedem Gelenkwinkel über die gesamte Bewegungsamplitude die jeweils maximal mögliche Kraft erzeugt werden. Bei Trainingsgeräten mit festgelegtem Widerstand kann aufgrund der gelenkspezifischen Hebelverhältnisse nicht über die gesamte Bewegungsamplitude die maximal mögliche Kraft erzeugt werden. Ein Beispiel für ein solches Trainingsgerät wäre der Isomed 2000, welcher am Interfakultären Fachbereich für Sport- und Bewegungswissenschaften in Rif vorhanden ist.

Die Belastungsgrößen beim isokinetischen Krafttraining sind (Froböse, 1993):

- Winkelgeschwindigkeit (Grad pro Sekunde)
- Widerstand (Newton)
- maximales/durchschnittliches Drehmoment (Newtonmeter)
- Arbeit (Joule)
- Leistung (Watt).

2.6. Testgütekriterien:

Objektivität: Die Objektivität ist die Genauigkeit eines Tests. Sie besagt, dass die Ergebnisse eines sportmotorischen Tests unabhängig vom Untersucher sind. Die Objektivität wird in drei Teile unterschieden, wobei hier die Durchführungsobjektivität die größte Bedeutung hat.

Reliabilität: Unter Reliabilität versteht man die Zuverlässigkeit eines Tests. Als Beispiel hierfür kann man sagen: Führt man einen Test zwei Mal durch und erhält das exakt selbe Ergebnis, ist eine ausgezeichnete Reliabilität gegeben.

Validität: Die Validität ist die Gültigkeit eines Tests. Dieses Testgütekriterium gibt Aufschluss darüber, ob ein Test wirklich den Parameter misst, den es auch zu messen vorgibt. (Bös, 2001, S.545 – 551)

2.7. EMG:

Láhoda et al. (1973) beschreiben die Elektromyographie als das Ableiten, Registrieren und Auswerten von Muskelaktionspotentialen. Es ist ein Untersuchungsverfahren, dass die Muskelaktivität eines bestimmten Muskels misst (Greiner, 2009).

Laut Greiner (2009) misst das EMG „Potentialänderungen um und in Muskeln. Mit Hilfe klebbarer Oberflächenelektroden wird die Depolarisation von Muskelfasern registriert. Die Stärke, beziehungsweise Frequenz, ihrer Entladung gibt Aufschluss über die Muskelspannung.“

2.8. EMG und Ermüdung:

Ermüdende Belastungen haben einen starken Einfluss auf unseren Körper, da es dadurch, besonders aus physiologischer Sicht, zu Veränderungen kommt. Ein Parameter, der diesen Effekt messen kann, ist das EMG.

Eine Untersuchung von Fink et al (2001) konnte bei einer konstanten isometrischen Kraft, in diesem Fall 70% der Maximalkraft, welche über eine bestimmte Dauer gehalten wurde, darstellen, dass es zu einem Anstieg des EMG-Signals kommt. Der Grund für diesen Effekt ist, dass mehr motorische Einheiten innerviert werden, um trotzdem dieselbe Kraft aufbringen zu können. Eine weitere Untersuchung von Thorhauer (2008) versuchte ebenfalls den Zusammenhang zwischen dem EMG und der Ermüdung darzustellen. Für den Eingangs- beziehungsweise Ausgangstest wurden verschiedene Sprungformen durchgeführt und dabei die EMG-Aktivität gemessen. In der Versuchsgruppe wurden anschließend verschiedene Muskeln über externe Elektrostimulation vorermüdet. Im Anschluss daran erfolgte der Ausgangstest. Das Ergebnis der EMG-Analyse war, dass die EMG-Maxima, deutlich gestiegen sind (Abb. 2). Laut Thorhauer (2009) liegt der Grund dafür im Anstieg des Muskelaktionspotentials, welches durch die Ermüdung deutlich steigt. Eine bedeutende Rolle spielt auch der für die jeweilige Belastung innervierte Muskeltyp. Ob der Muskel nun vermehrt aus Slow-Twitch beziehungsweise Fast-Twitch Fasern besteht, macht einen großen Unterschied.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 2: Mittlere EMG Maxima ausgewählter Muskeln des linken Beines bei Prä- und Post-Test (Thorhauer, 2008)

2.9. Sonografie (Ultraschall):

Herforth und Winter (1958) beschreiben Ultraschall als eine akustische Schwingung, welche jenseits der Hörbarkeitsgrenze liegt. Der Ultraschall ist eine mechanische Schwingung, welche zwischen dem erzeugenden Sender und dem Schallempfänger schwingt. Das menschliche Ohr kann Schwingungen zwischen 16 und etwa 16 000 Hertz wahrnehmen. Alles über dieser hörbaren Frequenz, wird als Ultraschall bezeichnet.

