Effects of hypergravity on manual forces and displacements: causes and practical implications - Guardiera, S. (Deutsche Sporthochschule Köln, Institut für Physiologie und Anatomie, 2009)
Zahlreiche Studien haben die menschliche Motorik in Phasen erhöhter Erdbeschleunigung (+Gz) untersucht und Defizite z.B. bei Folge-, Zeige- und Kraftproduktionsaufgaben gefunden. Im letzteren Fall führte +Gz zu stark überhöhten Armkräften, wenn die Probanden einen isometrischen Joystick verwendeten. Da viele Hochleistungsflugzeuge durch solche Joysticks kontrolliert werden, könnten diese überhöhten Kräfte die Flugstabilität beeinträchtigen und daher die Sicherheit der Piloten während +Gz Flugmanövern wie Loopings und Kurven gefährden. Jedoch bleiben zahlreiche Fragen in diesem Kontext unklar: Reduziert sich die Krafterhöhung in +Gz durch ein Training? Zeigt sich bei +Gz-erfahrenen Piloten die gleiche Krafterhöhung wie bei +Gz-unerfahrenen Probanden? Sind manuelle Auslenkungen mit einem regulären Joystick wie er in anderen Flugzeugmodellen genutzt wird ebenfalls durch +Gz beeinträchtigt? Hat +Gz auch einen Einfluss auf Prozesse des motorischen Lernens? Solche Fragen beziehen sich alle auf den operativen Hintergrund von Piloten, die Hochleistungsjets fliegen, und entsprechende Antworten könnten helfen, die Flugausbildung und den Arbeitsalltag solcher Piloten zu verbessern. Neben diesen anwendungsorientierten Fragen ist eine andere, grundlegende Frage auffallend: Warum produzieren Probanden erhöhte isometrische Kräfte in +Gz? Entsprechend der Literatur sind einige potentielle Gründe wie mechanische Aspekte, gestörtes Sehvermögen oder propriozeptive Defizite nicht in der Lage diesen Effekt zu erklären, wohingegen andere Aspekte, wie kognitive Belastung, körperliche Aktivität, vestibulo-spinale Aktivität oder psycho-physiologischer Stress tatsächlich die beobachtete Krafterhöhung in +Gz erklären könnten. Allerdings fehlen nützliche wissenschaftliche Daten, die diese letzten Theorien unterstützen würden. Daher beinhaltet diese Promotion die Untersuchung sowohl von Fragen zur Motorik in Bezug auf fliegerische Tätigkeiten, als auch von möglichen Gründen für die +Gz-bedingte Krafterhöhung, um so das aktuelle Wissen in anwendungs- und grundlagenorientierten wissenschaftlichen Themen zur Motorik in +Gz zu erweitern. Hinsichtlich der wissenschaftlichen Fragestellungen bezogen auf fliegerische Tätigkeiten konnten wir zeigen, dass die beobachtete Erhöhung isometrischer Kräfte in +Gz partiell durch ein anhaltendes Training in +Gz ausgeglichen werden konnte, wohingegen ein gleichwertiges Training bei normaler Erdbeschleunigung entsprechend eines Simulatortrainings auf der Erde unwirksam war. Darüber hinaus konnte eine längerfristige Gewöhnung an die +Gz Umgebung nicht beobachtet werden, da professionelle Jetpiloten, die in Trainingsflügen regelmäßig +Gz ausgesetzt sind, nur eine geringfügig kleinere Verschlechterung bei der isometrischen Kraftproduktion zeigen als +Gz-unerfahrene Probanden. Ferner konnten wir zeigen, dass weder manuelle Auslenkungen eines regulären Joysticks, noch die Fähigkeit der Probanden, ihre Motorik an unbekannte Situationen anzupassen, negativ durch +Gz beeinträchtigt sind. Die Untersuchung möglicher Gründe für die beobachtete Krafterhöhung in +Gz zeigte, dass auch eine kognitive Belastung als zugrundeliegender Mechanismus für den Kraftanstieg in +Gz unwahrscheinlich ist, da der kognitive Aufwand bei der Untersuchung mittels der Doppeltätigkeitsmethode nicht mit dem +Gz-Level variierte. Darüber hinaus konnten wir zeigen, dass körperliche Aktivität die isometrische Kraftproduktion beeinträchtigt, sich dieser Effekt aber qualitativ von der beobachteten Krafterhöhung in +Gz unterscheidet, so dass körperliche Aktivität wahrscheinlich ebenfalls nicht der Grund für die erhöhte Kraftproduktion in +Gz ist. Im Gegensatz dazu beschreibt die vorliegende Promotion Experimente zur Kraftproduktion während Phasen von linearer Vektion, welche die Vermutung unterstützen, dass eine gesteigerte vestibulo-spinale Aktivität ein Grund für die erhöhte Kraftproduktion in +Gz ist. Zusätzlich könnten auch +Gz bedingte psycho-physiologische Veränderungen ein relevanter Faktor sein, da wir zeigen konnten, dass +Gz zu einem umfassenden Anstieg in unterschiedlichen Stresshormonkonzentrationen führt, welche einhergeht mit einer Reduktion der wahrgenommenen körperlichen und mentalen Verfassung. Da manuelle Auslenkungen weder in +Gz, bei vestibulärer Stimulation noch bei körperlicher Aktivität beeinträchtigt waren, scheinen die zugrundeliegenden Mechanismen nur Kräfte, jedoch keine Bewegungen zu beeinflussen.