Verknüpfung zwischen Gehirn- und Muskelaktivitäten

An der Interaktion zwischen Ermüdungsentwicklung und neuromuskulärer Aktivierung bewegungsaktiver Körperteile sind viele Aspekte des zentralen und peripheren Nervensystems beteiligt, allerdings sind die Faktoren, die diese Interaktionen beeinflussen, noch kaum erforscht.

Das zweijährige Forschungsprojekt "The interaction between the central and peripheral exercise-related fatigue" (ICPEF) entwickelte mathematische Modelle dieser Wechselwirkungen. Schwerpunkt waren computergestützte Methoden zur Auswertung von EMG-Daten (Elektromyographie) und EEG-Daten (Elektroenzephalogramm) vor, während und nach der Ermüdung. Hierfür wurde mittels EMG der neuronale Stimulus auf den Muskel und mittels EEG der motorische Kortex untersucht, um Zusammenhänge herzustellen.

Das Projekt entwickelte ein innovatives Modell zur Analyse von Signalen aus den kortikalen Arealen zum Pool motorischer Neuronen. Mit diesem Modell gelang es, auf Basis kortikomuskulärer Kohärenz die kortikospinale Konnektivität zu ermitteln. Neben dem Modell wurden drei neue Signalverarbeitungsmethoden für HDsEMG (high-density surface EMG) und EEG-Analysen entwickelt. Die Methoden ermöglichten es, in vivo die neuromuskuläre Aktivität bei natürlichen Bewegungsabläufen des Menschen zu untersuchen.

Für das erste Verfahren wurde eine bestehende Technik weiterentwickelt, die so genannte EMG-EMG-Kohärenz. Eine neuartige Mehrkanaltechnik erlaubt es, gemeinsame synaptische Eingänge für Motorneuronen zu detektieren. Die Technik geht dabei über die Möglichkeiten des Oberflächen-EMG hinaus. Das zweite Verfahren ermöglicht die automatische Erkennung von Artefakten in einem Multikanal-EEG. Mit statistischen Methoden können dann verschiedene EEG-Artefakte wie Augen-, Mund- und Kopfbewegungen identifiziert werden.

Die dritte von ICPEF entwickelte Methode enthüllt den Zusammenhang zwischen kortikaler und muskulärer Aktivität, insbesondere die Beziehungen zwischen einzelnen Motoreinheiten und kortikalen Oszillationen. Verglichen mit der herkömmlichen kortikomuskulären Kohärenz liefert der neue Ansatz konsistentere Ergebnisse über kürzere Zeiträume und eignet sich eher für Online-Anwendungen.

Die neuen Methoden ermöglichen die nicht-invasive Analyse neuronaler Determinanten für Bewegung und könnten damit für die klinische Praxis von Bedeutung sein.