Trifft dieses Signal auf einen Körper, reagiert dieser individuell unterschiedlich darauf. In Luft verbreitet sich der Schall in Longitudinalwellen, wogegen es bei festen Körpern zusätzlich zu einem Auftreten von Transversalwellen kommt. Dieses Antwortsignal kann wiederum gemessen und anschließend bei modernen Geräten in ein optisches Signal umgewandelt werden.

3. Physiologische Grundlagen:

In der heutigen Zeit kommt es beinahe zu einer Erdrückung an neuen Eindrücken, egal ob man nun mit dem Auto fährt oder in einen Supermarkt einkaufen geht. Solchen derartigen Reizüberflutungen ist kaum zu entkommen. Doch wer ist für die Aufnahme dieser ganzen Informationen zuständig? Thews, Mutschler und Vaupel (1989) schreiben, dass das „sensorische System der Aufnahme, Weiterleitung und Verarbeitung von Informationen dient, die den Organismus in Form physikalischer oder chemischer Reize erreichen.“ Über afferente Bahnen treten Impulse in das Rückenmark ein und werden danach je nach Art der Information an das Gehirn gesendet beziehungsweise unverzüglich über efferente Bahnen an die betroffene Muskulatur weitergeleitet. Durch diesen Vorgang entsteht eine unkontrollierte und unbewusste Reaktion unserer Muskulatur, welche man auch als Reflex bezeichnen kann (Thews et al., 1989).

In diesem Abschnitt, soll ein theoretischer Hintergrund geschaffen werden, um zu verstehen, wie Muskeln reagieren, beziehungsweise arbeiten und warum und wie Reflexe in der Skelettmuskulatur entstehen.

3.1. Das Zentralnervensystem:

Das Zentralnervensystem (ZNS) ist für alle Steuerungen der Körperfunktionen, sowie für die Informationsverarbeitung verantwortlich (Thews et al., 1989, S.421). Es besteht aus dem Gehirn und dem Rückenmark und ist im Gegensatz zum peripheren Nervensystem von Knochen umhüllt. Das Gehirn ist eingebettet in den Schädel und das Rückenmark befindet sich in der Wirbelsäule, was dem ZNS einen sehr guten Schutz bietet (Carlson, 2004, S.80, 81). Das ZNS vollbringt darüber hinaus auch noch „höhere“ Leistungen: Fähigkeiten wie Lernfähigkeit, Denkvermögen, Sprache, Urteilsfähigkeit und Gedächtnis sind ebenfalls an das ZNS gebunden. (Faller, 1995, S.370)

3.2. Neuron:

Nach Carlson (2004) ist das Neuron (die Nervenzelle) „das informationsverarbeitende und informationsübertragende Element des Nervensystems. Neurone trifft man in vielerlei Gestalt an, und zwar angelehnt an die speziellen Aufgaben, die sie ausführen. Neurone (Abb. 3) haben normalerweise vier Regionen.“ (Carlson, 2004, S.35)

Im Soma (Abbildung….), oder auch Zellkörper genannt, befindet sich der Kern der Nervenzelle und der größte Teil, der für die Lebensprozesse der Zelle notwendigen Vorrichtungen. (Carlson, 2004, S.35). Neben diesem Zellkern besteht die Nervenzelle noch aus verschiedenen Zellfortsätzen. Der erste dieser Zellfortsätze wird als Dendrit beschrieben. Die Dendriten nehmen Erregungen anderer Nervenzellen auf, sie sind „die Empfänger der Nachrichten“ (Carlson, 2004, S.35) und ermöglichen somit eine Weiterleitung zuerst in den Zellkern und anschließend in wiederum andere Zellen über einen zweiten Zellfortsatz, genannt Nervenfaser (Thews et al, 1989, S.30). Die dritte und vierte Region ist das Axon sowie die Endknöpfe. Diese beiden Punkte bilden die Nervenfaser, die die Erregung von einer Nervenzelle zur nächsten weiterleitet. Das Axon ist ein langes, dünnes Rohr, welches das Aktionspotential vom Soma zu den Endknöpfen überträgt. Diese Endknöpfe sind der letzte Abschnitt der Nervenfaser. Sobald das Aktionspotential diese erreicht, werden chemische Verbindungen freigesetzt, welche Neurotransmitter genannt werden. (Carlson, 2004, S.36, 37). Laut Faller (1995) sind diese Neurotransmitter Überträgerstoffe, die im synaptischen Spalt für die Übertragung verantwortlich sind. „Diese chemische Verbindung erregt oder hemmt die aufnehmende Zelle und bestimmt so, ob in deren Axon ein Aktionspotenzial auftritt.“ (Carlson, 2004, S.37)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 3: Die Komponenten eines Neurons (Carlson, 2004, S. 36).

