Research Paper 1

Mechanorezeptoren, plantare Fussfläche und Bodenreaktionskräfte: eine Schlüsseltrias zur Optimierung der Leistungsfähigkeit

 

Eine Einführung. Lower Extremity Review.
Veröffentlicht von E. Splichal, DPM. Veröffentlichungsdatum: März 2018

 

Dynamische Bewegung beruht auf einer Beziehung zwischen Schwerkraft und Boden. Dabei entstehen Aufprallkräfte, die unserem Körper die für Bewegung erforderliche Energie liefern. Unsere Beziehung zur Schwerkraft bildet die Grundlage sowohl der Leistungsfähigkeit als auch pathologischer Veränderungen. Bei Patientinnen und Patienten, die beim Gehen über Schmerzen klagen, ist diese Beziehung zu den Aufprallkräften häufig gestört. Dies führt zu einer unzureichenden Belastungsreaktion und zur Unfähigkeit, die potenzielle Energie der Schwerkraft zu nutzen.

 

Unsere Beziehung zur Schwerkraft beginnt beim menschlichen Fuss. Die Wahrnehmung des Bodens – beziehungsweise das Bedürfnis, ihn zu spüren – ist entscheidend dafür, dass wir uns mühelos in unterschiedlichen natürlichen Umgebungen bewegen können. Der Mensch hat sich daran angepasst, auf weiche, unregelmässige oder rutschige Flächen zu treten, von ihnen herunterzutreten oder sich über sie hinwegzubewegen. Dabei werden der Stoffwechselaufwand minimiert, die Aufprallkräfte reduziert und der vertikale Körperschwerpunkt stabilisiert.¹

 

Wie Nigg und seine Kollegen festgestellt haben, müssen diese Kräfte präzise wahrgenommen werden, damit die Kraft der potenziellen Energie wirksam genutzt werden kann.² Fortschritte bei Schuhen, Orthesen und Bodenbelägen beeinträchtigen jedoch diesen natürlichen Wahrnehmungsprozess und führen zu verzögerten, ungenauen und unzureichenden Belastungsreaktionen. Das Ergebnis? Chronische Überlastung und aufprallbedingte Verletzungen wie Plantarfasziitis, Achillessehnenentzündung, Ermüdungsfrakturen und Schienbeinkantensyndrom.

 

Innervation der plantaren Fussfläche

 

Die unbehaarte Haut der Fusssohle enthält einzigartige haptische beziehungsweise Tastrezeptoren, die entscheidend dafür sind, wie das Gehirn Bewegung wahrnimmt. Wie die Handfläche weist auch die Fusssohle eine dichte Innervation mit Hautrezeptoren auf. Diese übermitteln ein räumliches Abbild von Reizen und ermöglichen dadurch, räumliche Einzelheiten von Oberflächen und Gegenständen zu unterscheiden. Eine hohe Innervationsdichte bedeutet mehr afferente Nervenfasern und eine grössere Repräsentation im motorischen Kortex.³ Der Fuss gehört zu den Körperbereichen, die besonders empfindlich auf sensorische Reize reagieren. Vier verschiedene haptische Rezeptoren beziehungsweise Mechanorezeptoren innervieren die unbehaarte Haut des menschlichen Fusses: langsam adaptierende Rezeptoren vom Typ 1 (SA1), langsam adaptierende Rezeptoren vom Typ 2 (SA2), schnell adaptierende Rezeptoren vom Typ 1 (FA1) und schnell adaptierende Rezeptoren vom Typ 2 (FA2).³

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• SA1-Rezeptoren ermöglichen die Zweipunktdiskrimination mit einer räumlichen Auflösung von 1 mm und erkennen, ob eine Oberfläche glatt oder rau ist. Beim Gehen trägt dies zur Stabilisierung bei.

• SA2-Rezeptoren reagieren auf die Dehnung der Haut; ihre Stimulation reguliert das sympathische Nervensystem herunter.

• FA1-Rezeptoren reagieren auf niederfrequente Vibrationen beziehungsweise Flattern.

• FA2-Rezeptoren reagieren auf hochfrequente Vibrationen.

