Search

Aktuelle In-vivo-Methoden zur Bewertung der Belastung und Dehnung der Achillessehne (AT) in der biomechanischen Literatur haben bestimmte Einschränkungen, die sorgfältig berücksichtigt werden müssen. Daher hatte die erste Studie zum Ziel, die AT-Dehnung und -Kraft während der Fortbewegung mithilfe einer genauen, nicht-invasiven Methode zu messen. Die Länge der AT wurde unter Berücksichtigung ihrer Krümmung mit reflektierenden Folienmarkern von der Insertion am Fersenbein bis zum Übergang zwischen der Muskel-Sehnen-Verbindung des Musculus gastrocnemius medialis (GM-MTJ) gemessen. Die Kraft der AT wurde durch Anpassung einer quadratischen Funktion an die experimentelle Kraft-Längen-Kurve der Sehne ermittelt, die aus maximalen freiwilligen isometrischen Kontraktionen (MVC) gewonnen wurde. Die Ergebnisse der zweiten Studie zeigen, dass eine Erhöhung der Gehgeschwindigkeit zu einer 21%igen Abnahme der maximalen AT-Kraft bei höheren Geschwindigkeiten im Vergleich zur bevorzugten Geschwindigkeit führt, während die Nettobelastung der AT-Kraft am Sprunggelenk (ATF-Arbeit) in Abhängigkeit von der Gehgeschwindigkeit zunimmt. Darüber hinaus trugen eine frühere Plantarflexion, erhöhte elektromyografische Aktivität der Muskeln Sol und GM sowie der Energieübertrag von Knie- zu Sprunggelenk durch die biartikulären Musculi gastrocnemii zu einer 1,7- bzw. 2,4-fachen Zunahme der netto ATF-Mechanik-Arbeit bei Übergangs- und maximalen Gehgeschwindigkeiten bei. Das Ziel der dritten Studie war es, die in der ersten Studie vorgeschlagene Methode zu vereinfachen, indem die Anzahl der reflektierenden Folienmarker reduziert wurde, jedoch die hohe Genauigkeit beibehalten wurde. Die Krümmung der AT wurde mithilfe von reflektierenden Folienmarkern zwischen dem Ursprung des GM-MTJ und dem Einführungsmarker am Fersenbein beurteilt. Unsere Ergebnisse zeigen, dass eine Reduzierung der Anzahl der Folienmarker um 70% beim Gehen und um 50% beim Laufen zu einem marginalen Fehler führen würde und somit e, Current in vivo methods to assess the Achilles tendon (AT) strain and loading in the biomechanics literature have certain limitations that require careful consideration. Therefore, the first study was to measure the AT strain and quantify AT force during locomotion with an accurate non-invasive method. AT length was measured considering its curvature using reflective foil markers from AT insertion at calcaneus to gastrocnemius medialis muscle-tendon junction (GM-MTJ). The force of the AT was calculated by fitting a quadratic function to the experimental tendon force-length curve obtained from maximum voluntary isometric contractions (MVC). The findings in second study indicate that an increase in walking speed leads to a 21% decrease in maximum AT force at higher speeds compared to the preferred speed, yet the net work of the AT force at the ankle joint (ATF-work) increased as a function of walking speed. Additionally, an earlier plantar flexion, increased electromyographic activity of the Sol and GM muscles, and knee-to-ankle joint energy transfer via the biarticular gastrocnemii contributed to a 1.7 and 2.4-fold increase in the net ATF-mechanical work in the transition and maximum walking speeds. The objective of the third study was to simplify the proposed method in the first study by reducing the number of foil reflective markers while preserving high accuracy. The AT curvature was assessed using reflective foil markers between the GM-MTJ origin and the calcaneal insertion marker. Our results indicate that reducing the number of foil markers by 70% during walking and 50% during running would result in a marginal error and, thus, a negligible effect on the AT length and maximum strain measurement.