3.3. Zellmembran:

Die Zellmembran bildet eine Grenze zwischen der Innen- und der Außenseite der Zelle und hält dadurch den flüssigen Zell Leib zusammen (Faller, 1995, S.3). Sie besteht aus einer doppelten Schicht von Lipidmolekülen. In der Membran findet man eine Vielfalt von Proteinen mit spezifischer Funktion:

- Registrierung bestimmter Substanzen außerhalb der Zelle
- Zugangssteuerung in das Zellinnere
- Transporter Fähigkeit (Carlson, 2004, S.38)

3.4. Das Membranpotenzial: Gleichgewicht zweier Kräfte

Nach Carlson (2004, S.50) ist das „Membranpotenzial die Verteilung der elektrischen Ladungen über einer Zellmembran. Es ist die elektrische Potenzialdifferenz zwischen dem Zellinneren und der Außenseite der Zelle.“ (Carlson, 2004, S.50)

Um den Begriff des Aktionspotenzials zu verstehen, muss man als erstes die Gründe für die Existenz des Membranpotenzials kennen. In der Zelle ist stets eine elektrische Ladungsdifferenz vorhanden. Sie ist das Ergebnis zweier entgegen gerichteten Kräfte, die versuchen im Gleichgewicht zu bleiben. Diese beiden Kräfte werden als Diffusionsdruck und Elektrostatische Kraft beschrieben. (Thews et al., 1989)

Diffusionsdruck:

Durch diesen Vorgang kommt es zu einer gleichmäßigen Verteilung der Moleküle. Die Diffusion kann man als einen Vorgang beschreiben, bei dem sich Moleküle aus einer Region mit hoher in eine Region mit niedriger Konzentration bewegen.

Elektrostatische Kraft:

Die elektrostatische Kraft ist die Kraft, die zwischen zwei Ladungen herrscht. Es bedeutet, dass sich die beiden Ladungen anziehen (+ zieht – an), beziehungsweise abstoßen (- stößt – ab und + stößt + ab).

Das heißt, der Diffusionsdruck bewegt Moleküle aus Bereichen hoher in Bereiche geringer Konzentration. Die elektrostatische Kraft bewirkt, dass Ionen, welche man auch als Ladungsmoleküle bezeichnen kann, von einer Stelle zu einer anderen, bewegt werden. Diese beiden Kräfte sind die Grundlage des Membranpotenzials. (Carlson, 2004, S.52)

3.5. Ionen in der extrazellulären und intrazellulären Flüssigkeit:

Die intrazelluläre und die extrazelluläre Flüssigkeit enthalten verschiedene Ionen, welche für das Kräftegleichgewicht in der Zelle verantwortlich sind (Abb. 4).

Organische Anionen (A-) befinden sich in der Zelle und können die für sie undurchdringliche Membran nicht passieren. Ebenfalls im Zellinneren des Axons befinden sich die positiv geladenen Kaliumionen (K+). Eigentlich drückt die Diffusionskraft diese Ionen nach außen. Die Außenseite ist jedoch positiv geladen, daher werden sie wieder nach innen gedrückt. Verantwortlich dafür ist wiederum die elektrostatische Kraft. Die Ionen, die sich außerhalb der Zelle befinden, sind Chlorionen (Cl-) sowie Natriumionen (Na+). Chlorionen werden durch die Diffusionskraft ins Zellinnere gedrückt, da die Ladung dort jedoch negativ ist, wirkt die elektrostatische Kraft und drückt sie wieder nach außen. Natriumionen haben exakt die gleichen Voraussetzungen wie Chlorionen, da sie aber positiv geladen sind, hindert sie die elektrostatische Kraft nicht daran ins Zellinnere zu gelangen (Drenckhahn, 2003).

