Z. Orthop. 128 (/ 990)
Über die proprioceptive Regulation des Stehens beim Menschen Eine elektromyographische Un tersuchung n. :).
Hufschm idt' ; G. SelP
' Müllheim/Baden l Bonn
Zusa mmenfassu ng Es werden elekt ro myo grap hische Versuche zum Stehvo rga ng beschrieben . Durch eine n kur zen St oß in anteriore r oder posteriorer Richtung wird die Bala nce plöt zlich gestört, wodu rch es zu Ada ptation srea ktio nen in den bet re ffen den Mu skeln kommt, die nach 60 bis 90 msec a uftrete n. Sie sind willkürlicher Natu r, werden durch das Stehenlernen automatisiert, lassen sich aber durch die Willkür voll beeinflussen . Es wird
gezeigt daß es sich wahrscheinlich um Reaktionen nach I
Reizun g tiefer Mechano- und Gelenk recept or en handeln muß . Funktio nelle Dehnungsreflexe sind nicht die G ru ndlage dieser Reak tion en . On the Propri orecepti ve Regul ation of Stan di ng in Human s Electromyographic experimen ts, undertaken in con nection with action of sta nding, are here described . A short, sharp push given in an anterio r or po sterior direction caused an abrupt upse tting o f
balance, whereby adaptive reactions of the relevant mu scles were fo und to occur after an interva l o f 60 to 90 msecs. Th ese reactio ns, although havi ng become a utomatie as a result of the early - acquired upright po sture, are in fact o f a vo luntary natu re and full y co ntrollab le by the will . It is demonstrated that these reaction s are ver y probably du e to stimulatio n o f deep mec ha no- and joint -recepto rs. T hey do not hav e a nything to do with a functio nal stretc hreflex mech ani sm.
Ei nleitung Proprioceptive, vestibuläre und op tische A fferen zen steuern den Stehmechanismu s, der am koordinativen Spie l der beteiligten Muskelgruppen ab gelesen werd en ka nn . Am leicht esten lä ßt sich da s myogra phische Bild nach St örung der proprioc eptiven A fferen zen interpretieren . Siehe a uch Diet z u . Mit arb. (1980), so wie Hufs chmidt und Mauritz (1984). Während die o ptischen Z. Ortbop . 128 ( 1990) 16-20
© 1990 F. Enke Verlag Sruuga n
A fferen zen durch Au genschlu ß sofort ausz uschalten sind , stehen gewö hnlich Patienten mit doppelseitiger Labyrinthecto mie, mit einem ko mplett en Au sfall der vesti bulären Info rmatio nen nicht zu Verfügung. Doch gibt es in dieser Richt ung eine Arb eit vo n Risto w und H ufschm idt (1966) in welche r äh nliche Störungen des Ste hvo rga nges im Bereiche de r Rückenmu skulatur unt ersucht wurden. Hier zeigte der Stoßvers uch bei ko mp lette m La byrint ha usfall keine Veränderung des myographi schen Abl au fes. Zu dem ist bekannt, Nashner (1973, 1976), daß die Lat enz einer myographi schen Reakt io n auf Vestibul arisreiz erst nach 200 msec zu erwarten ist. Die kurzen Reakti on en sind sicherlich proprio ceptiv gesteuert. Sie liegen zwischen 60 und 80 msec. Es erhebt sich die Frage ob es sich um .Jo ng loo p Reflexe" über die Mu skelspindeln handelt , siehe Phillips (1969), o b sie den " fun kti on ellen stretc h reflex" M elvill Jones u . Mit a rb. (1971), Gottlieb u . Mit arb. (1973) zuzuord nen sind, oder ob es sich um bewußte kurze Reaktio nen auf Reizung vo n tiefen Mechano- oder Ge lenkrecepto ren handelt , Hufschmidt (1986). Unsere Ergebnisse sprechen fü r eine de m Mensch en ange bo rene willkü rliche , mit dem Bewußt sein eng verk nüpfte Reak tionsweise, die sich im Lau fe der kind lichen Entwicklung autom atisiert hat.
Met hod ik U m generell eine quantitative A ussage über die elektrornyog raphisch meßbare Lat enz der Bein- und Rump fmuskulat ur bei Störung des Gleic hgewichtes ma chen zu können , gen ügt eine einfache Me th ode: de r mit geschlossenen Augen stehende P ro ba nd wird von dem Versuchsleiter kurz und kräftig nach vor ne oder hinten gestoßen. Der Sto ßkontakt, au f Bru st oder Rücken a ngelegt, löst den "sweep" des Oscillographen au s. A bgeleitet wird bipolar mit Haut elektroden , die jeweils in einem Abstand vo n 6-8 cm pla ziert sind . Ge legentlich wurden die Rea kt ionen gemitte lt, doch zeig te sich , daß die Zeiten nur wenig streuten: sie liegen vom Kö rperstamm bis zum Untersche nkel zwischen 60 und 80 rnsec, wo bei die Sta ndardabweichung 15 msec betrug. Gewöhnlich wu rde der Stoß auf den Vertebra prom inen s bzw. das Sternum appliziert. Der Stoß mußte stark genug sein , um dem Körp er das Ü bergewicht zu geben , darüber hatte die Stärke des Sto ßes keinen Einfluß mehr auf die Laten z. Wir unt ersucht en 7 neu ro logisch gesunde Personen, zwischen 2 1 und 57 Jahren. Es gelang den Versu chspe rsonen nach kur zer Üb ung sich willkürlich
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Ober die proprioceptive Regulation des Stehens beim Menschen
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auf den Stoß hin fa llen zu lassen , und somit die Gegenreak tion willkü rlich zu unterdrücken. Um den Einfluß gesteigerter Dehnungsreflexe zu studieren untersuchten wir mit der gleichen Met hode 4 Hemispa stiker.
