Emulating the influence of exoskeleton stiffness on primary afferent feedback in rat isolated muscle-tendon unit

Stellen Sie sich vor, Ihr Körper wäre ein hochmoderner Roboter, der jedoch nicht mit Drähten und Code, sondern mit Muskeln und Nerven betrieben wird. Tief in Ihren Muskeln befinden sich winzige, supersensible Sensoren, die sogenannten „Muskelspindeln“. Betrachten Sie diese als die interne GPS und Tacho kombiniert. Sie flüstern Ihrem Gehirn ständig zu: „Hey, wir werden gedehnt!“ oder „Wir werden eng!“, damit Sie genau wissen, wo sich Ihre Gliedmaßen befinden, ohne hinsehen zu müssen. Dies nennt man Propriozeption, und das ist der Grund, warum Sie mit geschlossenen Augen Ihre Nase berühren oder auf unebenem Boden gehen können, ohne umzukippen.

Stellen Sie sich nun vor, Sie würden eine schwere, elastische Feder an Ihr Bein legen – ein tragbares Exoskelett, das Ihnen beim Bewegen helfen soll. Obwohl diese hochtechnologischen Anzüge fantastisch sind, um Menschen beim Gehen oder beim Heben schwerer Lasten zu unterstützen, stellt sich Wissenschaftlern eine große Frage: Stört diese zusätzliche federnde Hilfe vielleicht das interne GPS Ihres Körpers? Wenn das Exoskelett einen Teil der Arbeit übernimmt, hört das Gehirn dann auf, die richtigen Signale von den Muskeln zu erhalten? Es ist wie die Frage: „Wenn man bei einem Auto den Tempomaten einschaltet, spürt der Fahrer dann noch die Straße?“ Das Verständnis dessen ist entscheidend, denn wenn diese tragbaren Geräte Ihre natürlichen körpereigenen Sensoren verwirren, könnten sie zu ungeschickten Bewegungen führen oder Sie sogar weniger stabil machen, egal wie stark sie Sie fühlen lassen.

Diese Arbeit verfolgt einen klugen, praxisorientierten Ansatz, um dieses Rätsel zu lösen, aber anstatt Menschen zu testen (was schwierig ist, da man deren Nervensignale nicht einfach abhören kann), nutzten die Forscher ein Rattenbein in einer Laborumgebung. Sie richteten ein Miniatur-Experiment ein, bei dem sie künstliche Federn an die Muskel-Sehnen-Einheit der Ratte anbrachten, was genau wie ein passives, elastisches Exoskelett an einem menschlichen Bein wirkt. Um es fair zu halten, passten sie die Muskelaktivierung der Ratte so an, dass die Gesamtsteifigkeit des Systems gleich blieb, selbst wenn sie änderten, wie viel die Feder half. Sie maßen alles: wie lang die Muskelfasern wurden, mit wie viel Kraft sie drückten und exakt, wie schnell die Nervensignale (das „Flüstern“ der Sensoren) feuerten.

Die Ergebnisse waren ein wenig überraschend. Als sie die Federn hinzufügten (von 0 bis 0,5 N/mm) und die Eigenleistung des Muskels reduzierten, veränderte der Muskel seine Form. Er drückte mit weniger Kraft, sank von etwa 3,1 N auf 1,6 N ab, und wurde weniger steif, wobei er von 4,4 N/mm auf 2,3 N/mm fiel. Auch die Muskelfasern dehnten sich ein kleines Stück weiter aus, von 7,9 mm auf 8,3 mm. Man könnte denken: „Okay, der Muskel ist anders, also müssen die Sensoren eine andere Botschaft schreien!“ Aber hier kommt die Wendung: Die Nervensignale änderten ihre Melodie nicht. Obwohl der Muskel weniger Arbeit leistete und die Feder mehr, blieb die Feuerrate der Sensoren gleich.

Die Forscher fanden heraus, dass die Sensorsignale eng mit den spezifischen Bewegungen und Kräften der Muskelfasern verknüpft waren, aber der „Trade-off“ zwischen dem Muskel und der Feder schien sich gegenseitig aufzuheben. Es ist, als ob der Muskel sich gerade so weit entspannt, dass er die zusätzliche Dehnung durch die Feder ausgleicht, wodurch die interne Nachricht an das Gehirn vollkommen konstant bleibt. Daher blieb die primäre Nachricht der Muskelsensoren trotz der mechanischen Veränderung unberührt. Dies deutet darauf hin, dass das Hinzufügen eines passiven, elastischen Exoskeletts Ihre internen Körpersensoren vielleicht nicht so sehr verwirrt, wie wir befürchtet haben, da sich Muskel und Feder gegenseitig ausbalancieren. Durch diesen detaillierten Laboreinsatz können Wissenschaftler nun einen Blick darauf werfen, wie tragbare Geräte unsere verborgenen sensorischen Systeme beeinflussen können, ohne auf menschliche Probanden angewiesen zu sein, bei denen man die Nerven nicht direkt abhören kann.