Obwohl diese elektrostatische Kraft wirkt, ist es den Natriumionen nicht möglich in das Zellinnere vorzudringen, da die Zellmembran für sie undurchdringlich ist (Carlson, 2004).

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Abb. 4: Die relative Konzentration wichtiger Ionen im Zellinneren und im Extrazellularraum und die auf sie wirkenden Kräfte (Carlson, 2004, S.53).

3.6. Natrium-Kalium-Austauschpumpe:

Die Natrium-Kalium-Austauschpumpe ermöglicht es, dass ein Austausch zwischen Zelläußerem und Zellinnerem stattfinden kann (Abb. 5). Sie ist zuständig für die Beförderung von Na+ aus der Zelle und K+-Ionen in die Zelle. Damit ist die Natrium-Kalium-Pumpe der wichtigste aktive Transportprozess. Für diesen Austauschprozess wird enorm viel Energie aufgewendet. Meist liegt der Energieverbrauch dieser Austauschpumpe bei etwa 1/3, bei manchen Zellen sogar bei 70% der maximalen aufgewendeten Energie. Die ATPase ist das Natrium-Kalium Transportprotein. Es spaltet den Energieträger der Zelle, das Adenosintriphosphat (ATP) in ADP und Phosphat an der Innenseite der Zelle. In einem Pumpzyklus werden drei Na+-Ionen aus der Zelle und zwei K+-Ionen in die Zelle gepumpt, was zur Folge hat, dass bei jedem Pumpzyklus eine Ladung aus der Zelle getrieben wird. Daher kann man sagen, dass diese Pumpe elektrogen ist. Elektrogen bedeutet, dass elektrischer Strom aus der Zelle getrieben wird und damit das Membranpotential um zirka 10mV negativer macht (Schmidt, Thews, 1995).

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Abb. 5: Schema der Na-K-Pumpe (Schmidt, Thews, 1995, S.9).

3.7. Das Ruhe- und Aktionspotential:

Das Potential der ruhenden Zelle liegt bei -80mV, welches auch als Ruhepotential bezeichnet wird. Dieser Wert liegt, je nach Art der Zelle, zwischen -60 und -100mV. Wie bereits in einem vorhergehenden Kapitel beschrieben, ist für diese Negativität des Zellinneren die unterschiedliche Verteilung der Ionen zuständig.

Um eine Nerven- beziehungsweise Muskelzelle zu erregen, ist eine kurzfristige Membranpotentialänderung nötig. Es kommt zu einem Anstieg von -80mV auf +40mV.

Thews et al (1989) beschreiben diese „Potentialänderung, bei der das Zellinnere vorübergehend positiv wird, als Aktionspotential.“

Für die erfolgreiche Auslösung eines Aktionspotentials (Abb. 6) muss sich das Ruhepotential um mindestens +15mV bis +20 mV verändern. Wird dieser Schwellenwert überschritten, läuft die weitere Membranpotentialänderung selbsttätig ab. Man kann daher sagen, dass sobald dieser Schwellenwert überschritten wird, es zur Auslösung eines Aktionspotentials kommt, welches in seiner Form des Anstiegs und Abfalls immer gleich bleibt. Diese vorliegende Konstanz des Aktionspotentials wird auch als das „Alles oder Nichts“ Gesetz beschrieben (Thews et al, 1989).

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Abb. 6: Zeitlicher Ablauf des Aktionspotentials bei intrazellulärer Ableitung an einer einzelnen Nervenfaser (Thews et al, 1989, S.60).

Bei diesem „Alles-oder-Nichts“ Gesetz kommt es in dem oben angeführten Beispiel jedoch nur zu einer Einzelkontraktion. Um eine vollständige Verkürzung des Muskels zu gewährleisten, ist eine hohe Dichte an solchen Signalen nötig. Je höher die Dichte von auftreffenden Aktionspotentialen ist, desto höhere Kräfte können vom Muskel erzeugt werden. „Eine maximale Verkürzung des Muskels ergibt sich erst durch eine Überlagerung mehrerer Reize. Durch diese Summation von Einzelreizen trifft jeder weitere Impuls auf einen bereits kontrahierten Muskel. Somit lagert sich die Zweite Kontraktion auf die Erste auf.“ (Reifberger, 2007)

Eine solche Überlagerung wird als Tetanus (Abb. 7) beschrieben. Die Dichte dieser Signale hängt von der Art der Bewegung ab. Für eine schnellkräftige Bewegung kommt es zu einer dichteren Überlagerung der Signale, im Gegensatz zu einer kontinuierlichen Ausdauerbewegung.