Erge bnisse
Wird der Körper der Versuch sper son nach vorne gestoßen, kompensieren alle dem Stoß entgegengerichteten Muske ln die Störung der Balance, wie dies rein schematisch in Abb . I dargestellt ist. In Ab b. 2 liegt die Reaktion de r Rückenmu sku latu r• im mittleren Anteil des Tru ncus, bei 70 msec, während die Bauc hmuskulatur (obere Ab leitung) vollkommen ruhig bleibt. In Abb . 3 ist die Reaktion des Biceps femor is und des Ga strocnemius aufgezeichnet. Die Werte von zwei Versuchspersonen zeigen die individuelle Streubre ite. a ) Biceps femoris (obere Ab leitung) und Gastro cnemi us (untere Ableitung) reagieren synchron nach 70 bis 80 msec.
Stau nl d hinten
vorne
,Abb. 1 Beim Stoß nach hinten reagieren mit einer Latenz von 70-90 msec der Tlbialis anterior , der Rectu s femoris und die Bauchmuskulatur. Beim Stoß nach vorne reagieren mit gleicher Latenz der Gastroc nemius, der Biceps fem oris und die mitt lere paravertebrale Muskulatur
b) Bei einer anderen Versuch sperson trat die Reaktion des Biceps bei 80 msec und die des Ga strocnemius konstant nach 100 rnsec auf. Im Allgemeinen zeigten die Reaktionszeiten des Gastrocnemius beim Stoß nach vorne etwa s längere Werte als die Rücken- un d Oberschenkelmusku latur.
Stoss nleh
Stoss
Bauch Muskulatu r
~
nach
,..
Erector
trunc i
B. Stoß nach hinten. (siehe auch da s Schema in Abb. I) In Abb. 4 erscheint die kompensato rische Rea ktion in der Bauc hm usku latur nach 70 msec, während in Abb. 5 die Reaktion des Rectu s femoris und Ti bialis anterior meist gleichzeitig zwischen 70 und 80 msec zu liegen ko mmt.
vorne
fV-
Abb.2 Darstellung der elektromvoq raphischen Reaktion des Erecto r trunci beim Stoß nach vorn e. Laten z ca. 60 msec. Die Bauchmuskulatur bleibt stumm
100 m sec
Von Interesse ist der Befund , daß beim Stoß nach hinten im Obersche nkelbereich au ch der Biceps femoris synchron mit de m Rectu s im Sinne der Gelenk Versteifung ak tiviert wird . C. Willk ürliche Unterdr ückung Abb . 6a zeigt die Balance-Reaktion bei einem Stoß na ch hinten: nach 80 msec wird der Rectus, nach 130 msec wird der Extensor digit . bre vis akti viert. Wenn die Versuch sper son willkürlich diese Kompensation unterdrückt und sich nach hint en fa llen läßt , wird auch, wie Abb. 6b zeigt, die elekt romyographische Rea ktion der beteiligten Muskeln reduziert bzw . aufgehoben. Diesen Wegfall rnyographisch registriert er Balance-Reaktionen durch willkür liches " sich fa llen lassen " konnten wir in allen untersuchten Mu skelgruppen finden .
