Silas Dech

• The cumulative dissertation consists of four original articles. These considered isometric muscle ac-tions in healthy humans from a basic physiological view (oxygen and blood supply) as well as possibilities of their distinction. It includes a novel approach to measure a specific form of isometric hold-ing function which has not been considered in motor science so far. This function is characterized by an adaptation to varying external forces with particular importance in daily activities and sports. The first part of the research program analyzed how the biceps brachii muscle is supplied with oxygen and blood by adapting to a moderate constant load until task failure (publication 1). In this regard, regulative mechanisms were investigated in relation to the issue of presumably compressed capillaries due to high intramuscular pressures (publication 2). Furthermore, it was examined if oxygenation and time to task failure (TTF) differs compared to an-other isometric muscle function (publication 3). This function is mainly ofThe cumulative dissertation consists of four original articles. These considered isometric muscle ac-tions in healthy humans from a basic physiological view (oxygen and blood supply) as well as possibilities of their distinction. It includes a novel approach to measure a specific form of isometric hold-ing function which has not been considered in motor science so far. This function is characterized by an adaptation to varying external forces with particular importance in daily activities and sports. The first part of the research program analyzed how the biceps brachii muscle is supplied with oxygen and blood by adapting to a moderate constant load until task failure (publication 1). In this regard, regulative mechanisms were investigated in relation to the issue of presumably compressed capillaries due to high intramuscular pressures (publication 2). Furthermore, it was examined if oxygenation and time to task failure (TTF) differs compared to an-other isometric muscle function (publication 3). This function is mainly of diagnostic interest by measuring the maximal voluntary isometric contraction (MVIC) as a gold standard. For that, a person pulls on or pushes against an insurmountable resistance. However, the underlying pulling or pushing form of isometric muscle action (PIMA) differs compared to the holding one (HIMA). HIMAs have mainly been examined by using constant loads. In order to quantify the adaptability to varying external forces, a new approach was necessary and considered in the second part of the research program. A device was constructed based on a previously developed pneumatic measurement system. The device should have been able to measure the Adaptive Force (AF) of elbow ex-tensor muscles. The AF determines the adaptability to increasing external forces under isometric (AFiso) and eccentric (AFecc) conditions. At first, it was questioned if these parameters can be relia-bly assessed by use of the new device (publication 4). Subsequently, the main research question was investigated: Is the maximal AFiso a specific and independent variable of muscle function in comparison to the MVIC? Furthermore, both research parts contained a sub-question of how results can be influenced. Parameters of local oxygen saturation (SvO2) and capillary blood filling (rHb) were non-invasively recorded by a spectrophotometer during maximal and submaximal HIMAs and PIMAs. These were the main findings: Under load, SvO2 and rHb always adjusted into a steady state after an initial decrease. Nevertheless, their behavior could roughly be categorized into two types. In type I, both parameters behaved nearly parallel to each other. In contrast, their progression over time was partly inverse in type II. The inverse behavior probably depends on the level of deoxygenation since rHb increased reliably at a suggested threshold of about 59% SvO2. This triggered mechanism and the found homeostatic steady states seem to be in conflict with the concept of mechanically compressed capillaries and consequently with a restricted blood flow. Anatomical configuration of blood vessels might provide one hypothetical explanation of how blood flow might be maintained. HIMA and PIMA did not differ regarding oxygenation and allocation to the described types. The TTF tended to be longer during PIMA. As a sub-question, oxygenation and TTF were compared between (HIMA) and intermittent voluntary muscle twitches during a weight holding task. TTF but not oxygenation differed significantly (Twitch > HIMA). A changed neuromuscular control might serve as a speculative explanation of how the results can be