Bewegungsstabilität wird durch die Fähigkeit des neuromuskulären Systems adäquat auf Störungen der Bewegung antworten zu können erreicht. Einschränkungen der Stabilität werden z. B. mit Sturzrisiko in Verbindung gebracht, was schwere Konsequenzen für die Lebensqualität und Kosten im Gesundheitssystem hat. Nach wie vor wird debattiert, wie eine geeignete Bewertung von Stabilität vorgenommen werden kann. Diese Arbeit behandelt den maximalen Lyapunov Exponenten. Er drückt aus, wie sensitiv das System auf kleine Störungen eines Zustands reagiert. Eine Zeitreihe wird zunächst mittels zeitversetzter Kopien in einen mehrdimensionalen Raum eingebettet. In dieser rekonstruierten Dynamik berechnet man dann die Steigung der mittleren logarithmischen Divergenz initial naher Punkte. Die methodischen Konsequenzen für die Anwendung dieser Systemtheorie auf Bewegungen sind jedoch bislang unzureichend beleuchtet. Der experimentelle Teil zeigt klare Indizien, dass es bei Bewegungen weniger um die Analyse eines komplexen Systemdeterminismus geht, sondern um verschieden hohe dynamische Rauschlevel. Je höher das Rauschlevel, desto instabiler das System. Anwendung von Rauschreduktion führt zu kleineren Effektstärken. Das hat Folgen: Die Funktionswerte der Average Mutual Information, die bisher nur zur Bestimmung des Zeitversatzes genutzt wurden, können bereits Unterschiede in der Stabilität zeigen. Die Abschätzung der Dimension für die Einbettung (unabhängig vom verwendeten Algorithmus), ist stark von der Länge der Zeitreihe abhängig und wird bisher eher überschätzt. Die größten Effekte sind in Dimension drei zu beobachten und ein sehr früher Bereich zur Auswertung der Divergenzkurve ist zu empfehlen. Damit wird eine effiziente und standardisierte Analyse vorgeschlagen, die zudem besser imstande ist, Unterschiede verschiedener Bedingungen oder Gruppen aufzuzeigen., Reductions of movement stability due to impairments of the motor system to respond adequately to perturbations are associated with e. g. the risk of fall. This has consequences for quality of life and costs in health care. However, there is still an debate on how to measure stability. This thesis examines the maximum Lyapunov exponent, which became popular in sports science the last two decades. The exponent quantifies how sensitive a system is reacting to small perturbations. A measured data series and its time delayed copies are embedded in a moredimensional space and the exponent is calculated with respect to this reconstructed dynamic as average slope of the logarithmic divergence curve of initially nearby points. Hence, it provides a measure on how fast two at times near trajectories of cyclic movements depart. The literature yet shows a lack of knowledge about the consequences of applying this system theory to sports science tasks. The experimental part shows strong evidence that, in the evaluation of movements, the exponent is less about a complex determinism than simply the level of dynamic noise present in time series. The higher the level of noise, the lower the stability of the system. Applying noise reduction therefore leads to reduced effect sizes. This has consequences: the values of average mutual information, which are until now only used for calculating the delay for the embedding, can already show differences in stability. Furthermore, it could be shown that the estimation of the embedding dimension d (independently of algorithm), is dependent on the length of the data series and values of d are currently overestimated. The greatest effect sizes were observed in dimension three and it can be recommended to use the very first beginning of the divergence curve for the linear fit. These findings pioneer a more efficient and standardized approach of stability analysis and can improve the ability of showing differences between conditions or groups.

