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Dissertation: Boris Ullrich


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Dissertation: Boris Ullrich

Dissertation / Doktorarbeit / Thesis

Deutsche Sporthochschule Köln
Institut für Biomechanik und Orthopädie
Ullrich, Boris (2009): Neuromuscular adaptations of knee extensor and flexor muscles in competitive athletes: Influence of long-term specific physical activity and length-restricted strength training Zusammenfassung:
ZUSAMMENFASSUNG
Für zahlreiche klinische und angewandte Situationen ist es von Interesse, das Kraftpotential synergistischer Muskelgruppen bei unterschiedlichen Längen der Muskel-Sehneneinheiten (MSE) zu kennen. Zum Beispiel wird in vielen Sportarten die Produktion von muskulärer Kraft und Leistung in bestimmten Gelenkwinkelstellungen benötigt. Es existieren Hinweise dafür, dass langjährige spezifische sportliche Aktivität und Krafttrainingsinterventionen Veränderungen in längenabhängigen Krafteigenschaften hervorrufen können. Jedoch konnte der wichtigste mechanische Auslöser für diese Adaptationen bisher nicht gefunden werden. Weiterhin bleibt es vorerst ungelöst, ob veränderte isometrische Kraft-Längeneigenschaften dynamisch-explosive (athletische) Bewegungen beeinflussen. In vielen Sportarten wird das Leistungsniveau von komplexen Interaktionen verschiedener funktionaler Kapazitäten bestimmt. In der Literatur bestehen Hinweise dafür, dass Bewegungsökonomie, kardiovaskuläre Kapazität, Explosivität der Muskelkontraktionen und neuromuskuläre Ermüdungswiderstandsfähigkeit das Leistungsniveau in Ausdauersportarten, Teamsportarten und Rückschlagsportarten begrenzen. Diese Arbeit beinhaltet mehrere Studien, die Adaptationen in Kraft-Längeneigenschaften der menschlichen Kniestreck- und Kniebeugemuskeln als Folge langjähriger spezifischer sportlicher Aktivität und längenabhängiger Krafttrainingsinterventionen untersuchen. Weiterhin wurden verschiedene neuromuskuläre Kraftfähigkeiten und das Ermüdungsverhalten der Kniestreckmuskulatur in spezifisch trainierten Athleten erforscht.
In Studie 1 wurde die Moment-Kniewinkelrelation und EMG-Kniewinkelrelation des M. quadriceps femoris (QF) in wettkampfsportlich aktiven Ausdauerläufern, Radfahrern, Triathleten und Tennisspielern untersucht. Die Studien 2 und 3 thematisieren, ob verschiedene Krafttrainingsprogramme, die in Kniewinkelpositionen durchgeführt wurden, die überwiegend großen MSE Längenbereichen für QF und Hamstring-Muskulatur (HAM) entsprechen, systematische Verschiebungen in der Moment-Kniewinkelrelation und kniewinkelabhängigen Muskelleistungskurve der Kniestreck- und Kniebeugemuskeln in Richtung der Trainingslänge bewirken. In Studie 4 wird der Frage nachgegangen, inwiefern Veränderungen in der isometrischen Moment-Kniewinkelrelation des QF eine dynamisch-explosive athletische Bewegung (vertikale Squat-Jumps) beeinflussen. Abschließend vergleicht Studie 5 maximale und explosive Kraftfähigkeiten sowie neuromuskuläres Ermüdungsverhalten des QF zwischen Ausdauersportlern und Tennisspielern.
Einige Messungen dieser Arbeit wurden an einer speziell entwickelten Knieextensions-Kraftmessvorrichtung, welche mit einem Kraftmessdosensystem ausgestattet war, vollzogen. Die kniewinkelabhängigen Muskelleistungskurven wurden an traditionellen Krafttrainingsmaschinen in Kombination mit Kraftaufnehmern, Wegsensoren und elektrischer Goniometrie erhoben. Die Analyse der Squat-Jump Bewegung erfolgte mittels Kraftmessplatten und kinematischer Methoden.
Die zentralen Untersuchungsergebnisse der vorliegenden Arbeit sind wie folgt:
Langjährig aktive Wettkampfsportler mit spezifischen Belastungsmustern der Kniestreckmuskulatur zeigten keine funktionellen Unterschiede in der Moment-Kniewinkelrelation und EMG-Kniewinkelrelation des QF. Dieses Ergebnis zweifelt an, dass langjährige spezifische sportliche Aktivität einen ausreichenden Trigger für Kraft-Längen Adaptationen des gesamten QF darstellt. Unterschiedliche Krafttrainingsprogramme mit einer gemeinsamen Restriktion zu solchen Kniewinkelpositionen, die überwiegend großen MSE Längen für QF und HAM entsprechen, verursachten signifikante Verschiebungen (7°- 9.5°) der optimalen Kniewinkelposition für die Erzeugung maximaler Knieextensionsmomente in Richtung der Trainingslänge. Dieses Ergebnis unterstützt die Hypothese, dass der Muskel-Längenbereich während mechanischer Belastungen einen zentralen Trigger für Kraft-Längen Adaptationen im Menschen darstellt. Derartige Verschiebungen wurden jedoch nicht für die HAM- Muskelgruppe gefunden. Weiterhin bewirkten die verschiedenen Trainingsinterventionen keine Verschiebungen in kniewinkelabhängigen explosiv-konzentrischen Muskelleistungskurven der Kniestreck- und Kniebeugemuskulatur. Jedoch konnten signifikante Verschiebungen in der kniewinkelabhängigen Leistungsgenerierung im Kniegelenk während explosiver Vertikalsprünge (Squat-Jumps) als Folge der längenabhängigen Krafttrainingsinterventionen nachgewiesen werden. Somit deuten einige Befunde der vorliegenden Arbeit an, dass längenabhängige Krafttrainingsinterventionen sowohl isometrische als auch explosiv-konzentrische kontraktile Bedingungen beeinflussen können. Die letzte Untersuchungsreihe zeigte, dass Tennisspieler und Ausdauersportler Unterschiede in explosiven neuromuskulären Kraftfähigkeiten aufwiesen, jedoch eine vergleichbare neuromuskuläre Ermüdungswiderstandsfähigkeit der Kniestreckmuskulatur während submaximaler isometrischer Ermüdungskontraktionen zu besitzen scheinen. Weiterhin übten weder maximale noch explosive Kraftfähigkeiten einen negativen Einfluss auf die muskuläre Ermüdungswiderstandsfähigkeit innerhalb dieser Athletenpopulationen aus.