explained. This is supported by the finding that the TTF did not correlate significantly with the extent of deoxygenation irrespective of the performed task (HIMA, PIMA or Twitch). Other neuromuscular aspects of muscle function were considered in second part of the re-search program. The new device mentioned above detected different force capacities within four trials at two days each. Among AF measurements, the functional counterpart of a concentric muscle action merging into an isometric one was analyzed in comparison to the MVIC. Based on the results, it can be assumed that a prior concentric muscle action does not influence the MVIC. However, the results were inconsistent and possibly influenced by systematic errors. In con-trast, maximal variables of the AF (AFisomax and AFeccmax) could be measured in a reliable way which is indicated by a high test-retest reliability. Despite substantial correlations between force variables, the AFisomax differed significantly from MVIC and AFmax, which was identical with AFeccmax in almost all cases. Moreover, AFisomax revealed the highest variability between trials. These results indicate that maximal force capacities should be assessed separately. The adaptive holding capacity of a muscle can be lower compared to a commonly determined MVIC. This is of relevance since muscles frequently need to respond adequately to external forces. If their response does not correspond to the external impact, the muscle is forced to lengthen. In this scenario, joints are not completely stabilized and an injury may occur. This outlined issue should be addressed in future research in the field of sport and health sciences. At last, the dissertation presents another possibility to quantify the AFisomax by use of a handheld device applied in combination with a manual muscle test. This assessment delivers a more practical way for clinical purposes.…
• Die kumulative Dissertation setzt sich im Kern aus vier Originalartikel zusammen. Diese betrachten isometrische Muskelaktionen beim gesunden Menschen aus grundlegender physiologischer Sicht (Sauerstoff- und Blutversorgung) sowie Möglichkeiten ihrer Unterscheidung. Sie beinhaltet einen neuartigen Ansatz zur Messung einer spezifischen Form der isometrischen Haltefunktion, die bisher in der Bewegungswissenschaft nicht berücksichtigt wurde. Diese Funktion ist durch eine Anpassung an variierende äußere Kräfte gekennzeichnet, die bei täglichen Aktivitäten und im Sport von besonderer Bedeutung ist. Im ersten Teil des Forschungsprogramms wurde untersucht, wie der M. biceps brachii mit Sauerstoff und Blut versorgt wird, indem er sich an eine moderate konstante Belastung bis zum Versagen der Aufgabe anpasst (Publikation 1). In diesem Zusammenhang wurden Regulationsmechanismen in Bezug auf die Problematik der hohe intramuskulären Drücke betrachtet, die theoretisch zu einer Komprimierung der Kapillaren führen (Publikation 2). Darüber hinausDie kumulative Dissertation setzt sich im Kern aus vier Originalartikel zusammen. Diese betrachten isometrische Muskelaktionen beim gesunden Menschen aus grundlegender physiologischer Sicht (Sauerstoff- und Blutversorgung) sowie Möglichkeiten ihrer Unterscheidung. Sie beinhaltet einen neuartigen Ansatz zur Messung einer spezifischen Form der isometrischen Haltefunktion, die bisher in der Bewegungswissenschaft nicht berücksichtigt wurde. Diese Funktion ist durch eine Anpassung an variierende äußere Kräfte gekennzeichnet, die bei täglichen Aktivitäten und im Sport von besonderer Bedeutung ist. Im ersten Teil des Forschungsprogramms wurde untersucht, wie der M. biceps brachii mit Sauerstoff und Blut versorgt wird, indem er sich an eine moderate konstante Belastung bis zum Versagen der Aufgabe anpasst (Publikation 1). In diesem Zusammenhang wurden Regulationsmechanismen in Bezug auf die Problematik der hohe intramuskulären Drücke betrachtet, die theoretisch zu einer Komprimierung der Kapillaren führen (Publikation 2). Darüber hinaus wurde untersucht, ob sich die Sauerstoffversorgung und die Zeit bis zum Versagen der Aufgabe (time to task failure, TTF) im Vergleich zu einer anderen isometrischen Muskelfunktion unterscheiden (Publikation 3). Diese Funktion ist hauptsächlich von diagnostischem Interesse, indem die maximale willkürliche isometrische Kontraktion (MVIC) als Goldstandard gemessen wird. Dabei zieht oder drückt eine Person an/gegen einen unüberwindbaren Widerstand. Die zugrundeliegende ziehende oder drückende Form der isometrischen Muskelaktion (pushing or pulling isometric muscle action, PIMA) unterscheidet sich jedoch von der haltenden Form (holding isometric muscle action, HIMA). HIMAs wurden bisher hauptsächlich