Bewegungsstabilität wird durch die Fähigkeit des neuromuskulären Systems adäquat auf Störungen der Bewegung antworten zu können erreicht. Einschränkungen der Stabilität werden z. B. mit Sturzrisiko in Verbindung gebracht, was schwere Konsequenzen für die Lebensqualität und Kosten im Gesundheitssystem hat. Nach wie vor wird debattiert, wie eine geeignete Bewertung von Stabilität vorgenommen werden kann. Diese Arbeit behandelt den maximalen Lyapunov Exponenten. Er drückt aus, wie sensitiv das System auf kleine Störungen eines Zustands reagiert. Eine Zeitreihe wird zunächst mittels zeitversetzter Kopien in einen mehrdimensionalen Raum eingebettet. In dieser rekonstruierten Dynamik berechnet man dann die Steigung der mittleren logarithmischen Divergenz initial naher Punkte. Die methodischen Konsequenzen für die Anwendung dieser Systemtheorie auf Bewegungen sind jedoch bislang unzureichend beleuchtet. Der experimentelle Teil zeigt klare Indizien, dass es bei Bewegungen weniger um die Analyse eines komplexen Systemdeterminismus geht, sondern um verschieden hohe dynamische Rauschlevel. Je höher das Rauschlevel, desto instabiler das System. Anwendung von Rauschreduktion führt zu kleineren Effektstärken. Das hat Folgen: Die Funktionswerte der Average Mutual Information, die bisher nur zur Bestimmung des Zeitversatzes genutzt wurden, können bereits Unterschiede in der Stabilität zeigen. Die Abschätzung der Dimension für die Einbettung (unabhängig vom verwendeten Algorithmus), ist stark von der Länge der Zeitreihe abhängig und wird bisher eher überschätzt. Die größten Effekte sind in Dimension drei zu beobachten und ein sehr früher Bereich zur Auswertung der Divergenzkurve ist zu empfehlen. Damit wird eine effiziente und standardisierte Analyse vorgeschlagen, die zudem besser imstande ist, Unterschiede verschiedener Bedingungen oder Gruppen aufzuzeigen., Reductions of movement stability due to impairments of the motor system to respond adequately to perturbations are associated with e. g. the risk of fall. This has consequences for quality of life and costs in health care. However, there is still an debate on how to measure stability. This thesis examines the maximum Lyapunov exponent, which became popular in sports science the last two decades. The exponent quantifies how sensitive a system is reacting to small perturbations. A measured data series and its time delayed copies are embedded in a moredimensional space and the exponent is calculated with respect to this reconstructed dynamic as average slope of the logarithmic divergence curve of initially nearby points. Hence, it provides a measure on how fast two at times near trajectories of cyclic movements depart. The literature yet shows a lack of knowledge about the consequences of applying this system theory to sports science tasks. The experimental part shows strong evidence that, in the evaluation of movements, the exponent is less about a complex determinism than simply the level of dynamic noise present in time series. The higher the level of noise, the lower the stability of the system. Applying noise reduction therefore leads to reduced effect sizes. This has consequences: the values of average mutual information, which are until now only used for calculating the delay for the embedding, can already show differences in stability. Furthermore, it could be shown that the estimation of the embedding dimension d (independently of algorithm), is dependent on the length of the data series and values of d are currently overestimated. The greatest effect sizes were observed in dimension three and it can be recommended to use the very first beginning of the divergence curve for the linear fit. These findings pioneer a more efficient and standardized approach of stability analysis and can improve the ability of showing differences between conditions or groups.

Die Bewegungs-kontrollstrategien kontextabhängig und abhängig von unterschiedlichen Kriterien ausgewählt werden. Einerseits ist die Stabilität in den Bewegungszuständen wie der Fortbewegung ausschlaggebend für die ungestörte Ausführung bestimmter Handlungen und erfordert eine effektive Steuerung durch das zentrale Nervensystem. Andererseits wird die Bewegungsstrategieauswahl durch das zentrale Nervensystem dadurch bestimmt, dass die Energiekosten minimiert werden soll. Beide Konzepte (d.h. die Aufrechterhaltung der Stabilität und die Energiekostenminimierung) spielen eine fundamentale Rolle bei der Frage, warum sich Menschen so bewegen, wie sie es tun. Unklar ist dabei allerdings, auf welche Weise das zentrale Nervensystem beide Prinzipien gegeneinander gewichtet. In den letzten 20 Jahren haben uns wissenschaftliche Konzepte wie die Chaostheorie oder die Theorie komplexer Systeme eine neue Herangehensweise an diese Fragen ermöglicht. Diese Arbeit untersucht die dynamische Stabilität menschlicher Fortbewegung mit Hilfe des Konzepts der Ljapunowanalyse. Als erstes wird eine methodologische Untersuchung der Verlässlichkeit des maximalen Ljapunowexponenten beim Gehen und Laufen durchgeführt (Kapitel 2). Danach wird verglichen zwischen dem Laufen unter normalen Umständen und dem darauffolgenden Laufen ohne Schuhe, wobei letzteres eine Abnahme der Stabilität nach dem Übergang zu den neuen Umständen zur Folge hat (Kapitel 3). In der letzten Untersuchung wurde ein unterschiedlich langes Training zur Verbesserung der Laufenergetik durchgeführt, in einer Gruppe nur