ABSTRACT
In many clinical and applied situations, it is of interest to know the ability of synergistic muscles to produce force at different muscle-tendon unit (MTU) lengths. For example, in many athletic activities muscular force and power is needed at specific joint angle configurations. Evidence exists that long-term specific physical activity and strength training interventions induce alterations in human force-length properties. However, the most important mechanical trigger for these adaptations has not been detected to date. Furthermore, it remains unclear if altered isometric force-length properties affect dynamic explosive (athletic) movements. Performance in many athletic activities depends on complex interactions of different functional capacities. The literature indicates that movement economy, cardiovascular capacity, explosiveness of muscle contractions and neuromuscular fatigue resistance limit performance in endurance sports, team games and racket disciplines. This thesis comprises several studies that examined force-length adaptations of human knee extensor and flexor muscles in response to long-term specific physical activity and length-restricted strength training exercises. Additionally, different neuromuscular force generating capacities and fatigability of knee extensors were studied in specific trained athletes.
Study 1 examined the moment-knee angle relation and EMG-knee angle relation of the M. quadriceps femoris (QF) in male competitive endurance runners, cyclists, triathletes and tennis players. Studies 2 and 3 refer to if different strength training regimens that were restricted to knee joint angles corresponding to predominantly long MTU lengths for the QF and hamstring (HAM) muscles induced systematic shifts in the moment-knee angle relation and knee joint angle-dependent concentric power-load curves of these muscle groups in the direction of the training length. Study 4 examined if altered isometric moment-knee angle relations of the QF affect an explosive dynamic athletic task (i.e. vertical squat jumping performance). Finally, study 5 compared maximal and explosive force-generating capacities and neuromuscular fatigability of the QF between endurance-oriented athletes and tennis players.
Parts of these measurements were performed at an individual developed knee extension strength testing apparatus that was armed with a strain-gauge load cell construction. Knee joint angle dependent power-load curves were measured at traditional strength testing machines in combination with force sensors, displacement transducers, and electrical goniometry. Muscular excitation was estimated by surface electromyography. Squat jumping was analysed using force plates measurements in combination with kinematic motion analysis. The main findings of the current thesis are as follows:
Long-term competitive athletes with specific loading schemes of knee extensors did not show functional differences in the moment-knee angle relation and EMG-knee angle relation of the QF. This finding questions if long-term specific physical activity can be a sufficient trigger of force-length adaptations of the entire QF. Different strength training regimens with a common restriction to knee joint angles corresponding to predominantly long MTU lengths for the QF and HAM induced significant shifts (7°- 9.5°) of the optimal knee joint angle for knee extension moment production in the direction of the training length. This result supports the hypothesis that the predominant muscle excursion range during loading is a major trigger of human force-length adaptations. Notably, such shifts did not occur for knee flexors and furthermore no length-dependent alterations were detected for voluntary explosive concentric power-load curves of knee extensors and flexors in response to the different training regimens. Based on these findings one may suggest that altered isometric force-length properties did not affect dynamic concentric contractions. However, it was also detected that length-restricted strength training regimens caused significant shifts in knee joint angle dependent power generation in the knee joint during vertical squat jumping. Therefore, some evidence occurred in the present work that length-restricted strength training can affect both isometric and dynamic concentric muscle contractions. Finally, tennis players and endurance athletes showed different explosive neuromuscular force generating capacities, but approximately the same neuromuscular fatigability of knee extensors during submaximal isometric fatiguing contractions. Interestingly, whether maximal nor explosive force-generating capacities affected muscle fatigue resistance negatively within these athletic populations.








13.12.2017 - 03:16