D. Balance einer knienden Versuchsperson Wird eine kn iende Versuch sper son nach vorne gestoßen, kompensiert den drohenden Fall nicht nur die gedehnte Rückenm uskulatur, sondern auch ungedehnte, dem prospektiven Ab stüt zen dienende Muskulatur, wie der Deltoideus, der Tr iceps und die Streckmuskeln der
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A . Stoß nach vorne
Z. Orthap. 128 (/990) Stu ss
H.-i . Hufschmidt, G. Seil
nach vorne
Abb . 3 Die Reaktion des Biceps Iemor is und des Gastroc nemius beim Stoß nach vorne . Vergleic h von 2 Versuchspersonen. Demon strat ion der geringen individuel len Streu breit e
Bieeps femoris
Gastrae nemius
Stass
ud hi,tu
lu ch Masculatar
Ereetar t runci
'-~
-1
100 m sec
Abb.4 Beim Stoß nac h hinten reagiert die Bauchm uskulatur mit einer Latenz von 60 msec, während der Erector tru nci stumm bleibt Abb.5 Beim Stoß nach hinten reagierten der Rectus fem oris und der Tibialis anterior nach 90 msec
BiI::eps femoris
hetus h mar is
6astroc nemius
Ti b. an ter iar
WiIIll iirlic ll
S i e k h ll u
St ass Non",I,
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Abb . 6a Beim Stoß nac h hint en reagiert die Versuchsperson inn erhalb von 60 m sec m it dem Aectu s femoris. wäh rend der kleine Fußmuskel. der Extensor dig . brev. w egen seiner peripheren Lage erst nach 130 msec aktiv wi rd
Abb. 6b Wen n die Versuch sperson auf den Stoß hin sich wi llkürlich fallen läßt, tritt keine Reaktion in den betreffenden Mu skeln auf
Abb . 7a Elektr ischer Hau treiz auf die Patella und Willkü rreakti on des Rectus femoris nach 120 msec Abb . 7b Die Willkürreakt ion nach einem leichten Schlag auf die Patella: Latenz 70 msec . Der fehlende m on osyna pti sche Reflex zeigt , daß der Rectu s durch den Schlag nicht reflektorisch erregt w urde
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Ober die p roprioceptive Regulatio n des Stehens beim Menschen
Stoss nach hinten
re Rectus femoris
l i~ Schwere Spast i k
linksseitige
Abb. 8a Stoß· Ve rsuch nach hinten bei einer schwe ren, linksseitigen Spastik. Der linke Rectus ferneris zeigt spastische Grundinnervation, aber keine den Stand regulierende Reaktion
Abb. 8b Der glei· che Ve rsuch bei einer leichten linksseitigen Spastik zeigt eine deut lich verzögerte Reaktion, 14 0 msec
IOD m sec Stoss
nach hinten
die linke Tibi akante oder die Patella verglichen (b) . Die erste Reaktion liegt im Durchschnitt bei 120 msec, die zweite zwischen 60 und 70 msec. Man kann. wie einer von uns zeigte, Hufschmidt (1986), solche raschen Reaktionen auch durch Reizung der Haarbalg-Receptoren auslösen. d. h. ohne jegliche Muskelspind el-Reizung, F. Balance- Versuche mit Hemispastikern Jun g und Dietz (1975) zeigten, daß der Hemispastiker mit der spastischen Seite wesentlich langsamer reagiert, als mit der gesunden Seite. Wir sahen die gleiche Differenz bei unseren Stoßversuchen , siehe Abb . 8a und b. Wir nehmen an. daß dieses Ergebnis auch ein Beweis für die willk ürlich-corticale Kompensation der Balancestörung ist. In Abb . 8a tritt auf der gesunden Seite beim Stoß nach hinten die kompen satorische Reaktion nach 90 msec auf, während sich auf der Seite der hier erheblichen Spastik überh aupt keine Reakti on abzeichn et . In Abb . 8b komm t es auf der gesunden Seite nach 70 msec und auf der spastischen Seite nach 140 msec zu einer Reaktion . Wir fanden den Eintritt der Korrektur auf der spastischen Seite stets verzögert. Diskussion
leichte Spastik
linksseitige
Hände . Die Reaktionswerte liegen in der gleichen Größenordnun g zwischen 60 und 70 msec. Dieser Versuch ist wichtig; denn er demon striert den Ablauf eines Stützprogrammes, welches nicht reflektorisch sondern willkürli ch im Zuge eines Lernprogramm es in der Kindheit aufgebaut worden sein muß ,
E. Rasche Reaktion durch Reiz von Mechano- und Gelenkreceptoren Da die Kürze der kompen satorischen Reaktion einerseits für ein reflektori sches Geschehen über die Muskelspindeln (longloop-Reflex), ande rerseits für eine rasche Willkürreaktion über tiefe Mechanoreceptoren, bzw. die Gelenkreceptoren spricht, siehe Hufschmidt (1986), untersuchten wir eine bewußte Reaktion der benachbarten Muskeln nach einem Schlag für die Tibia, bzw . die Mitte der Patella hin . Dies führt zu einer lokal begrenzten Erschütterung ohne nennenswerte Muskeldehnung. In Abb . 7a und b wird die Willkürreaktion des rechten Rectus femori s auf einen Hautreiz am linken Knie (a) mit einer Reaktion des Muskels nach Schlag auf
Über deta illierte elektromyographische Untersuchungen bei einem für kurze Zeit gestörten Stehvorgang bericht en Hufschmidt und Mauritz (1984), sowie Dietz und Mita rb. (1980) und Die tz (1984). Die hier gemessenen Reaktion swerte liegen wie die unsrigen zwischen 60 und 80 rns, werden aber als Spind el-long-Ioop , siehe Phi!Iips (1969) oder segmenta le Dehnungsrefle xe auf'gefaßt. Immerhin wird eingeräumt, Huf schmidt u. Mauritz (1984), daß auch bei Patienten mit fehlenden monosynaptisch en Reflexen die raschen Reaktion en zu finden sind . Herman u. Mitarb. (1973) haiten die unte r Ausschluß des Vestibularisanteiles gefundenen kurzen Reaktionen ebenfalls für funktionelle Dehnungsreflexe. Die Theorie dieser von den Muskelspindeln ausgehenden über den Cortex laufenden Reflexe basiert auf den Untersuchungen von Marsden u. Mitarb. (1972, 1976, 1977). Wir, Huf schmidt (1986), halten die kurzen Reaktionen für WilIkürakte auf Reizung von Gelenk- und tiefen Mechanoreceptoren hin. Gelingt es doc h, diese Reaktionen über die Mechanoreceptoren der Haarbälge auszulösen, d. h. ohne jegliche Beteiligung von Muskelspindeln. Gelenk- und tiefe Mechanoreceptoren sind eindeutig cortical repräsentiert und damit in eine bewußte Tätigk eit voll integrierbar. Ob die Impulse aus den Muskelspindeln als kinaesthetische Informationen ins Bewußtsein treten scheint uns fraglich, obgleich Mc Closkey (1978) einen indirekten Beweis über die Vibrationsempfindun g glaubt führen zu können . Wir haben in der Arb eit von Linke (1978) über einen Fall doppe lseitiger sensibler Trigeminusausschaltung einen Gegenbewei s: Trotz erhaltener Spindelafferenzen, die bekanntlich zusammen mit den motori schen Fasern in der portio minor verlaufen. siehe Szentagothai (1948), war es dem völlig in Gaumen- und Z ungenbereich anaesthetischen Patienten unmöglich die Zungenmuskulatur kinaesthetisch zu kontrollieren .