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Abb. 7: Schematische Darstellung der Überlagerung der Einzelzuckungen bis zur Entstehung einer tetanischen Kontraktion durch zunehmende Impulsfrequenz (nach Hartmann, Tünnemann, 1993).

3.8. Synapse:

Eine Synapse (Abb. 8) ist eine Verbindung zwischen den Endknöpfen eines Neurons und der Membran eines anderen Neurons. In der Synapse sind Transmitterrezeptoren und Neurotransmitter vorhanden, welche sich in den synaptischen Vesikeln befinden, wobei Neurotransmitter erst beim Ankommen eines Aktionspotentials in den synaptischen Spalt ausgeschüttet werden. Sie sind Überträgerstoffe, die in den Nervenendigungen freigesetzt werden und somit das Signal über den synaptischen Spalt in die Postsynapse weiterleiten. An der Membran der Postsynapse werden sie über Neurotransmitterrezeptoren wieder aufgenommen, was die Weiterleitung des Aktionspotentials ermöglicht. Ist keine Weiterleitung mehr möglich, das heißt, dass das Aktionspotential bereits auf einen Muskel trifft, kommt es durch das Auftreffen dieses Signals zur Zuckung des Muskels (Drenckhahn, 2003).

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Abb. 8: Details einer Synapse (Carlson, 2004, S.63).

3.9. Die Skelettmuskulatur:

Nicht nur für sportliche Leistungen ist eine Funktionsfähigkeit der Muskulatur von entscheidender Wichtigkeit.

Alltagsbewegungen werden ebenfalls von der Skelettmuskulatur getragen, daher ist sie enorm wichtig.

Bei der Frau kann die Muskulatur zwischen 30 und 35 % der Gesamtkörpermasse ausmachen. Beim Mann liegt dieser Wert zwischen 42 und 47 %. Durch Krafttraining, beziehungsweise körperliche Untätigkeit, kann dieser Wert entweder nach oben oder unten verschoben werden.

Grundsätzlich gibt es drei verschiedene Arten von Muskulatur.

Die Glatte Muskulatur befindet sich in den inneren Organen unseres Körpers. Sie arbeitet relativ langsam und praktisch ohne Ermüdung.

Die Skelettmuskulatur, welche auch als quergestreifte Muskulatur bezeichnet wird, bewegt den Körper und hält ihn gleichzeitig im Gleichgewicht.

Die dritte Art der Muskulatur ist die Herzmuskulatur. Sie ist eine Mischung aus der glatten Muskulatur und der Skelettmuskulatur. Sie ist wie die glatte Muskulatur nicht dem Willen unterworfen und ist äußerst ermüdungswiderstandsfähig. Wie die Skelettmuskulatur ist sie jedoch auch in der Lage intensiv zu arbeiten und schnell zu kontrahieren (Hartmann, Tünnemann, 1993).

Der Skelettmuskel (Abb. 9), der hier nun genauer beschrieben wird, besteht aus einer großen Zahl von Muskelfasern. Die Muskelfaser besteht wiederum aus kleineren Elementen, die als Myofibrillen bezeichnet werden. Diese Myofibrillen werden unterteilt in die kontraktilen Elemente Aktin und Myosin. Sie liegen zwischen zwei Z-Scheiben und werden als Sarkomer bezeichnet. Dieser kleinste Abschnitt ist zuständig für die eigentliche Kontraktion des Muskels. Es kommt zu einem Andocken des Myosinköpfchens an das Aktin, welche anschließend in eine 45° Stellung umklappen. Danach lösen sie sich wieder und der Prozess kann erneut stattfinden. Durch diesen Vorgang ist eine äußerlich sichtbare Muskelverkürzung möglich (Weineck, 1994).

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Abb. 9: Darstellung der Struktur des Skelettmuskels (Weineck, 1994).

