Sensomotorisches Potenzial vom intakten und traumatisierten vorderen und hinteren Kreuzband - eine tierexperimentelle, neurophysiologische Studie

Zusammenfassung

Studienziel: Ziel der tierexperimentellen Untersuchung ist die Klärung der Fragestellung, ob und inwieweit das vordere und das hintere Kreuzband über ein sensomotorisches Potenzial verfügen und somit neben der biomechanisch-ligamentären Stabilisierung über einen ligamentomuskulären Reflexbogen direkt an der dynamisch-muskulären Gelenkstabilisation beteiligt sind. Zusätzlich wird die klinisch relevante Fragestellung untersucht, inwieweit ligamentäre Verletzungen dieses sensomotorische Potenzial beeinflussen und damit zur Störung der Gelenkfunktion führen. Methode: Insgesamt wurden 24 Kniegelenke anästhesierter Schwarzkopfschafe im In-vivo-Versuch getestet. Es erfolgte die definierte, mechanische Belastung der Kreuzbänder mit simultaner, elektromyographischer Ableitung über der ischiokruralen- und Quadrizepsmuskulatur, die ligamentäre Verletzung wurde durch eine sukzessive Ligamentelongation bis zur Ruptur simuliert. Ergebnisse: Die Ergebnisse bestätigen die Hypothese der Existenz eines ligamentomuskulären Reflexbogens zwischen ligamentären Mechanorezeptoren und gelenkstabilisierender Muskulatur. Die Belastung des VKB initiierte eine Aktivierung der agonistisch wirksamen ischiokruralen Muskulatur, wohingegen die Belastung des HKB zu einer Aktivierung der Quadrizepsmuskulatur führte. Die Simulation der Bandverletzung zeigte, dass das sensomotorische Potenzial der Kreuzbänder bereits bei Dehnungsraten deutlich unterhalb der Bandruptur signifikant gestört wurde. Schlussfolgerung: Die Kreuzbänder sind über einen ligamentomuskulären Reflexbogen direkt an der dynamischen Gelenkstabilisation beteiligt. Das sensomotorische Potenzial dieser Strukturen ist erheblich verletzungsanfälliger als deren biomechanische Integrität.

Abstract

Aim: This neurophysiological study is intended to investigate the sensomotoric potential of the anterior cruciate ligament (ACL) and the posterior cruciate ligament (PCL) which may provide joint stabilization via a ligamentomuscular reflex arch. In addition, the role of ligamentous injury on the sensomotoric potential has been investigated. Method: The sensomotoric potential was investigated using 24 knee joints in a sheep model under in-vivo conditions. The cruciate ligaments were mechanically loaded and the muscular activities of the hamstrings and the quadriceps were recorded simultaneously via electromyography. Injury to the ligaments was simulated by defined mechanical elongation of the ACL and PCL to failure. Results: The results confirm the hypothesis of the existence of a ligamentomuscular reflex loop between ligamentary mechanoreceptors and the joint-stabilizing muscles. Mechanical loading of the ACL triggered mainly the activity of the hamstrings, whereas loading of the PCL led to the activation of the quadriceps. The rate of elongation which caused disturbances to the sensomotric potential was significantly smaller as compared to the elongation to failure. Conclusion: The cruciate ligaments provide dynamic joint stabilization via a ligamentomuscular reflex arch. It was demonstrated that the sensomotoric potential of both structures is significantly more susceptible to ligament injury than the biomechanical potential.

sensomotorisches System - vorderes Kreuzband - hinteres Kreuzband - Propriozeption - Bandverletzung

sensomotoric system - anterior cruciate ligament - posterior cruciate ligament - proprioception - ligament injury

