D8 Elektromyographie (EMG) in der Schwimmmuskulatur

Thema

Die Elektromyographie (EMG), implantiert in die Schwimmmuskulatur von Fischen, zeichnet die elektrische Aktivität der Muskelfasern während der Fortbewegung auf und liefert Informationen über Rekrutierungsmuster, Aktivierungsintensität und Synchronisation verschiedener Muskelgruppen im Fischkörper. Das von jeder Elektrode erfasste Signal ist die Überlagerung der Aktionspotenziale aller direkt darunter aktiven motorischen Einheiten. Fische unterscheiden zwei Arten von Schwimmmuskeln: rote Muskeln, die langsam und ausdauernd sind und für das Schwimmen mit Ausdauer benötigt werden, und weiße Muskeln, die schnell, aber leicht ermüdend sind und für Sprints und den C-Start, ein plötzliches Fluchtmanöver, eingesetzt werden.

Das von der EMG in diesen beiden Muskeltypen aufgezeichnete elektrische Signal wird nach denselben Prinzipien wie bei Säugetieren verarbeitet: Es wird vollständig gleichgerichtet, wobei der Absolutwert des Signals ermittelt wird. Anschließend wird dieses gleichgerichtete Signal über die Zeit integriert, um die relative Aktivierung des Muskels zu quantifizieren. Alternativ wird innerhalb gleitender Zeitfenster die Quadratwurzel des Mittelwerts der quadrierten Signalwerte berechnet, um die momentane Amplitude der Muskelaktivierung zu erhalten. Im Rahmen dieser Verarbeitung sinkt die Mittenfrequenz des Leistungsspektrums des Signals mit zunehmender Muskelermüdung. Sie dient somit als Indikator für die Muskelermüdung, basierend auf dem Spektrum des elektrischen Signals.

Neben dem Aktivierungsgrad des Muskels zeigt die Elektromyographie auch den Zeitpunkt der Aktivierung an. Dies geschieht durch den Vergleich der Latenz der Muskelaktivierung mit der kinematischen Welle des Fischkörpers aus dem vorherigen Modell dieser Reihe – also durch die genaue Bestimmung der Phase des Schlagzyklus, in der die Aktivierung erfolgt. Wird ein Muskel während der Verkürzungsphase aktiviert, verrichtet er positive Arbeit und wirkt als Antriebskraft. Wird er hingegen während der Verlängerungsphase aktiviert, verrichtet er negative Arbeit und wirkt als Puffer, indem er Energie absorbiert, anstatt sie abzugeben.

Diese Analyse der Muskelaktivierungsphase relativ zum Beinschlagzyklus ermöglicht die Berechnung der von jedem Muskelsegment des Fischkörpers in jedem Beinschlagzyklus geleisteten Nettoarbeit – eine essenzielle Information, um zu verstehen, wie die mechanische Antriebsleistung im Fischkörper verteilt ist.

Beim Schwimmen mit anhaltender Kraft bleibt lediglich die zu Beginn dieses Modells eingeführte rote Muskulatur aktiv und erzeugt ein elektrisches Signal geringer Amplitude. Bei Sprints oder schnellen Manövern rekrutiert der Fisch jedoch zunehmend seine weiße Muskulatur, wodurch das aufgezeichnete elektrische Signal an Amplitude und Frequenzspektrum zunimmt. Diese progressive Rekrutierung folgt dem gleichen Prinzip, das auch bei anderen Wirbeltieren die Muskelrekrutierung steuert, dem Henneman-Prinzip: Die langsamsten Muskelfasern mit der niedrigsten Aktivierungsschwelle – die der roten Muskulatur – werden zuerst rekrutiert, und die schnellen Fasern der weißen Muskulatur werden erst dann hinzugezogen, wenn der Kraftbedarf für den Vortrieb die Leistungsfähigkeit der roten Muskulatur allein übersteigt.

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