über einen kurzen und in einer anderen Gruppe über einen etwas längeren Zeitraum (Kapitel 4). Die Ergebnisse zeigen, dass Bewegungskontrollfehler für die Energiekosten beim Laufen eine Rolle spielen können, und legen somit eine flexible Priorisierung der Bewegungskontrolle nahe., Motor control strategies are chosen in a context dependent manner, based on different criteria. On the one hand stability in dynamic conditions such as locomotion, is crucial to uninterrupted task execution and requires effective regulation by the central nervous system. On the other, minimization of the energetic cost of transport is instrumental in choosing the locomotion strategy by the central nervous system. Both these concepts, (i.e. maintaining stability and optimization of energetic cost of locomotion) have a fundamental role on how and why humans move in the way they do. However, how the human central nervous system prioritizes between the different goals is unknown. In the last 20 years, ideas from scientific paradigms such as chaos theory and complex systems have given us novel tools to approach these questions. The current thesis examines the dynamic stability during human locomotion under such an approach using the concept of Lyapunov analysis. At first a methodological examination of the reliability of the maximum Lyapunov exponent in walking and running has been conducted (chapter 2). Afterwards, an examination between the habitual running condition and after removal of footwear was conducted, exhibiting a decrease in stability following the acute transition to the new condition (chapter 3). In the last study, a training intervention aiming at improvements in running energetics was performed using a short-term and a long-term intervention group (chapter 4). The results evidence that motor control errors can have a role in the energy cost of running and thus, a flexible prioritization of the motor control output.

Die Bewegungs-kontrollstrategien kontextabhängig und abhängig von unterschiedlichen Kriterien ausgewählt werden. Einerseits ist die Stabilität in den Bewegungszuständen wie der Fortbewegung ausschlaggebend für die ungestörte Ausführung bestimmter Handlungen und erfordert eine effektive Steuerung durch das zentrale Nervensystem. Andererseits wird die Bewegungsstrategieauswahl durch das zentrale Nervensystem dadurch bestimmt, dass die Energiekosten minimiert werden soll. Beide Konzepte (d.h. die Aufrechterhaltung der Stabilität und die Energiekostenminimierung) spielen eine fundamentale Rolle bei der Frage, warum sich Menschen so bewegen, wie sie es tun. Unklar ist dabei allerdings, auf welche Weise das zentrale Nervensystem beide Prinzipien gegeneinander gewichtet. In den letzten 20 Jahren haben uns wissenschaftliche Konzepte wie die Chaostheorie oder die Theorie komplexer Systeme eine neue Herangehensweise an diese Fragen ermöglicht. Diese Arbeit untersucht die dynamische Stabilität menschlicher Fortbewegung mit Hilfe des Konzepts der Ljapunowanalyse. Als erstes wird eine methodologische Untersuchung der Verlässlichkeit des maximalen Ljapunowexponenten beim Gehen und Laufen durchgeführt (Kapitel 2). Danach wird verglichen zwischen dem Laufen unter normalen Umständen und dem darauffolgenden Laufen ohne Schuhe, wobei letzteres eine Abnahme der Stabilität nach dem Übergang zu den neuen Umständen zur Folge hat (Kapitel 3). In der letzten Untersuchung wurde ein unterschiedlich langes Training zur Verbesserung der Laufenergetik durchgeführt, in einer Gruppe nur über einen kurzen und in einer anderen Gruppe über einen etwas längeren Zeitraum (Kapitel 4). Die Ergebnisse zeigen, dass Bewegungskontrollfehler für die Energiekosten beim Laufen eine Rolle spielen können, und legen somit eine flexible Priorisierung der Bewegungskontrolle nahe., Motor control strategies are chosen in a context dependent manner, based on different criteria. On the one hand stability in dynamic conditions such as locomotion, is crucial to uninterrupted task execution and requires effective regulation by the central nervous system. On the other, minimization of the energetic cost of transport is instrumental in choosing the locomotion strategy by the central nervous system. Both these concepts, (i.e. maintaining stability and optimization of energetic cost of locomotion) have a fundamental role on how and why humans move in the way they do. However, how the human central nervous system prioritizes between the different goals is unknown. In the last 20 years, ideas from scientific paradigms such as chaos theory and complex systems have given us novel tools to approach these questions. The current thesis examines the dynamic stability during human locomotion under such an approach using the concept of Lyapunov analysis. At first a methodological examination of the reliability of the maximum Lyapunov exponent in walking and running has been conducted (chapter 2). Afterwards, an examination between the habitual running condition and after removal of footwear was conducted, exhibiting a decrease in stability following the acute transition to the new condition (chapter 3). In the last study, a training intervention aiming at improvements in running energetics was performed using a short-term and a long-term intervention group (chapter 4). The results evidence that motor control errors can have a role in the energy cost of running and thus, a flexible prioritization of the motor control output.

