Einleitungstext, enthält Motivation für das Experiment

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3.2.1.4
Wir untersuchen unsere Muskelkraft
S
Mit Ausnahme des Herzmuskels sind Kontraktionen der quergestreiften Muskulatur mit dem Willen kontrollierbar. Diese Eigenschaft ermöglicht die gezielte Betrachtung der Aktivität einzelner Muskelgruppen.
Mit Hilfe eines Elektromyogramms (EMG) kann die elektrische Aktivität (die Summe der
Aktionspotenziale) eines Muskels oder gleich mehrerer Muskeln über die Hautoberfläche gemessen
(abgeleitet) werden, wenn sie sich zusammenziehen (kontrahieren). Für die Durchführung eines
Elektromyogramms wird die elektrische Aktivität eines Muskels im entspannten Zustand und bei
unterschiedlich starker Kontraktion registriert.
Aufgaben
1. Erstelle ein EMG von deinem Bizepsmuskel bei mehrfacher Kontraktion.
2. Erstelle ein EMG von deiner Wade bei verschiedenen Bewegungsabläufen.
Material
1
1
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1
1
1
Cobra4 Wireless Manager
Cobra4 Wireless-Link
Cobra4 Sensor-Unit Electrophysiology
Drei farbcodierte Einzelmessleitungen
Einwegelektroden (100/Pkg.)
Krokodilklemmen für Einwegelektroden (3/Pkg.)
Software measure für Cobra4
12600.00
12601.00
12673.00
12673.01
12559.01
12673.02
14550.61
Zusätzlich wird benötigt
1 PC mit USB-Schnittstelle, Windows XP oder höher
1 Hantel (3 bis 5 kg)
Abb. 1: Versuchsdurchführung
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Wir untersuchen unsere Muskelkraft
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Aufbau
— Am Versuchsaufbau sind mindestens zwei Personen beteiligt. Eine Versuchsperson, der die
Elektroden angelegt werden und eine Person, die den Computer bedient.
— Die drei Elektroden sind wie in Abb. 1 zu sehen am Bizeps anzulegen. Halte hierbei zwischen
den Einwegelektroden einen Abstand von ca. 3 bis 5 cm ein.
— Schließe die farbigen Einzelmessleitungen mit den Krokodilklemmen an die Elektroden an: Die
gelbe Krokodilklemme an die Elektrode auf dem oberen Bizeps (Richtung Schulter), die rote
Krokodilklemme an die Elektrode auf dem unterem Bizeps (Richtung Ellbogen). Die grüne
Krokodilklemme wird an die mittlere Einwegelektrode
angeschlossen.
— Jetzt kannst du die farbcodierten Einzelmessleitungen an die
Cobra4 Sensor-Unit Electrophysiology anschließen. Den roten
Stecker dabei in die mit (+) markierte Buchse einstecken, den
gelben Stecker in die (-) Buchse und den grünen Stecker in die
mit (Ref) gekennzeichnete Buchse einstecken.
— Für den zweiten Versuch werden die drei Einwegelektroden
(wie auf Abb. 2 zu sehen) an die Wade angelegt. Schließe die
gelbe Krokodilklemme hierbei an die oberste Elektrode
(Richtung Kniekehle) und die rote Klemme an die unterste
Elektrode (Richtung Fußgelenk) an. Die grüne Krokodilklemme
wird an die mittlere Einwegelektrode angeschlossen. Die
Cobra4 Sensor-Unit Electrophysiology kannst du während der
Messung mit dir herumtragen. Achte aber darauf, dass die
Einzelmessleitungen nicht zur „Stolperfalle“ werden.
Abb. 2: Verkabelung an der Wade
Durchführung
— PC und Windows starten.
— Cobra4 – Wireless Manager in die USB-Schnittstelle des PCs stecken.
— Den Cobra4 Wireless-Link auf die Cobra4 Sensor-Unit Electrophysiology aufstecken und
einschalten.
— Die Software „measure Cobra4“ starten, das Messgerät wird automatisch erkannt.
— Öffne den Versuch „Wir untersuchen unsere Muskelkraft“ (im Menü Experiment > Experiment
öffnen). Es werden nun alle benötigten Voreinstellungen zur Messwertaufnahme geladen. Eine
andere Möglichkeit ist die Auswahl der Messart „EMG“. Das entsprechende Messkanalfenster
zur Auswahl öffnet sich, wenn du im Navigatorfenster auf „Spannung U“ doppelklickst und dann
den Reiter „Einstellungen“ auswählst. Beachte hierbei unbedingt, dass die Verstärkung auf „Min.“
einzustellen ist.
— Starte die Messwertaufnahme in measure mit
●.
— Betätige nun ca. 10 Mal deinen Bizeps, indem du die Hantel anhebst. Strecke deinen Arm hierbei
nach der Beugung so weit zurück, dass er zwischen den Belastungen für kurze Zeit völlig
entspannt ist.
— Beende die Messung und klicke auf „OK“ zur weiteren Datenbearbeitung.