Die Skelettmuskulatur wird weiter aufgeteilt in ST-Fasern und FT-Fasern. Die ST-Fasern sind sogenannte „slow-twich fibres“. Sie sind langsam kontrahierende Fasern, besitzen auf Grund ihres hohen Myoglobin Gehalts eine gute Ausdauerfähigkeit und werden hauptsächlich für Bewegungen unter 20 bis 25% der maximalen Kraftfähigkeit eingesetzt. Die „fast-twich-fibres“ haben im Vergleich dazu einen sehr geringen Myoglobin Gehalt und besitzen daher keine gute Ausdauerfähigkeit. Im Gegensatz zu den ST-Fasern können sie sehr hohe Kräfte entwickeln, besitzen eine hohe Kontraktionsgeschwindigkeit, entwickeln zehn Mal mehr Kraft und kontrahieren doppelt so schnell wie ST-Fasern (Hartmann, Tünnemann, 1993). Eine exakte Unterteilung, welcher Muskelfasertyp für welche Bewegung verwendet wird, kann jedoch nicht exakt ermittelt werden. Es kommen immer beide Fasertypen zum Einsatz, wobei einer der beiden dominanter ist.

3.9.1. Fiederungswinkel und Faserlänge:

Eine weitere Aufgliederung der Muskulatur kann über die Fiederung (Abb. 10) des Muskels gemacht werden. Parallelfaserige Muskel werden hauptsächlich für schnellkräftige Bewegungen verwendet. Die Hubhöhe, die erreicht werden kann, ist sehr groß, da jedoch der Gesamtquerschnitt relativ gering ist, kann die Bewegung nicht über lange Zeit durchgeführt werden. Für solche Bewegungen sind einfach und doppelt gefiederte Muskeln notwendig. Durch eine spezielle Form der Muskelsehne können sich bei gefiederten Muskeln mehr Fasern nebeneinander anordnen, wodurch sich der physiologische Querschnitt erhöht. Die maximale Kraft, die hier erreicht werden kann, ist deutlich höher, jedoch ist die Hubhöhe eines solchen Muskels geringer als bei einem parallelfaserigen Muskel. Gefiederte Muskeln sind beispielsweise in der Rumpfstabilisation vorhanden, parallelfaserige Muskeln hingegen in den Extremitäten, wie etwa dem biceps brachii (Faller, 1995).

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Abb. 10: Arten der Muskelfaseranordnung: a) Parallelfaseriger, b) einfach gefiederter und c) doppelt gefiederter Muskel (Weineck, 1996).

Untersuchungen haben gezeigt, dass sich durch ein gezielt durchgeführtes Krafttraining dieser Fiederungswinkel verändern kann. Aagaard et al (2001) konnten durch ein 14-wöchiges Krafttraining der unteren Extremitäten eine Zunahme des Fiederungswinkels im vastus lateralis um bis zu 35 Prozent darstellen. Diese Veränderung wird ebenfalls als Grund genannt, warum sich die Maximalkraft durch ein mehrwöchiges Krafttraining verändert.

3.9.2. Die motorische Einheit:

Eine motorische Nervenzelle, welche in den motorischen Kerngebieten des Hirnstamms beziehungsweise im Vorderhorn des Rückenmarks liegt, innerviert grundsätzlich viele Muskelfasern gleichzeitig. Die motorische Einheit (Abb. 11) besteht aus einer Nervenzelle und den innervierten Muskelfasern.

Die Übertragung eines Signals erfolgt an der motorischen Endplatte. Sie stellt eine Fläche von Nervenendigungen dar, um das Signal an einen möglichst großen Abschnitt des Muskels weiterleiten zu können.

Die Zahl von Muskelfasern, welche von einer Nervenzelle innerviert werden, ist sehr unterschiedlich. Das hängt sehr stark von der Bewegung ab. Für eine sehr feinmotorische Bewegung, wie etwa das Bewegen der Finger, werden von einer Nervenzelle nur etwa 100 bis 300 Muskelfasern innerviert. Das heißt, dass nur eine sehr kleine Anzahl an Muskelfasern zu einer motorischen Einheit gehört. Für Bewegungen mit einer gröberen Funktion werden von einer Nervenzelle bis zu 2000 Muskelfasern innerviert. Zu einer motorischen Nervenzelle gehören demnach 2000 Fasern (Drenckhahn, 2003).

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