Die Bewegungs-kontrollstrategien kontextabhängig und abhängig von unterschiedlichen Kriterien ausgewählt werden. Einerseits ist die Stabilität in den Bewegungszuständen wie der Fortbewegung ausschlaggebend für die ungestörte Ausführung bestimmter Handlungen und erfordert eine effektive Steuerung durch das zentrale Nervensystem. Andererseits wird die Bewegungsstrategieauswahl durch das zentrale Nervensystem dadurch bestimmt, dass die Energiekosten minimiert werden soll. Beide Konzepte (d.h. die Aufrechterhaltung der Stabilität und die Energiekostenminimierung) spielen eine fundamentale Rolle bei der Frage, warum sich Menschen so bewegen, wie sie es tun. Unklar ist dabei allerdings, auf welche Weise das zentrale Nervensystem beide Prinzipien gegeneinander gewichtet. In den letzten 20 Jahren haben uns wissenschaftliche Konzepte wie die Chaostheorie oder die Theorie komplexer Systeme eine neue Herangehensweise an diese Fragen ermöglicht. Diese Arbeit untersucht die dynamische Stabilität menschlicher Fortbewegung mit Hilfe des Konzepts der Ljapunowanalyse. Als erstes wird eine methodologische Untersuchung der Verlässlichkeit des maximalen Ljapunowexponenten beim Gehen und Laufen durchgeführt (Kapitel 2). Danach wird verglichen zwischen dem Laufen unter normalen Umständen und dem darauffolgenden Laufen ohne Schuhe, wobei letzteres eine Abnahme der Stabilität nach dem Übergang zu den neuen Umständen zur Folge hat (Kapitel 3). In der letzten Untersuchung wurde ein unterschiedlich langes Training zur Verbesserung der Laufenergetik durchgeführt, in einer Gruppe nur über einen kurzen und in einer anderen Gruppe über einen etwas längeren Zeitraum (Kapitel 4). Die Ergebnisse zeigen, dass Bewegungskontrollfehler für die Energiekosten beim Laufen eine Rolle spielen können, und legen somit eine flexible Priorisierung der Bewegungskontrolle nahe., Motor control strategies are chosen in a context dependent manner, based on different criteria. On the one hand stability in dynamic conditions such as locomotion, is crucial to uninterrupted task execution and requires effective regulation by the central nervous system. On the other, minimization of the energetic cost of transport is instrumental in choosing the locomotion strategy by the central nervous system. Both these concepts, (i.e. maintaining stability and optimization of energetic cost of locomotion) have a fundamental role on how and why humans move in the way they do. However, how the human central nervous system prioritizes between the different goals is unknown. In the last 20 years, ideas from scientific paradigms such as chaos theory and complex systems have given us novel tools to approach these questions. The current thesis examines the dynamic stability during human locomotion under such an approach using the concept of Lyapunov analysis. At first a methodological examination of the reliability of the maximum Lyapunov exponent in walking and running has been conducted (chapter 2). Afterwards, an examination between the habitual running condition and after removal of footwear was conducted, exhibiting a decrease in stability following the acute transition to the new condition (chapter 3). In the last study, a training intervention aiming at improvements in running energetics was performed using a short-term and a long-term intervention group (chapter 4). The results evidence that motor control errors can have a role in the energy cost of running and thus, a flexible prioritization of the motor control output.