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Wir untersuchen unsere Muskelkraft
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Beobachtungen und Messergebnisse
Abb. 3: An der Hautoberfläche abgeleitete Summenaktionspotenziale des Bizeps bei Belastung mit einer 5 kg
schweren Hantel. Am Ende dieser Messung war der Bizeps noch nicht erschöpft.
Auswertung
Wähle nach Beendigung des Messvorgangs mit dem Zoomwerkzeug
aus der Messung (vgl. Abb. 3) aus und betrachte ihn.
einen geeigneten Ausschnitt
1. Versuche die elektrische Aktivität in Bezug auf deine Armbewegung zu deuten. Welche
Amplituden kannst du welcher Bewegung zuordnen? Wie können die Unterschiede interpretiert
werden?
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Wir untersuchen unsere Muskelkraft
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2. Erstelle ein EMG von deiner Wade bei verschiedenen Bewegungsabläufen. Variiere hierbei die
Anforderungen an den Muskel, z.B. indem du deinen Fuß oder auch nur deine Zehen bewegst,
normal gehst oder die Stufen einer Treppe emporsteigst. Beschreibe das EMG und stelle einen
Zusammenhang zwischen den registrierten elektrischen Aktivitäten und den unterschiedlichen
Bewegungen her.
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Elektromyographie (EMG)
L
(Wir untersuchen unsere Muskelkraft)
In der Humanmedizin werden Elektromyogramme erstellt, um Krankheiten der Nerven- und Muskelzellen
festzustellen. Es werden zwei verschiedene Verfahren angewendet. In der medizinischen Praxis liefert
ein Nadel-EMG genauere Aussagen über die Aktivität einzelner Muskelfasern. Dabei wird eine NadelElektrode direkt in eine Muskelfaser gestochen und die elektrische Aktivität abgeleitet. Bei einer
Ableitung über die Hautoberfläche können hingegen nur die Summenaktionspotenziale mehrerer
Muskelfasern registriert werden.
Die Erschöpfung eines Muskels (z.B. beim Hanteltraining) geht nicht – wie man vermuten könnte – mit
einer Verringerung der Summenaktionspotenziale einer Muskelgruppe einher. Häufig lässt sich bei
mehrfacher Kontraktion eines Muskels bis zur Erschöpfung zum Ende hin sogar ein Anstieg der
elektrischen Aktivität registrieren. Dies hängt damit zusammen, dass bei starker Erschöpfung alle bereit
stehenden motorischen Einheiten rekrutiert werden müssen, um den Muskel noch einmal zu
kontrahieren.
Warnhinweis
Ein in der Schule aufgenommenes EMG sollte nicht überinterpretiert werden, wenn Abweichungen zu
den beispielhaften EMG in den Abbildungen bestehen. Krankheiten der Muskulatur können nur von
einem Arzt festgestellt werden.
Hinweis zur Durchführung
Stellen sie sicher, dass die Schülerinnen und Schüler während der ersten Messung darauf achten, dass
die Versuchsperson sich mit Ausnahme der Armbewegung ruhig verhält. Auch kleinere Bewegungen,
wie z.B. das Heben einer Hand oder Bewegungen der Finger, können zu Überlagerungen bei der
Messung der Muskelaktivitäten des Bizepsmuskels führen.
Auswertung
1.
2.
Beim Anspannen des Muskels sind viele große Muskelpotenziale (Summenaktionspotenziale) zu
sehen. Wird der Bizeps nicht belastet (Ruhephase des Muskels), sind keine großen Amplituden zu
erkennen. In dem Versuch wird deutlich, dass ein entspannter Muskel nahezu keine elektrische
Aktivität zeigt. Bei einer Kontraktion des Muskels hingegen entstehen – in Abhängigkeit der
Intensität der Kontraktion – elektrische Potenziale. Die Höhe der elektrischen Aktivität korreliert mit
der Anzahl der aktivierten motorischen Einheiten.
Anhand der abgeleiteten Summenaktionspotenziale können bei der Kontraktion des Muskels die
Aktivitäten von Beugungs- und Streckungsbewegung (Flexion und Extension) des Bizeps
unterschieden werden. Es zeigt sich, dass die elektrische Aktivität des Bizepsmuskels bei der
Beugungsbewegung des Arms am höchsten ist. Dies hängt mit dem erhöhten Kraftaufwand
zusammen, der erforderlich ist, um das Gewicht gegen die Erdanziehungskraft zu bewegen.
Durch das kompakte Format der Cobra4 Sensor-Unit Elektrophysiology ist es möglich, bei
verschiedensten Bewegungsabläufen Elektromyogramme zu erstellen. Dieser Versuch bietet
wegen der flexiblen Einsetzbarkeit der Cobra4 Sensor-Unit Elektrophysiology also viel Spielraum
für eigene Ideen zur Messung der Aktivität unterschiedlicher Muskelgruppen in Bewegung. Der
Versuch zeigt, dass die Wadenmuskulatur sich (wie alle anderen Muskelgruppen auch) den
alltäglichen Anforderungen spontan anpasst. Die Intensität der Kontraktionen korreliert hierbei mit
den Anforderungen des Bewegungsvorgangs an die jeweilige Muskelgruppe.
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Elektromyographie (EMG)
5.3.4.3
Raum für Notizen
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