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Versuch mit Hemispast ikern
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H i-J, Hufschm idt, G. Seil: Ober die proprioceptive Regulation des Stehens beim Men schen
Weiterhin konnten wir nachwei sen, daß die in allen unt ersuchten Muskeln gefundenen raschen Adaption smechani smen willkürlich unt erd rückt werden können. Das ist im Widersp ruch zu einem Reflexvorgang. Die Untersuchungen an Hemispastikern zeigen Verzögerungen au f der betr offenen Seite, die nur zentra ler Natu r sein könn en und sich schwer reflektorisch erk läre n lassen; denn auf der spastischen Seite sind ja mono- und po lysynaptische Muskelspinde l-Reflexe gesteigert . Diese Verzögeru ng entspricht der von Jun g u. Dietz (1975) gefu ndenen Verlangsam urig von willkürlichen Reaktionen beim Hemispastiker. Wir möchten desha lb die hier elektromyographisch fixierten Werte um 70 msec als willkürliche Primärreaktion durch stoßartig induzierte Gelenk- oder Mechanoreceptorenreize auffassen. Diese Reakt ion gehö rt zum spezifisch menschlichen Willkürprogramm des Stehens, eine Fähi gkeit. die eng mit dem Bewußtsein verbunden ist. also eher ein Akt des Wollens, als eine Kette von Reflexen . Beim Stehenlern en im frühen Kindesalter entwickeln diese Reakt ionen einen gewissen Aut omatismus. der aber willkürl ich unt erdrückt werden kann. Äh nliche Gedankengän ge au s anatomisch-palaeoanthropologischer Sicht findet man bei Lovejoy (1989). Das Stehen und Gehen im Verlaufe der Entwicklung der Hominiden beruht eher auf der Entwicklung eines bewußten Willk ürp rogramrnes, als auf einer mod ifizierte n Reflexkette; den n mit dem Ste hen und Gehen mu ß sich das Gesamtverhal ten geändert hab en .
Literatur Diell" V., K.-H . Mauritz. J. Dichgans: Body oscillation s in ba lancing due to segmenta l strerch refl ex activity. Exp. Brain Res. 40 (1980) 89 Dinz. V.: Elektrophysiologie ko mplexer Bewegun gsabl äufe. In: Berger u. Mitarb.: Hahung und Bewegung beim Menschen . Spri nger Heidelberg (1984) 87
Goutieb, G. L. , G. C. A garwat: Po srur al ada pration, the nature of adaptive mechanisms in the human motor system. In: Comrol o f po sture and 10com otio n Ed. by R. B. Stein u . Mit ar b . Plenum Press New York (1973) 197 Herman. R . u . Mitarb.: Control of postural reaction in man : rhe initia tion o f gai t. In : Cont rol o f postute and locomotion Ed . by R. R. Stein u. Mita rb. Plenum Press New York (1973) 363 Huf schm idt, A ., K.-H . Mauritzt Physiologie und Pathophysiologie des auf rechten Stehens. In : Berger u. Mita rb . Haltung und Bewegung beim Menschen, Springer Heidelberg (1984) 65 Huf schmidt, H .-i .: Long loop conrro l mechani sm or short reactlo ns in human voluruary movement. Die Natu rwissenscha fte n 73 (1986) 329 Jung, R. , V. D ien: ve rz ögerte r Sta rt der Willkürbewegung bei Pyramidenläsionen des Menschen. Arch . Psychiatr. Nervenkr , 221 (1975) 87 Lin ke, D.: Vor programmierung und Rückkopplung bei der Spra che. in: Interaktion zwischen Artikulation und aku stischer Perzept ion . Sympos ium O ffenb ach. Tbieme Stuttgart (1978) 50 L ovejoy, C. 0 .: Die Evolution des a ufrech ten Ganges. Spekt rum der wlss. t (1989) 92 Ma rsden. C. 0 ., P. A. Merton. H . B. M OTIOn:Servo actio n in human volun ta ry co nt rol . Nat ure (Londo n) 238 (1972) 140 M orsden. C. D.• P. A. M enon , H. B. Morton: Servo acti on in human posture. J . Ph ysiol. (Lond on) 263 (1976) 187 s tarsden. C. D., P. A . M enon . H. B. MOTIon: Tbe sensory mechani sm of servo action in human mu scle. J . Physiol. (London) 265 (1977) 521 McCloskey , D . J.: Kinesthe uc sensibility. Ph ysio l. Review 58 (1978) 763 M el vilJJenes, G., D. G. D . Wall: Ob serva tions on the control of stepping and hopping rnovement s in man . J . Physiol. (London) 219 (1971) 709 Nashner, L. M .: Vestibula r a nd refle x control of normal sta ndi ng. In : Co ntr ol of postu re a nd locomotion . Ed. by R. B. Stein u. Miterb . Plenum Press New Yor k (1973) 291 Nashner, L. M .: Adap ting reflexes controlling the huma n pos ture, Exp. Brai n Res. 26 (1976) 59 PhilIips, C. G.: Mo tor ap para tus of the baboon ' s hand . Pro c. Roy. Soc. B. 173 (1969) 14 1