Die Bewegungs-kontrollstrategien kontextabhängig und abhängig von unterschiedlichen Kriterien ausgewählt werden. Einerseits ist die Stabilität in den Bewegungszuständen wie der Fortbewegung ausschlaggebend für die ungestörte Ausführung bestimmter Handlungen und erfordert eine effektive Steuerung durch das zentrale Nervensystem. Andererseits wird die Bewegungsstrategieauswahl durch das zentrale Nervensystem dadurch bestimmt, dass die Energiekosten minimiert werden soll. Beide Konzepte (d.h. die Aufrechterhaltung der Stabilität und die Energiekostenminimierung) spielen eine fundamentale Rolle bei der Frage, warum sich Menschen so bewegen, wie sie es tun. Unklar ist dabei allerdings, auf welche Weise das zentrale Nervensystem beide Prinzipien gegeneinander gewichtet. In den letzten 20 Jahren haben uns wissenschaftliche Konzepte wie die Chaostheorie oder die Theorie komplexer Systeme eine neue Herangehensweise an diese Fragen ermöglicht. Diese Arbeit untersucht die dynamische Stabilität menschlicher Fortbewegung mit Hilfe des Konzepts der Ljapunowanalyse. Als erstes wird eine methodologische Untersuchung der Verlässlichkeit des maximalen Ljapunowexponenten beim Gehen und Laufen durchgeführt (Kapitel 2). Danach wird verglichen zwischen dem Laufen unter normalen Umständen und dem darauffolgenden Laufen ohne Schuhe, wobei letzteres eine Abnahme der Stabilität nach dem Übergang zu den neuen Umständen zur Folge hat (Kapitel 3). In der letzten Untersuchung wurde ein unterschiedlich langes Training zur Verbesserung der Laufenergetik durchgeführt, in einer Gruppe nur über einen kurzen und in einer anderen Gruppe über einen etwas längeren Zeitraum (Kapitel 4). Die Ergebnisse zeigen, dass Bewegungskontrollfehler für die Energiekosten beim Laufen eine Rolle spielen können, und legen somit eine flexible Priorisierung der Bewegungskontrolle nahe., Motor control strategies are chosen in a context dependent manner, based on different criteria. On the one hand stability in dynamic conditions such as locomotion, is crucial to uninterrupted task execution and requires effective regulation by the central nervous system. On the other, minimization of the energetic cost of transport is instrumental in choosing the locomotion strategy by the central nervous system. Both these concepts, (i.e. maintaining stability and optimization of energetic cost of locomotion) have a fundamental role on how and why humans move in the way they do. However, how the human central nervous system prioritizes between the different goals is unknown. In the last 20 years, ideas from scientific paradigms such as chaos theory and complex systems have given us novel tools to approach these questions. The current thesis examines the dynamic stability during human locomotion under such an approach using the concept of Lyapunov analysis. At first a methodological examination of the reliability of the maximum Lyapunov exponent in walking and running has been conducted (chapter 2). Afterwards, an examination between the habitual running condition and after removal of footwear was conducted, exhibiting a decrease in stability following the acute transition to the new condition (chapter 3). In the last study, a training intervention aiming at improvements in running energetics was performed using a short-term and a long-term intervention group (chapter 4). The results evidence that motor control errors can have a role in the energy cost of running and thus, a flexible prioritization of the motor control output.