unter Verwendung konstanter Lasten untersucht. Um die Anpassungsfähigkeit an variierende äußere Kräfte zu quantifizieren, war ein neuer Ansatz erforderlich, der im zweiten Teil des Forschungsprogramms berücksichtigt wurde. Dazu wurde ein Gerät konstruiert, das auf einem zuvor entwickelten pneumatischen Messsystem basiert. Das Gerät sollte in der Lage sein, die Adaptive Force (AF) der Ellbogenstreckmuskulatur zu messen. Die AF bestimmt die Anpassungsfähigkeit an steigende äußere Kräfte unter isometrischen (AFiso) und exzentrischen AFecc) Bedingungen. Zunächst wurde die Frage gestellt, ob diese Parameter mit dem neuen Gerät zuverlässig erfasst werden können (Publikation 4). Anschließend wurde die Hauptforschungsfrage untersucht: Ist die maximale AFiso eine spezifische und unabhängige Variable der Muskelfunktion im Vergleich zur MVIC? Darüber hinaus enthielten beide Forschungsteile eine Unterfrage, wie die Ergebnisse beeinflusst werden können. Die Parameter der lokalen Sauerstoffsättigung (SvO2) und der Kapillarblutfüllung (rHb) wurden während der maximaler und submaximaler HIMAs und PIMAs nicht-invasiv mit einem Spektrophotometer erfasst. Dies waren die wichtigsten Ergebnisse: Unter Belastung pendelten sich SvO2 und rHb nach einem anfänglichen Abfall immer in einen stabilen Zustand ein. Dennoch konnte ihr Verhalten grob in zwei Typen eingeteilt werden. Bei Typ I verhielten sich beide Parameter nahezu parallel zueinander. Im Gegensatz dazu war ihr zeitlicher Verlauf bei Typ II teilweise invers. Das umgekehrte Verhalten hängt wahrscheinlich vom Grad der Desoxygenierung ab, da der rHb-Wert zuverlässig bei einem Schwellenwert von etwa 59 % SvO2 anstieg. Diser Auslösemechanismus und die gefundenen homöostatischen Gleichgewichtszustände scheinen im Widerspruch zu dem Konzept mechanisch komprimierter Kapillaren und folglich zu einem eingeschränkten Blutfluss zu stehen. Die anatomische Lage und Verlauf der Blutgefäße könnte eine hypothetische Erklärung dafür liefern, wie der Blutfluss aufrechterhalten werden könnte. HIMA und PIMA unterschieden sich nicht hinsichtlich der Sauerstoffzufuhr und der Zuordnung zu den beschriebenen Typen. Die TTF war bei PIMA tendenziell länger. Als Unterfrage wurden Oxygenierung und TTF zwischen (HIMA) und intermittierenden freiwilligen Muskelzuckungen während einer Gewichthalteaufgabe verglichen. Die TTF, nicht aber die Oxygenierung, unterschied sich signifikant (Zuckung > HIMA). Eine veränderte neuromuskuläre Kontrolle könnte als spekulative Erklärung für die Ergebnisse dienen. Dies wird durch die Feststellung unterstützt, dass die TTF unabhängig von der durchgeführten Aufgabe (HIMA, PIMA oder Zuckung) nicht signifikant mit dem Ausmaß der Desoxygenierung korrelierte. Andere neuromuskuläre Aspekte der Muskelfunktion wurden im zweiten Teil des Forschungsprogramms berücksichtigt. Mit dem oben erwähnten neuen Gerät wurden innerhalb von vier Versuchen an jeweils zwei Tagen unterschiedliche Kraftkapazitäten ermittelt. Unter den AF-Messungen wurde der funktionelle Gegenpart einer konzentrischen Muskelaktion, die in eine isometrische übergeht, im Vergleich zur MVIC analysiert. Aufgrund der Ergebnisse kann davon ausgegangen werden, dass eine vorherige konzentrische Muskelaktion die MVIC nicht beeinflusst. Allerdings waren die Ergebnisse inkonsistent und möglicherweise durch systematische Fehler beeinflusst. Im Gegensatz dazu konnten die Variablen der AF (AFisomax und AFeccmax) zuverlässig gemessen werden, was sich durch eine hohe Test-Retest-Reliabilität zeigte. Trotz erheblicher Korrelationen zwischen den Kraftvariablen unterschied sich AFisomax signifikant von MVIC und AFmax, welcher in fast allen Fällen mit AFeccmax identisch war. Außerdem wies AFisomax die höchste Variabilität zwischen den Versuchen auf. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass diese Maximalkräfte separat erfasst werden sollten. Die adaptive Haltekapazität eines Muskels kann im Vergleich zu einer allgemein ermittelten MVIC niedriger sein. Dies ist von Bedeutung, da Muskeln häufig angemessen auf äußere Kräfte reagieren müssen. Wenn ihre Reaktion nicht der äußeren Einwirkung entspricht, ist der Muskel gezwungen, sich zu verlängern. In diesem Fall werden die Gelenke nicht vollständig stabilisiert und es kann zu einer Verletzung kommen. Dieses Thema sollte in der künftigen Forschung im Bereich der Sport- und Gesundheitswissenschaften betrachtet werden. Schließlich wird in der Dissertation eine weitere Möglichkeit zur Quantifizierung der AFisomax mit Hilfe eines Handgeräts in Kombination mit einem manuellen Muskeltest vorgestellt. Diese Bewertung bietet eine praktischere Alternative für klinische Zwecke.…