RisIOW. W . • H .-J. H uf schmidt: Obe r den Einfluß der temporä ren Ausscha ltung eines v estibulara pparates a uf die Rumpfm usku latu r des Menschen . Elektr omyo gra phische Untersuchungen . Ar ch . klin. exp . Ohr en-, Nasen - u, Kehlkopfheilk . 186 (1966) 171 Szentagothoi. J.: Anatomical con sideratio ns of mon osyna ptic reflex ares. J . Neurophy siol. 11 (1948) 445
Prof . DT. med. H.-Joachim Huf schmidI Weinstra ße 2 7840 Müllheim 15
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Über die proprioceptive Regulation des Stehens beim Menschen Eine elektromyographische Un tersuchung n. :).
Hufschm idt' ; G. SelP
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Zusa mmenfassu ng Es werden elekt ro myo grap hische Versuche zum Stehvo rga ng beschrieben . Durch eine n kur zen St oß in anteriore r oder posteriorer Richtung wird die Bala nce plöt zlich gestört, wodu rch es zu Ada ptation srea ktio nen in den bet re ffen den Mu skeln kommt, die nach 60 bis 90 msec a uftrete n. Sie sind willkürlicher Natu r, werden durch das Stehenlernen automatisiert, lassen sich aber durch die Willkür voll beeinflussen . Es wird
gezeigt daß es sich wahrscheinlich um Reaktionen nach I
Reizun g tiefer Mechano- und Gelenk recept or en handeln muß . Funktio nelle Dehnungsreflexe sind nicht die G ru ndlage dieser Reak tion en . On the Propri orecepti ve Regul ation of Stan di ng in Human s Electromyographic experimen ts, undertaken in con nection with action of sta nding, are here described . A short, sharp push given in an anterio r or po sterior direction caused an abrupt upse tting o f
balance, whereby adaptive reactions of the relevant mu scles were fo und to occur after an interva l o f 60 to 90 msecs. Th ese reactio ns, although havi ng become a utomatie as a result of the early - acquired upright po sture, are in fact o f a vo luntary natu re and full y co ntrollab le by the will . It is demonstrated that these reaction s are ver y probably du e to stimulatio n o f deep mec ha no- and joint -recepto rs. T hey do not hav e a nything to do with a functio nal stretc hreflex mech ani sm.
Ei nleitung Proprioceptive, vestibuläre und op tische A fferen zen steuern den Stehmechanismu s, der am koordinativen Spie l der beteiligten Muskelgruppen ab gelesen werd en ka nn . Am leicht esten lä ßt sich da s myogra phische Bild nach St örung der proprioc eptiven A fferen zen interpretieren . Siehe a uch Diet z u . Mit arb. (1980), so wie Hufs chmidt und Mauritz (1984). Während die o ptischen Z. Ortbop . 128 ( 1990) 16-20
© 1990 F. Enke Verlag Sruuga n
A fferen zen durch Au genschlu ß sofort ausz uschalten sind , stehen gewö hnlich Patienten mit doppelseitiger Labyrinthecto mie, mit einem ko mplett en Au sfall der vesti bulären Info rmatio nen nicht zu Verfügung. Doch gibt es in dieser Richt ung eine Arb eit vo n Risto w und H ufschm idt (1966) in welche r äh nliche Störungen des Ste hvo rga nges im Bereiche de r Rückenmu skulatur unt ersucht wurden. Hier zeigte der Stoßvers uch bei ko mp lette m La byrint ha usfall keine Veränderung des myographi schen Abl au fes. Zu dem ist bekannt, Nashner (1973, 1976), daß die Lat enz einer myographi schen Reakt io n auf Vestibul arisreiz erst nach 200 msec zu erwarten ist. Die kurzen Reakti on en sind sicherlich proprio ceptiv gesteuert. Sie liegen zwischen 60 und 80 msec. Es erhebt sich die Frage ob es sich um .Jo ng loo p Reflexe" über die Mu skelspindeln handelt , siehe Phillips (1969), o b sie den " fun kti on ellen stretc h reflex" M elvill Jones u . Mit a rb. (1971), Gottlieb u . Mit arb. (1973) zuzuord nen sind, oder ob es sich um bewußte kurze Reaktio nen auf Reizung vo n tiefen Mechano- oder Ge lenkrecepto ren handelt , Hufschmidt (1986). Unsere Ergebnisse sprechen fü r eine de m Mensch en ange bo rene willkü rliche , mit dem Bewußt sein eng verk nüpfte Reak tionsweise, die sich im Lau fe der kind lichen Entwicklung autom atisiert hat.