Die Bewegungs-kontrollstrategien kontextabhängig und abhängig von unterschiedlichen Kriterien ausgewählt werden. Einerseits ist die Stabilität in den Bewegungszuständen wie der Fortbewegung ausschlaggebend für die ungestörte Ausführung bestimmter Handlungen und erfordert eine effektive Steuerung durch das zentrale Nervensystem. Andererseits wird die Bewegungsstrategieauswahl durch das zentrale Nervensystem dadurch bestimmt, dass die Energiekosten minimiert werden soll. Beide Konzepte (d.h. die Aufrechterhaltung der Stabilität und die Energiekostenminimierung) spielen eine fundamentale Rolle bei der Frage, warum sich Menschen so bewegen, wie sie es tun. Unklar ist dabei allerdings, auf welche Weise das zentrale Nervensystem beide Prinzipien gegeneinander gewichtet. In den letzten 20 Jahren haben uns wissenschaftliche Konzepte wie die Chaostheorie oder die Theorie komplexer Systeme eine neue Herangehensweise an diese Fragen ermöglicht. Diese Arbeit untersucht die dynamische Stabilität menschlicher Fortbewegung mit Hilfe des Konzepts der Ljapunowanalyse. Als erstes wird eine methodologische Untersuchung der Verlässlichkeit des maximalen Ljapunowexponenten beim Gehen und Laufen durchgeführt (Kapitel 2). Danach wird verglichen zwischen dem Laufen unter normalen Umständen und dem darauffolgenden Laufen ohne Schuhe, wobei letzteres eine Abnahme der Stabilität nach dem Übergang zu den neuen Umständen zur Folge hat (Kapitel 3). In der letzten Untersuchung wurde ein unterschiedlich langes Training zur Verbesserung der Laufenergetik durchgeführt, in einer Gruppe nur über einen kurzen und in einer anderen Gruppe über einen etwas längeren Zeitraum (Kapitel 4). Die Ergebnisse zeigen, dass Bewegungskontrollfehler für die Energiekosten beim Laufen eine Rolle spielen können, und legen somit eine flexible Priorisierung der Bewegungskontrolle nahe., Motor control strategies are chosen in a context dependent manner, based on different criteria. On the one hand stability in dynamic conditions such as locomotion, is crucial to uninterrupted task execution and requires effective regulation by the central nervous system. On the other, minimization of the energetic cost of transport is instrumental in choosing the locomotion strategy by the central nervous system. Both these concepts, (i.e. maintaining stability and optimization of energetic cost of locomotion) have a fundamental role on how and why humans move in the way they do. However, how the human central nervous system prioritizes between the different goals is unknown. In the last 20 years, ideas from scientific paradigms such as chaos theory and complex systems have given us novel tools to approach these questions. The current thesis examines the dynamic stability during human locomotion under such an approach using the concept of Lyapunov analysis. At first a methodological examination of the reliability of the maximum Lyapunov exponent in walking and running has been conducted (chapter 2). Afterwards, an examination between the habitual running condition and after removal of footwear was conducted, exhibiting a decrease in stability following the acute transition to the new condition (chapter 3). In the last study, a training intervention aiming at improvements in running energetics was performed using a short-term and a long-term intervention group (chapter 4). The results evidence that motor control errors can have a role in the energy cost of running and thus, a flexible prioritization of the motor control output.

Insects show a great variety of mouthpart and muscle configurations; however, knowledge of their mouthpart kinematics and muscle activation patterns is fragmentary. Understanding the role of muscle groups during movement and comparing them between insect groups could yield insights into evolutionary patterns and functional constraints. Here, we developed a mathematical inverse dynamic model including distinct muscles for an insect head-mandible-muscle complex based on micro-computed tomography (mu CT) data and bite force measurements. With the advent of mu CT, it is now possible to obtain precise spatial information about muscle attachment areas and head capsule construction in insects. Our model shows a distinct activation pattern for certain fibre groups potentially related to a geometry-dependent optimization. Muscle activation patterns suggest that intramandibular muscles play a minor role in bite force generation, which is a potential reason for their loss in several lineages of higher insects. Our model is in agreement with previous studies investigating fast and slow muscle fibres and is able to resolve the spatio-temporal activation patterns of these different muscle types in insects. The model used here has a high potential for large-scale comparative analyses on the role of different muscle setups and head capsule designs in the megadiverse insects in order to aid our understanding of insect head capsule and mouthpart evolution under mechanical constraints.