Kennedy und Mitarbeitende berichteten, dass 70 % der 104 Mechanorezeptoren an der Fusssohle schnell adaptieren und vibrationsempfindlich sind. Dadurch wird vermittelt, mit welcher Kraft der Fuss den Boden berührt, was beim Gehen zur Aufrechterhaltung des dynamischen Gleichgewichts beiträgt.

Robbins und Kollegen berichteten, dass die Mechanorezeptoren der Füsse im Alter von 40 Jahren ihre höchste Empfindlichkeit aufweisen. Im Alter von 70 Jahren benötigen die plantaren Rezeptoren die doppelte Stimulation, um dieselbe Reaktion hervorzurufen. Eine Abnahme der Mechanorezeptorendichte wurde im Alter von 3, 32 und 83 Jahren mit 69, 27 beziehungsweise 8 Rezeptoren pro mm nachgewiesen.⁵ Diese plantaren Mechanorezeptoren sind entscheidend für die Wahrnehmung von Aufprallkräften während dynamischer Bewegungen. Die durch Bodenreaktionskräfte erzeugten Sinnesreize sind komplex und umfassen unter anderem Schmerz, Hautdehnung, Wärme und Vibration. Ein besonderer Schwerpunkt liegt jedoch auf den Vibrationsreizen, die bei jedem Bodenkontakt des Fusses entstehen.²˒⁵ Die FA1- und FA2-Mechanorezeptoren der Fusssohle dienen zur Wahrnehmung sowohl nieder- als auch hochfrequenter Vibrationen und ermöglichen dadurch eine präzise Belastungsreaktion.

 

Muscle-Tuning-Theorie

 

Diese Versteifungsreaktion – die sogenannte Muscle-Tuning-Theorie – beruht auf dem Konzept, dass eine präzise Wahrnehmung der Aufprallkräfte eine präzise Versteifungsreaktion im myofaszialen Gewebe auslöst und dadurch die Speicherung potenzieller Energie ermöglicht. Erwachsene machen durchschnittlich 5 000 bis 8 000 Schritte pro Tag. Bei jedem Aufsetzen des Fusses wirken Bodenreaktionskräfte in Höhe des 1- bis 1,5-Fachen des Körpergewichts innerhalb von weniger als 50 ms auf den Fuss ein.⁶ Für die Genauigkeit der Bewegung müssen sowohl das Ausmass als auch die Geschwindigkeit des Aufpralls berücksichtigt werden.

Die Belastungsrate ist definiert als die maximale vertikale Kraft geteilt durch die Zeit bis zum Erreichen dieser maximalen vertikalen Kraft.⁶ Um diese Aufprallzeit von 50 ms einzuordnen: Schnell kontrahierende Muskelfasern ziehen sich innerhalb von 70 ms zusammen. Aufprallkräfte gelangen somit schneller in den Körper, als unsere Muskeln darauf reagieren können. Viele Patientinnen und Patienten mit aufprallbedingten Verletzungen reagieren verzögert auf den Aufprall. Dies lässt sich häufig darauf zurückführen, dass die Muskulatur nicht schnell genug auf die Reize der Aufprallkräfte reagieren kann. Untersuchungen haben gezeigt, dass unsere Belastungsreaktion bereits vor dem Bodenkontakt des Fusses eingeleitet werden muss, damit Aufprallkräfte wirksam aufgenommen werden können. Dies ist die voraktivierte Belastungsreaktion.² Der begrenzende Faktor dieser Voraktivierung ist unsere Wahrnehmung der Aufprallkräfte. Bestimmtes Schuhwerk, glatte Einlegesohlen, Verletzungen und Erkrankungen können die Wahrnehmung der Aufprallkräfte verzögern.