Met hod ik U m generell eine quantitative A ussage über die elektrornyog raphisch meßbare Lat enz der Bein- und Rump fmuskulat ur bei Störung des Gleic hgewichtes ma chen zu können , gen ügt eine einfache Me th ode: de r mit geschlossenen Augen stehende P ro ba nd wird von dem Versuchsleiter kurz und kräftig nach vor ne oder hinten gestoßen. Der Sto ßkontakt, au f Bru st oder Rücken a ngelegt, löst den "sweep" des Oscillographen au s. A bgeleitet wird bipolar mit Haut elektroden , die jeweils in einem Abstand vo n 6-8 cm pla ziert sind . Ge legentlich wurden die Rea kt ionen gemitte lt, doch zeig te sich , daß die Zeiten nur wenig streuten: sie liegen vom Kö rperstamm bis zum Untersche nkel zwischen 60 und 80 rnsec, wo bei die Sta ndardabweichung 15 msec betrug. Gewöhnlich wu rde der Stoß auf den Vertebra prom inen s bzw. das Sternum appliziert. Der Stoß mußte stark genug sein , um dem Körp er das Ü bergewicht zu geben , darüber hatte die Stärke des Sto ßes keinen Einfluß mehr auf die Laten z. Wir unt ersucht en 7 neu ro logisch gesunde Personen, zwischen 2 1 und 57 Jahren. Es gelang den Versu chspe rsonen nach kur zer Üb ung sich willkürlich
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Ober die proprioceptive Regulation des Stehens beim Menschen
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auf den Stoß hin fa llen zu lassen , und somit die Gegenreak tion willkü rlich zu unterdrücken. Um den Einfluß gesteigerter Dehnungsreflexe zu studieren untersuchten wir mit der gleichen Met hode 4 Hemispa stiker.
Erge bnisse
Wird der Körper der Versuch sper son nach vorne gestoßen, kompensieren alle dem Stoß entgegengerichteten Muske ln die Störung der Balance, wie dies rein schematisch in Abb . I dargestellt ist. In Ab b. 2 liegt die Reaktion de r Rückenmu sku latu r• im mittleren Anteil des Tru ncus, bei 70 msec, während die Bauc hmuskulatur (obere Ab leitung) vollkommen ruhig bleibt. In Abb . 3 ist die Reaktion des Biceps femor is und des Ga strocnemius aufgezeichnet. Die Werte von zwei Versuchspersonen zeigen die individuelle Streubre ite. a ) Biceps femoris (obere Ab leitung) und Gastro cnemi us (untere Ableitung) reagieren synchron nach 70 bis 80 msec.
Stau nl d hinten
vorne
,Abb. 1 Beim Stoß nach hinten reagieren mit einer Latenz von 70-90 msec der Tlbialis anterior , der Rectu s femoris und die Bauchmuskulatur. Beim Stoß nach vorne reagieren mit gleicher Latenz der Gastroc nemius, der Biceps fem oris und die mitt lere paravertebrale Muskulatur
b) Bei einer anderen Versuch sperson trat die Reaktion des Biceps bei 80 msec und die des Ga strocnemius konstant nach 100 rnsec auf. Im Allgemeinen zeigten die Reaktionszeiten des Gastrocnemius beim Stoß nach vorne etwa s längere Werte als die Rücken- un d Oberschenkelmusku latur.
Stoss nleh
Stoss
Bauch Muskulatu r
~
nach
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Erector
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B. Stoß nach hinten. (siehe auch da s Schema in Abb. I) In Abb. 4 erscheint die kompensato rische Rea ktion in der Bauc hm usku latur nach 70 msec, während in Abb. 5 die Reaktion des Rectu s femoris und Ti bialis anterior meist gleichzeitig zwischen 70 und 80 msec zu liegen ko mmt.
vorne
fV-
Abb.2 Darstellung der elektromvoq raphischen Reaktion des Erecto r trunci beim Stoß nach vorn e. Laten z ca. 60 msec. Die Bauchmuskulatur bleibt stumm
100 m sec
Von Interesse ist der Befund , daß beim Stoß nach hinten im Obersche nkelbereich au ch der Biceps femoris synchron mit de m Rectu s im Sinne der Gelenk Versteifung ak tiviert wird . C. Willk ürliche Unterdr ückung Abb . 6a zeigt die Balance-Reaktion bei einem Stoß na ch hinten: nach 80 msec wird der Rectus, nach 130 msec wird der Extensor digit . bre vis akti viert. Wenn die Versuch sper son willkürlich diese Kompensation unterdrückt und sich nach hint en fa llen läßt , wird auch, wie Abb. 6b zeigt, die elekt romyographische Rea ktion der beteiligten Muskeln reduziert bzw . aufgehoben. Diesen Wegfall rnyographisch registriert er Balance-Reaktionen durch willkür liches " sich fa llen lassen " konnten wir in allen untersuchten Mu skelgruppen finden .