Insects show a great variety of mouthpart and muscle configurations; however, knowledge of their mouthpart kinematics and muscle activation patterns is fragmentary. Understanding the role of muscle groups during movement and comparing them between insect groups could yield insights into evolutionary patterns and functional constraints. Here, we developed a mathematical inverse dynamic model including distinct muscles for an insect head-mandible-muscle complex based on micro-computed tomography (mu CT) data and bite force measurements. With the advent of mu CT, it is now possible to obtain precise spatial information about muscle attachment areas and head capsule construction in insects. Our model shows a distinct activation pattern for certain fibre groups potentially related to a geometry-dependent optimization. Muscle activation patterns suggest that intramandibular muscles play a minor role in bite force generation, which is a potential reason for their loss in several lineages of higher insects. Our model is in agreement with previous studies investigating fast and slow muscle fibres and is able to resolve the spatio-temporal activation patterns of these different muscle types in insects. The model used here has a high potential for large-scale comparative analyses on the role of different muscle setups and head capsule designs in the megadiverse insects in order to aid our understanding of insect head capsule and mouthpart evolution under mechanical constraints.

Background: Heterogeneous distribution of tendon strain is considered to contribute to the development of the Achilles tendon overuse injuries. Force distribution between the three portions of the triceps surae muscle and position of the calcaneus might affect the extent of strain differences within the Achilles tendon. Purpose of this study was to determine the effect of changes in force distribution within the triceps muscle and changes in calcaneus position on intratendinous strain distribution of the Achilles tendon. Methods: Five cadaveric Achilles tendons including complete triceps surae and calcaneus were dissected. Specimens were mounted in a loading simulator allowing independent force application for the three parts of triceps muscle and changes calcaneus eversion and inversion position. Strain was determined in different aspects of the Achilles tendon. Findings: Changes of calcaneus position resulted in intratendinous strain differences up to 15%, changes in force distribution within the triceps muscle resulted in strain differences up to 2.5%. Calcaneal eversion was connected to a higher degree of strain in medial tendon portions, while inversion increased strain in lateral tendon portions. Interpretation: Medio-lateral, proximo-distal and dorsal-ventral distribution of tendon strain is rather influenced by kinematics of the subtalar joint than by muscular imbalances within the triceps muscle. Clinical movement analyses should focus on motion pattern combining rearfoot eversion with high Achilles tendon load. The results indicate that twist of the Achilles tendon fascicles seems of paramount importance in balancing tendon strain. To get more insight into the Achilles tendon injuries pathogenesis future research should focus on methods monitoring heterogeneous distribution of strain in vivo. (C) 2012 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Background: Heterogeneous distribution of tendon strain is considered to contribute to the development of the Achilles tendon overuse injuries. Force distribution between the three portions of the triceps surae muscle and position of the calcaneus might affect the extent of strain differences within the Achilles tendon. Purpose of this study was to determine the effect of changes in force distribution within the triceps muscle and changes in calcaneus position on intratendinous strain distribution of the Achilles tendon. Methods: Five cadaveric Achilles tendons including complete triceps surae and calcaneus were dissected. Specimens were mounted in a loading simulator allowing independent force application for the three parts of triceps muscle and changes calcaneus eversion and inversion position. Strain was determined in different aspects of the Achilles tendon. Findings: Changes of calcaneus position resulted in intratendinous strain differences up to 15%, changes in force distribution within the triceps muscle resulted in strain differences up to 2.5%. Calcaneal eversion was connected to a higher degree of strain in medial tendon portions, while inversion increased strain in lateral tendon portions. Interpretation: Medio-lateral, proximo-distal and dorsal-ventral distribution of tendon strain is rather influenced by kinematics of the subtalar joint than by muscular imbalances within the triceps muscle. Clinical movement analyses should focus on motion pattern combining rearfoot eversion with high Achilles tendon load. The results indicate that twist of the Achilles tendon fascicles seems of paramount importance in balancing tendon strain. To get more insight into the Achilles tendon injuries pathogenesis future research should focus on methods monitoring heterogeneous distribution of strain in vivo. (C) 2012 Elsevier Ltd. All rights reserved.