Neuronale Kontrolle der Fortbewegung
Leitung: Dr. Alessandro Santuz
Doktoranden: Victor Hugo Muñoz, Leon Brüll
Alumni: Dr. Lars Janshen, Dr. Antonis Ekizos
In der Arbeitsgruppe verwenden wir einen multidisziplinären Ansatz, um ein zentrales Thema der Neurowissenschaft zu untersuchen: Die Erzeugung und Kontrolle von Bewegungen. Durch die Kombination analytischer, rechentechnischer und experimenteller Methoden versuchen wir unser Verständnis davon zu vertiefen, wie neuronale Bahnen für die Lokomotion organisiert sind. In dem Bestreben Grundlagenforschung auf alltagsrelevante Bewegungsformen anzuwenden, erweitern wir unsere Analysen auf die Fortbewegung in anspruchsvollem Terrain und unter instabilen Bedingungen. So können wir während des Gehens oder Laufens unerwartete Störungen durch unebene Untergründe oder bewegliche Laufbänder und Plattformen auslösen. Wir glauben, dass das Zentralnervensystem die Robustheit der Bewegung durch eine Anpassung der entsprechenden neuronalen Befehle unter diesen Bedingungen erhöht und durch diese Prozesse die grundlegenden Steuerungsmechanismen der Lokomotion besser untersucht werden können.
Unsere Arbeitsgruppe untersucht die modulare Kontrolle des menschlichen Gehens und Laufens mittels des Muskelsynergie-Konzeptes (d.h. die Kontrolle mehrerer Muskelgruppen über gemeinsame neuronale Bahnen). Komplementierende Ansätze in diesem Rahmen sind: Quantifizierung lokaler Stabilität (maximale Lyapunov Exponenten), Energiekostenabschätzung, Analyse der Muskel-Sehnen-Interaktion und des Muskelfaserverhaltens. Das Team profitiert von einer vielfältigen Expertise. Ingenieure, Sportwissenschaftler und Mathematiker arbeiten in dem gemeinsamen Bestreben zusammen, den mysteriösen Code zu knacken, mit dem das Zentralnervensystem Bewegungen steuert.
Unebenes Laufband für die Untersuchung der Fortbewegung mit Störungen
(Santuz et al. (2018), Sci. Rep. 8, 2740)
Vier Muskelsynergien sind ausreichend, um die Aktivität von 13 Beinmuskeln in den entsprechenden vier Phasen des Bewegungszyklus beim Laufen zu beschreiben.
Ausgewählte Publikationen
2022
Santuz, A., Janshen, L., Brüll, L., Munoz-Martel, V., Taborri, J., Rossi, S. & Arampatzis, A. Sex-specific tuning of modular muscle activation patterns for locomotion in young and older adults. PLoS One 17, e0269417 (2022).
2021
Janshen, L., Santuz, A. & Arampatzis, A. Muscle Synergies in Patients With Multiple Sclerosis Reveal Demand-Specific Alterations in the Modular Organization of Locomotion. Front. Hum. Neurosci. 14, (2021).
Munoz-Martel, V., Santuz, A., Bohm, S. & Arampatzis, A. Neuromechanics of Dynamic Balance Tasks in the Presence of Perturbations. Front. Hum. Neurosci. 14, (2021).
2020
Santuz, A., Ekizos, A., Kunimasa, Y., Kijima, K., Ishikawa, M. & Arampatzis, A. Lower complexity of motor primitives ensures robust control of high-speed human locomotion. Heliyon 6, e05377 (2020).
Mileti, I., Serra, A., Wolf, N., Munoz-Martel, V., Ekizos, A., Palermo, E., Arampatzis, A. & Santuz, A. Muscle activation patterns are more constrained and regular in treadmill than in overground human locomotion. Front. Bioeng. Biotechnol. (2020).
Santuz, A. & Akay, T. Fractal analysis of muscle activity patterns during locomotion: pitfalls and how to avoid them. J. Neurophysiol. jn.00360.2020 (2020).
Santuz, A., Brüll, L., Ekizos, A., Schroll, A., Eckardt, N., Kibele, A., Schwenk, M. & Arampatzis, A. Neuromotor Dynamics of Human Locomotion in Challenging Settings. iScience 23, 100796 (2020).
Janshen, L., Santuz, A., Ekizos, A. & Arampatzis, A. Fuzziness of muscle synergies in patients with multiple sclerosis indicates increased robustness of motor control during walking. Sci. Rep. 10, 7249 (2020).
2019
Santuz, A., Akay, T., Mayer, W.P., Wells, T.L., Schroll, A. & Arampatzis, A. Modular organization of murine locomotor pattern in the presence and absence of sensory feedback from muscle spindles. J. Physiol. 597, 3147–3165 (2019).
Munoz-Martel, V., Santuz, A., Ekizos, A. & Arampatzis, A. Neuromuscular organisation and robustness of postural control in the presence of perturbations. Sci. Rep. 9, 12273 (2019).
2018
Santuz, A., Ekizos, A., Janshen, L., Mersmann, F., Bohm, S., Baltzopoulos, V. & Arampatzis, A. Modular Control of Human Movement During Running: An Open Access Data Set. Front. Physiol. 9, 1509 (2018).
Santuz, A., Ekizos, A., Eckardt, N., Kibele, A. & Arampatzis, A. Challenging human locomotion: stability and modular organisation in unsteady conditions. Sci. Rep. 8, 2740 (2018).
Ekizos, A., Santuz, A., Schroll, A. & Arampatzis, A. The Maximum Lyapunov Exponent During Walking and Running: Reliability Assessment of Different Marker-Sets. Front. Physiol. 9, 1101 (2018).
Ekizos, A., Santuz, A. & Arampatzis, A. Short- and long-term effects of altered point of ground reaction force application on human running energetics. J. Exp. Biol. 221, jeb176719 (2018).
2017
Santuz, A., Ekizos, A., Janshen, L., Baltzopoulos, V. & Arampatzis, A. The Influence of Footwear on the Modular Organization of Running. Front. Physiol. 8, 958 (2017).
Santuz, A., Ekizos, A., Janshen, L., Baltzopoulos, V. & Arampatzis, A. On the Methodological Implications of Extracting Muscle Synergies from Human Locomotion. Int. J. Neural Syst. 27, 1750007 (2017).
Ekizos, A., Santuz, A. & Arampatzis, A. Transition from shod to barefoot alters dynamic stability during running. Gait Posture 56, 31–36 (2017).
Janshen, L., Santuz, A., Ekizos, A. & Arampatzis, A. Modular control during incline and level walking in humans. J. Exp. Biol. 220, 807–813 (2017).
2016
Santuz, A., Ekizos, A. & Arampatzis, A. A Pressure Plate-Based Method for the Automatic Assessment of Foot Strike Patterns During Running. Ann. Biomed. Eng. 44, 1646–1655 (2016).