 

Die Wirkung der Schuhindustrie auf die Bewegung

 

Gängige Materialien für Schuhsohlen, wie sie in vielen Geh- und Laufschuhen verwendet werden, filtern mechanische Reize heraus, die dabei helfen, die plantare Belastung und die Ausrichtung der Fusssohle gegenüber dem Bein präzise einzuschätzen.⁵ Es wurde ausserdem gezeigt, dass Gleichgewicht und Stabilität beim Gehen abnehmen, wenn die Dicke der Zwischensohle zunimmt und ihre Härte abnimmt.⁷ Diese Instabilität kann auf die veränderte Wahrnehmung von Vibrationskräften zurückzuführen sein. Aufprallkräfte helfen uns nicht nur zu erkennen, wie hart wir auf den Boden treffen, sondern auch, das dynamische Gleichgewicht aufrechtzuerhalten. Bei heutigen Schuhinnovationen geht der Trend zu Schuhen mit möglichst geringer Dämpfung, um die Genauigkeit der Bewegung zu optimieren. Die stärkere plantare Stimulation durch minimalistisches Schuhwerk kann die gesamte Fussfunktion verbessern. Chen und Kollegen zeigten, dass Läuferinnen und Läufer, die normalerweise Schuhe trugen und auf minimalistische Schuhe umstiegen, eine deutliche Zunahme des Muskelvolumens in Beinen und Füssen entwickelten.⁸ Ein sicherer Übergang zu minimalistischen Zehenschuhen war gegenüber einer Kontrollgruppe mit herkömmlichen Laufschuhen mit einer stärkeren Zunahme der intrinsischen Fussmuskulatur verbunden.⁹ Neben der Aussensohlengestaltung kann auch die Gestaltung der Einlegesohle die Wahrnehmung sensorischer Reize während dynamischer Bewegungen positiv oder negativ beeinflussen. Waddington und Mitarbeitende zeigten, dass die Werte zur Bewegungsdiskrimination bei Fussballspielern mit Fussballschuhen und Socken deutlich schlechter waren als die gleichzeitig barfuss erhobenen Werte.¹⁰ Durch den Austausch herkömmlicher glatter Einlegesohlen gegen strukturierte Einlegesohlen erreichte die Bewegungsdiskrimination wieder das Barfussniveau.

Es wurde gezeigt, dass feste Unebenheiten auf flachen, relativ steifen Einlegesohlen die vertikalen Bodenreaktionskräfte reduzieren und dadurch Barfussbedingungen nachahmen. Es wurde festgestellt, dass die vertikalen Verformungen strukturierter Einlegesohlen die Epidermis in der horizontalen Ebene verankern. Dadurch entsteht eine Scherverformung, die die Fusssohle stimuliert. Bei Patientinnen und Patienten, die beim Gehen über Schmerzen klagen, muss ein Defizit der Bewegungsgenauigkeit berücksichtigt werden. Diese Bewegungsgenauigkeit beruht auf der Erwartung sensorischer Reize durch Schwerkraft und Bodenreaktionskräfte sowie darauf, wie schnell und effizient diese Kräfte gedämpft, gespeichert und elastisch wieder freigesetzt werden können. Eine Verzögerung – oder eine Wahrnehmungstäuschung der Fusssohle – versetzt die Patientin oder den Patienten in einen reaktiven Zustand. Dadurch werden Bodenreaktionskräfte langsamer abgebaut. Dieser reaktive Zustand kann nicht nur das Risiko aufprallbedingter Verletzungen erhöhen, sondern auch Kräfte und Belastungen auf die Gelenke der Füsse, Knie und des unteren Rückens verstärken.

 

Warum kann sich eine Patientin oder ein Patient in einem reaktiven Zustand befinden?

 

Wie bereits beschrieben, ist Schuhwerk eine mögliche Ursache. Es müssen jedoch auch medizinisch bedingte Veränderungen der Bewegungsgenauigkeit berücksichtigt werden. Erkrankungen wie Diabetes mellitus, Parkinson und Multiple Sklerose können die plantare Sensibilität vermindern. Diese Patientinnen und Patienten können von strukturierten Einlegesohlen oder minimalistischem Schuhwerk profitieren. Unser Ziel für unsere Patientinnen und Patienten ist eine bessere Bewegung. Da Bewegung durch sensorische Reize gesteuert wird, stellt sich bei einigen von ihnen die Frage, wie wir ihnen helfen können, die sensorischen Bewegungsreize besser wahrzunehmen.