D. Balance einer knienden Versuchsperson Wird eine kn iende Versuch sper son nach vorne gestoßen, kompensiert den drohenden Fall nicht nur die gedehnte Rückenm uskulatur, sondern auch ungedehnte, dem prospektiven Ab stüt zen dienende Muskulatur, wie der Deltoideus, der Tr iceps und die Streckmuskeln der
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A . Stoß nach vorne
Z. Orthap. 128 (/990) Stu ss
H.-i . Hufschmidt, G. Seil
nach vorne
Abb . 3 Die Reaktion des Biceps Iemor is und des Gastroc nemius beim Stoß nach vorne . Vergleic h von 2 Versuchspersonen. Demon strat ion der geringen individuel len Streu breit e
Bieeps femoris
Gastrae nemius
Stass
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lu ch Masculatar
Ereetar t runci
'-~
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100 m sec
Abb.4 Beim Stoß nac h hinten reagiert die Bauchm uskulatur mit einer Latenz von 60 msec, während der Erector tru nci stumm bleibt Abb.5 Beim Stoß nach hinten reagierten der Rectus fem oris und der Tibialis anterior nach 90 msec
BiI::eps femoris
hetus h mar is
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Ti b. an ter iar
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Abb . 6a Beim Stoß nac h hint en reagiert die Versuchsperson inn erhalb von 60 m sec m it dem Aectu s femoris. wäh rend der kleine Fußmuskel. der Extensor dig . brev. w egen seiner peripheren Lage erst nach 130 msec aktiv wi rd
Abb. 6b Wen n die Versuch sperson auf den Stoß hin sich wi llkürlich fallen läßt, tritt keine Reaktion in den betreffenden Mu skeln auf
Abb . 7a Elektr ischer Hau treiz auf die Patella und Willkü rreakti on des Rectus femoris nach 120 msec Abb . 7b Die Willkürreakt ion nach einem leichten Schlag auf die Patella: Latenz 70 msec . Der fehlende m on osyna pti sche Reflex zeigt , daß der Rectu s durch den Schlag nicht reflektorisch erregt w urde
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Z. Orthop. 128 (/990)
Ober die p roprioceptive Regulatio n des Stehens beim Menschen
Stoss nach hinten
re Rectus femoris
l i~ Schwere Spast i k
linksseitige
Abb. 8a Stoß· Ve rsuch nach hinten bei einer schwe ren, linksseitigen Spastik. Der linke Rectus ferneris zeigt spastische Grundinnervation, aber keine den Stand regulierende Reaktion
Abb. 8b Der glei· che Ve rsuch bei einer leichten linksseitigen Spastik zeigt eine deut lich verzögerte Reaktion, 14 0 msec
IOD m sec Stoss
nach hinten
die linke Tibi akante oder die Patella verglichen (b) . Die erste Reaktion liegt im Durchschnitt bei 120 msec, die zweite zwischen 60 und 70 msec. Man kann. wie einer von uns zeigte, Hufschmidt (1986), solche raschen Reaktionen auch durch Reizung der Haarbalg-Receptoren auslösen. d. h. ohne jegliche Muskelspind el-Reizung, F. Balance- Versuche mit Hemispastikern Jun g und Dietz (1975) zeigten, daß der Hemispastiker mit der spastischen Seite wesentlich langsamer reagiert, als mit der gesunden Seite. Wir sahen die gleiche Differenz bei unseren Stoßversuchen , siehe Abb . 8a und b. Wir nehmen an. daß dieses Ergebnis auch ein Beweis für die willk ürlich-corticale Kompensation der Balancestörung ist. In Abb . 8a tritt auf der gesunden Seite beim Stoß nach hinten die kompen satorische Reaktion nach 90 msec auf, während sich auf der Seite der hier erheblichen Spastik überh aupt keine Reakti on abzeichn et . In Abb . 8b komm t es auf der gesunden Seite nach 70 msec und auf der spastischen Seite nach 140 msec zu einer Reaktion . Wir fanden den Eintritt der Korrektur auf der spastischen Seite stets verzögert. Diskussion
leichte Spastik
linksseitige
Hände . Die Reaktionswerte liegen in der gleichen Größenordnun g zwischen 60 und 70 msec. Dieser Versuch ist wichtig; denn er demon striert den Ablauf eines Stützprogrammes, welches nicht reflektorisch sondern willkürli ch im Zuge eines Lernprogramm es in der Kindheit aufgebaut worden sein muß ,