Literatur

• 1 Barrett D S. Proprioception and function after anterior cruciate reconstruction.  J Bone Joint Surg [Br]. 1991;  5 833-837
• 2 Fremerey R, Lobenhoffer P, Zeichen J, Skutek M, Bosch U. Proprioception after rehabilitation and reconstruction in anterior cruciate ligament deficient knees. J Bone Joint Surg [Br] 2000; 801-806
• 3 Kaplan F S, Nixon J E, Reitz M, Rindfleisch L, Tucker J. Age-related changes in joint proprioception and sensation of joint position.  Acta Orthop Scand. 1985;  1 72-74
• 4 Solomonow M, Barratta R, Zhou B H, Shoji H, Bose W, Beck C, D'Ambrosia R. The synergistic action of the anterior cruciate ligament and thigh muscles in maintaining joint stability.  Am J Sports Med. 1987;  3 207-213
• 5 Andrew B L, Dodt E. The development of sensory nerve endings at the knee joint of the cat. Acta Physiol Scand 1954; 287-296
• 6 Boyd I A. The histological structure of the receptors in the knee joint of the cat correlated with their physiological response.  J Physiol. 1954;  124 (3) 476-488
• 7 Schultz R A, Miller D C, Kerr C S, Micheli L. Mechanoreceptors in human cruciate ligaments. A histological study.  J Bone Joint Surg [Am]. 1984;  7 1072-1076
• 8 McCloskey D I. Differences between the senses of movement and position shown by the effects of loading and vibration of muscle in man.  Brain Res. 1973;  61 119-131
• 9 Nieuwenhuys R, Voogd J, Huijzen C. The human central nervous system. 3rd ed. Springer, Berlin, Heidelberg, New York, Tokyo 1988
• 10 Biedert R M, Stauffer E, Friedrich N F. Occurence of free nerve endings in the soft tissue of the joint. A histological investigation.  Am J Sports Med. 1992;  4 430-433
• 11 Clark F J, Burgess R C. Slowly adapting receptors in cat knee joint: can they signal joint angle?.  J Neurophysiol. 1975;  6 1448-1463
• 12 Grigg P, Hoffman A H, Fogarty K E. Properties of Ruffini afferents revealed by stress analysis of isolated section of cat knee capsule.  J Neurophysiol. 1982;  6 41-54
• 13 Guyton A C. Textbook of Medical Physiology. 7th ed., WB Saunders, Philadelphia 1986
• 14 Jankowska E. Interneuronal relay in spinal pathways from proprioceptors.  Proc Neurobiol. 1992;  38 (4) 335-378
• 15 Johansson H, Sjölander P, Sojka P. Receptors in the knee joint ligaments and their role in the biomechanics of the joint.  Crit Rev Biomed Eng. 1991;  18 (5) 341-368
• 16 Raunest J, Sager M, Bürgener E. Proprioceptive mechanisms in the cruciate ligaments: An electromyographic study on reflex activity in the thigh muscles.  J Trauma. 1996;  3 488-493
• 17 Winter D A, Yack H J. EMG profiles during normal walking: stride-to-stride and inter-subject variability.  Electroencephalogr Clin Neurophysiol. 1987;  5 402-411
• 18 Claes L. Biomechanische Eigenschaften humaner Bänder. In: Burri C, Claes L (eds). Alloplastischer Bandersatz. Hans Huber, Bern, Stuttgart, Wien 1983
• 19 Johansson H, Sjölander P, Sojka P. A sensory role for the cruciate ligaments.  Clin Orthop. 1991;  268 161-178
• 20 Zimny M L. Mechanoreceptors in articular tissues.  Am J Anat. 1988;  182 16-32
• 21 Grüber J, Wolter D, Lierse W. Der vordere Kreuzbandreflex (LCA-Reflex).  Unfallchirurg. 1986;  12 551-554
• 22 Fujita I, Nishikawa T, Kambic H E, Andrish J T, Grabiner M D. Characterization of hamstring reflexes during anterior cruciate ligament disruption: in vivo results from a goat model.  J Orthop Res. 2000;  2 183-189
• 23 Johansson H, Sjolander P, Sojka P. Activity in receptor afferents from the anterior cruciate ligament evokes reflex effects on fusimotor neurones.  Neurosci Res. 1990;  1 54-59
• 24 Petersen I, Stener B. Experimental evaluation of the hypothesis of ligament-muscular protective reflexes - part II.  Acta Physiol Scand. 1959;  48 51
• 25 Taylor R G, Abresch R T, Lieberman J S, Fowler W M, Portwood M M. Effect of pentobarbital on contractility of mouse skeletal muscle.  Exp Neurol. 1984;  2 254-263
• 26 Somjen G, Carpenter D, Henneman E. Selective depression of alpha motoneurons of small size by ether.  J Pharmacol Exp Ther. 1965;  148 380
• 27 Johansson H, Sjölander P, Sojka P. Reflex actions on the χ-muscle spindle system of muscles acting at the knee joint elicited by stretch of the posterior cruciate ligament. Neuroorthopedics 1989; 9
• 28 Biedert R M, Zwick E B. Ligament-muscle reflex arc after anterior cruciate ligament reconstruction: Electromyographic evaluation.  Arch Orthop Trauma Surg. 1998;  1-2 81-84
• 29 Kennedy J C, Alexander I J, Hayes K C. Nerve supply of the human knee and its functional importance.  Am J Sports Med. 1982;  6 329-335
• 30 Shoemaker S C, Daniel D M. The Limits of Knee Motion. In: Daniel D, Akeson W, O'Connor J (eds). Knee Ligaments-Structure, Function, Injury, and Repair. Ravenpress, New York 1990
• 31 Jarvinen M, Kannus P, Johnson R J. How to treat knee ligament injuries?.  Ann Chir Gynaecol. 1991;  80 134-140