Abstract des Autors

In der vorliegenden Arbeit wurde das sensomotorische Verhalten von Menschen in veränderter Schwerkraft sowie nach akuter körperlicher Arbeit untersucht. Es wurden 12 Personen in 0 Gz, +1,8 Gz und +1 Gz während eines Parabelfluges getestet. Die Aufgabe bestand darin, mit der rechten, dominanten Hand isometrische Kräfte unterschiedlicher Größen und Richtungen gemäß einem visuell dargestellten Zielvektor zu produzieren und mit der linken Hand eine Wahlreaktionszeitaufgabe durchzuführen. Die Aufgaben wurden entweder einzeln (Einzelaufgabe) oder zusammen (Doppelaufgabe) durchgeführt. Darüber hinaus wurden in ausgewählten Parabeln die Sehnen des Handgelenks mit 70 Hz beidseitig vibriert, um die segmentale Erregbarkeit auf spinaler Ebene zu verändern. Die wichtigsten Befunde sind überschüssige Kraftproduktionen in +1,8 Gz und insbesondere auch in 0 Gz. Dieser Überschuss wurde bereits 100 ms nach Beginn der Kraftproduktion und somit vor der propriozeptiven Wirkung registriert. Während der beidseitigen Handgelenksvibration wurden geringere Kräfte produziert. Dieser Effekt blieb jedoch sowohl in +1,8 Gz als auch in 0 Gz unverändert. Darüber hinaus konnte im Rahmen der Doppeltätigkeit sowohl bei der Kraftaufgabe, als auch bei der Wahlreaktionszeitaufgabe eine hochsignifikante Aufgabeninterferenz und somit eine Beanspruchung der Hirnressourcen beobachtet werden. Diese blieb jedoch unbeeinflusst von veränderter Schwerkraft. In der aktuellen internationalen Literatur gibt es hinweise darauf, dass Schwerelosigkeit und akute körperliche Arbeit sehr ähnliche Veränderungen der Hirnaktivität auslösen können. Diese Veränderungen der Hirnaktivität könnten ein gemeinsamer Mechanismus für Modifikationen des sensomotorischen Verhaltens sein welche durch beide Bedingungen hervorgerufen werden. Aus diesem Grund wurde die sensomotorische Leistungs- und Adaptationsfähigkeit sowie die elektrische Hirnaktivität mittels Elektroenzephalographie nach intensiver körperlicher Belastung untersucht. Dabei wurden 30 Personen nach dem Zufallsprinzip in eine Laufgruppe, eine Trackinggruppe sowie eine Lauf- und Trackinggruppe mit jeweils 10 Personen pro Gruppe eingeteilt. Die Laufbelastung war ein standardisierter Laufbandstufentest bis zur subjektiven Erschöpfung. Die Trackingaufgabe (Verfolgungsaufgabe) bestand aus 35 Episoden und beinhaltete das Verfolgen eines Ziels auf einem Computerbildschirm unter Normalbedingungen (Leistung) sowie unter einer Rechts-Links-Umkehr des visuellen Feedbacks (Adaptation). Vor und nach einer jeden experimentellen Bedingung wurde ein Ruhe-Elektroenzephalogramm aufgezeichnet. Es konnte festgestellt werden, dass die Laufbelastung keinen Einfluss auf die Trackingleistung sowie das endgültige Ergebnis der Adaptation hatte. Jedoch verlief der Adaptationsprozess nach der Laufbelastung signifikant schneller. Weiterhin wurde eine erhöhte Leistung im Alpha- und Betaband nach der Trackingaufgabe in der nicht belasteten Gruppe gefunden, obwohl die Laufbelastung keinen direkten Einfluss auf die Leistung in den oben genannten Frequenzbändern hatte. Aus den Befunden wird geschlossen, dass der Überschuss bei der isometrischen Kraftproduktion in veränderter Schwerkraft nicht auf Veränderungen der Propriozeption oder unzureichender Hirnressourcen zurückzuführen ist. Weiterhin wird deutlich, dass eine intensive körperliche Belastung sensomotorische Prozesse begünstigen kann. Dies deutet darauf hin, dass die in der Literatur beschriebenen Ähnlichkeiten im Hinblick auf Veränderungen der Hirnaktivität und sensomotorischem Verhalten in Schwerelosigkeit sowie nach körperlicher Arbeit nicht vergleichbar sind und demnach sehr wahrscheinlich unterschiedlichen Mechanismen unterliegen. In Verbindung mit der internationalen Literatur wird durch die Befunde dieser Arbeit die Sichtweise unterstützt, dass in veränderter Schwerkraft motorische Befehle durch afferente vestibuläre Signale modifiziert werden. Dies geschieht höchstwahrscheinlich auf supraspinaler Ebene; möglicherweise im Hirnstamm oder im Kleinhirn.

Abstract des Autors

The current thesis evaluated human sensorimotor behaviour in altered gravity (Study 1 and Study 2) as well as after acute physical exercise (Study 3). Study 1 12 right-handed human subjects were tested during the micro-Gz, high-Gz and normal normal-Gz episodes of parabolic flight. Holding an isometric joystick in their right hand, they produced forces of 5, 15, or 25 N in different directions, according to visually prescribed vectors. In some parabolas, 70 Hz vibration was applied to the flexor- and extensor side of the wrist, in order to reduce spinal segmental activity. Study 2 12 right-handed human subjects were tested during the micro-Gz, high-Gz and normal normal-Gz episodes of parabolic flight. They produced isometric forces of different magnitudes and directions, according to visually prescribed vectors with their right, dominant hand and performed a choice reaction-time task with their left hand. Tasks were performed either separately (single-task) or simultaneously (dual-task). Study 3 Subjects were randomly assigned to a running group, a tracking group, or a running followed by tracking group with 10 subjects assigned to each group. Treadmill running velocity was initially set at 2.0 m•s-1, increasing by 0.5 m•s-1 every 5 min until exhaustion. Tracking consisted of 35 episodes (each 40 s) where the subjects’ task was to track a visual target on a computer screen while the visual feedback was veridical (performance) or left-right reversed (adaptation). Resting electroencephalographic activity was recorded before and after each experimental condition (running, tracking, rest). The main findings are: • Compared to normal-Gz (36.6 N) produced forces were higher in high-Gz (39.1 N, p < 0.001) and still higher in micro-Gz (42.8 N, p < 0.001). • This increase manifested as early as 100 ms after response onset, i.e., before proprioceptive feedback could become effective (p < 0.01). • Wrist agonist-antagonist vibration reduced the magnitude of produced forces (p < 0.01) independent of the Gz-level (p > 0.05). • Dual-task interference was present for both tasks (p < 0.05), indicating that either task was resources-demanding but this interference remained unaffected by the Gz-level (p > 0.05). • Exercise had no effect on tracking performance and the final amount of adaptation (p > 0.05) but task adaptation was significantly faster after exercise (p < 0.05). • Increased alpha (p < 0.01) and beta power (p < 0.001) following tracking in the non-exercising group although, exhaustive exercise failed to induce significant changes in these frequency bands (p > 0.05). Based on these findings we concluded that the observed increase in force production was probably not related to degraded proprioception or inadequate allocation of the brain’s computational resources to the force production task. In combination with the literature, these findings support the view that changed-Gz modifies descending motor commands via afferent vestibular signals at the supraspinal level, probably in the brainstem or the cerebellum, and thus affect the responses from their onset on. Furthermore, it is concluded that exercise has the potential to facilitate sensorimotor adaptation processes and thus, reduces brain cortical activation after task adaptation.