E. Rasche Reaktion durch Reiz von Mechano- und Gelenkreceptoren Da die Kürze der kompen satorischen Reaktion einerseits für ein reflektori sches Geschehen über die Muskelspindeln (longloop-Reflex), ande rerseits für eine rasche Willkürreaktion über tiefe Mechanoreceptoren, bzw. die Gelenkreceptoren spricht, siehe Hufschmidt (1986), untersuchten wir eine bewußte Reaktion der benachbarten Muskeln nach einem Schlag für die Tibia, bzw . die Mitte der Patella hin . Dies führt zu einer lokal begrenzten Erschütterung ohne nennenswerte Muskeldehnung. In Abb . 7a und b wird die Willkürreaktion des rechten Rectus femori s auf einen Hautreiz am linken Knie (a) mit einer Reaktion des Muskels nach Schlag auf
Über deta illierte elektromyographische Untersuchungen bei einem für kurze Zeit gestörten Stehvorgang bericht en Hufschmidt und Mauritz (1984), sowie Dietz und Mita rb. (1980) und Die tz (1984). Die hier gemessenen Reaktion swerte liegen wie die unsrigen zwischen 60 und 80 rns, werden aber als Spind el-long-Ioop , siehe Phi!Iips (1969) oder segmenta le Dehnungsrefle xe auf'gefaßt. Immerhin wird eingeräumt, Huf schmidt u. Mauritz (1984), daß auch bei Patienten mit fehlenden monosynaptisch en Reflexen die raschen Reaktion en zu finden sind . Herman u. Mitarb. (1973) haiten die unte r Ausschluß des Vestibularisanteiles gefundenen kurzen Reaktionen ebenfalls für funktionelle Dehnungsreflexe. Die Theorie dieser von den Muskelspindeln ausgehenden über den Cortex laufenden Reflexe basiert auf den Untersuchungen von Marsden u. Mitarb. (1972, 1976, 1977). Wir, Huf schmidt (1986), halten die kurzen Reaktionen für WilIkürakte auf Reizung von Gelenk- und tiefen Mechanoreceptoren hin. Gelingt es doc h, diese Reaktionen über die Mechanoreceptoren der Haarbälge auszulösen, d. h. ohne jegliche Beteiligung von Muskelspindeln. Gelenk- und tiefe Mechanoreceptoren sind eindeutig cortical repräsentiert und damit in eine bewußte Tätigk eit voll integrierbar. Ob die Impulse aus den Muskelspindeln als kinaesthetische Informationen ins Bewußtsein treten scheint uns fraglich, obgleich Mc Closkey (1978) einen indirekten Beweis über die Vibrationsempfindun g glaubt führen zu können . Wir haben in der Arb eit von Linke (1978) über einen Fall doppe lseitiger sensibler Trigeminusausschaltung einen Gegenbewei s: Trotz erhaltener Spindelafferenzen, die bekanntlich zusammen mit den motori schen Fasern in der portio minor verlaufen. siehe Szentagothai (1948), war es dem völlig in Gaumen- und Z ungenbereich anaesthetischen Patienten unmöglich die Zungenmuskulatur kinaesthetisch zu kontrollieren .
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Versuch mit Hemispast ikern
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Z. Orthop. / 28 (/990)
H i-J, Hufschm idt, G. Seil: Ober die proprioceptive Regulation des Stehens beim Men schen
Weiterhin konnten wir nachwei sen, daß die in allen unt ersuchten Muskeln gefundenen raschen Adaption smechani smen willkürlich unt erd rückt werden können. Das ist im Widersp ruch zu einem Reflexvorgang. Die Untersuchungen an Hemispastikern zeigen Verzögerungen au f der betr offenen Seite, die nur zentra ler Natu r sein könn en und sich schwer reflektorisch erk läre n lassen; denn auf der spastischen Seite sind ja mono- und po lysynaptische Muskelspinde l-Reflexe gesteigert . Diese Verzögeru ng entspricht der von Jun g u. Dietz (1975) gefu ndenen Verlangsam urig von willkürlichen Reaktionen beim Hemispastiker. Wir möchten desha lb die hier elektromyographisch fixierten Werte um 70 msec als willkürliche Primärreaktion durch stoßartig induzierte Gelenk- oder Mechanoreceptorenreize auffassen. Diese Reakt ion gehö rt zum spezifisch menschlichen Willkürprogramm des Stehens, eine Fähi gkeit. die eng mit dem Bewußtsein verbunden ist. also eher ein Akt des Wollens, als eine Kette von Reflexen . Beim Stehenlern en im frühen Kindesalter entwickeln diese Reakt ionen einen gewissen Aut omatismus. der aber willkürl ich unt erdrückt werden kann. Äh nliche Gedankengän ge au s anatomisch-palaeoanthropologischer Sicht findet man bei Lovejoy (1989). Das Stehen und Gehen im Verlaufe der Entwicklung der Hominiden beruht eher auf der Entwicklung eines bewußten Willk ürp rogramrnes, als auf einer mod ifizierte n Reflexkette; den n mit dem Ste hen und Gehen mu ß sich das Gesamtverhal ten geändert hab en .
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Prof . DT. med. H.-Joachim Huf schmidI Weinstra ße 2 7840 Müllheim 15
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