Unter Elektrostimulation versteht man allgemein die Reizung des menschlichen Körpers durch elektrische Felder.
Geschichte Im Jahr 1819 hatte Giovanni Aldini erstmals Elektrostimulationen bei Herzen enthaupteter Menschen durchgeführt und galvanische Ströme zur Behandlung von Synkopen empfohlen. Der Franzose Duchenne wandte 1870 galvanischen Strom bei einem Patienten mit Diphtherie zur Behandlung eines verlangsamten Pulses an. In Sydney hatte Gould 1929 ein Gerät entwickelt, mit dem er durch Elektrostimulation einen Säugling mit Pulsverlust wiederbelebte. Der Mediziner W. H. Sweet behandelte 1947 einen intraoperativen Herzstillstand erfolgreich durch Reizung des Sinuatrialknotens. Mittels externer (transthorakaler) Elektrostimulation behob Paul Maurice Zoll 1952 einen Herzstillstand bei einem Menschen.Friedrich Wilhelm Hehrlein: Herz und große Gefäße. In: Franz Xaver Sailer, Friedrich Wilhelm Gierhake (Hrsg.): Chirurgie historisch gesehen: Anfang – Entwicklung – Differenzierung. Dustri-Verlag, Deisenhofen bei München 1973, ISBN 3-87185-021-7, S. 164–185, hier: S. 178–182.
Medizinische Elektrostimulation – Elektrotherapie
Beim Ausfall von Nerven in der Peripherie des Körpers, also besonders an Armen und Beinen, kommt es zum Abbau von Muskelzellen des vom gelähmten Nerv versorgten Muskels. Um dies zu vermeiden, wird während einer Therapiesitzung mit Hilfe von angebrachten Elektroden mit geringen Stromstößen die Ansteuerung des betroffenen Nervs simuliert. Dadurch wird der bedrohte Muskel stimuliert, bewegt sich also wieder und soll nicht atrophieren.
Die Muskeln reagieren auf verschiedene Modulationsarten des Stromes unterschiedlich ausgeprägt. Im Allgemeinen werden mit exponentiellen Spannungsverläufen die besten Ergebnisse erzielt.
Die Elektrostimulation wird auch in der Humanmedizin bei Männern mit Anejakulation und in der Veterinärmedizin zur Gewinnung von Ejakulat bei Zuchttieren genutzt.
Gefahren
Der menschliche Körper reagiert auf elektrische Ströme. Elektrische Spannungen (< 40 V) können unter ungünstigen Bedingungen (z. B. bei starker Schweißbildung und damit guter elektrischer Leitfähigkeit) zu Verletzungen (Verbrennungen, Funktionseinschränkung peripherer Nerven u. a.) führen; auch kann die Erregungsleitung zwischen den Herzmuskelzellen gestört werden, sodass es eventuell zu lebensbedrohlichen Herzrhythmusstörungen kommt.
Funktionelle Elektrostimulation Als Funktionelle Elektrostimulation (FES) wird die elektrische Stimulation eines Muskels direkt oder indirekt über die Motornerven zur Durchführung einer Muskelkontraktion bezeichnet, die auf zweierlei Arten durchgeführt werden kann.
Die wohl erfolgreichste und bekannteste Anwendung von implantierter FES ist der Herzschrittmacher. Je nach Schädigung wird auch hier der Herzmuskel meist im rechten Vorhof oder in der rechten Kammer (vgl. Herz) elektrisch erregt.
Weitere FES-Implantate: Atemschrittmacher (Phrenikusstimulator), Darmschrittmacher, Blasenschrittmacher.
Nervenstimulation Bei der Nervenstimulation wird eine elektrische Feldstärke mit genügend starken Gradienten angelegt, die im Nerv die Auslösung von Aktionspotentialen bewirkt, welche entlang der Motoneurone zu den Endplatten im innervierten Muskel gelangen. Dort lösen sie Aktionspotentiale aus, die in weiterer Folge eine Kontraktion des Muskels bewirkt.
Elektrische Muskelstimulation oder Elektromyostimulation (EMS) mini|Fitnesstraining mit EMS Das Gehirn sendet ein elektrisches Signal über das zentrale Nervensystem an den Muskel, damit dieser sich zusammenzieht. Dieser Effekt wird beim EMS-Training gezielt genutzt. Über eine geeignet positionierte Elektrode wird der Strom – der üblicherweise vom Gehirn kommt – simuliert und gelangt über die motorische Endplatte zum Muskel. Durch Änderung der EMS-Reizfrequenz können verschiedene Bereiche des Muskelfaserspektrums unterschiedlich stark beansprucht werden. Die zwei bis vier Sekunden dauernden Impulse mit Reizstrom wechseln sich mit Pausen zwischen null und sechs Sekunden ab. Während der Impulsphasen wird der Muskel über seine Reizschwelle gebracht, und es kommt zur Muskelkontraktion. Die Intervalle ahmen die natürliche Muskelbewegung nach.
Durch die Verwendung von Reizstrom werden die Impulse beim EMS-Training nicht von innen, sondern von außen über die Nerven an die Muskeln gesendet, sodass sich diese während der Impulsphase zusammenziehen und während der Pausen entspannen. In Kombination mit Bewegungen kann dieser Effekt verstärkt werden, und die Muskeln können schneller aufgebaut werden. Die Herz-/Kreislauf-Ausdauer kann durch diese Form des Trainings nicht verbessert werden. Durch verschiedene Frequenzen können jedoch verschiedene Muskelgruppen aktiviert werden.
Impulse im Bereich von 5 bis 30 Hz aktivieren die rote Ausdauermuskulatur, wohingegen Ströme mit Impulsen von 50 bis 80 Hz eher die großflächige, weiße Muskulatur aktiveren, was für den Aufbau der großen sichtbaren Muskeln genutzt wird. Diese Form der Stimulation wird auch als EMS-Training bezeichnet und mindestens seit den 1970er Jahren sowohl auf ihre Einsatztauglichkeit bei Spitzensportlern als auch zur Rehabilitation hin untersucht. Da die Stimulation nicht über den physiologischen Weg (Nervensystem → Muskel), sondern auf direkte Art abläuft, ist die Elektromyostimulation nur begrenzt sinnvoll einsetzbar. Sie kann in Ruhe oder nur mit einfachen Bewegungen kombiniert werden, sodass die Koordinationsfähigkeit nicht entsprechend verbessert wird.G. Schnabel u. a.: Trainingslehre – Trainingswissenschaft: Leistung-Training-Wettkampf. Meyer & Meyer Verlag, 2009, ISBN 978-3-89899-332-6, S. 328. (online)E. Senn: Elektrotherapie. Thieme, 1990, ISBN 3-13-743701-6, S. 89.V. M. Zatsiorsky u. a.: Krafttraining. Praxis und Wissenschaft. Meyer & Meyer Verlag, 2008, ISBN 978-3-89899-358-6, S. 90 und 178 ff. (online)
Beim EMS-Training führt die durch Strom induzierte Muskelkontraktion zu strukturellen Anpassungen der Muskulatur, welche die Grundlage einer messbar gesteigerten muskulären Leistungsfähigkeit darstellen. Eine systematische Überprüfung der entsprechenden Literatur ergab positive muskuläre Anpassungen bei Faserquerschnitt, Faserzusammensetzung und Aktivität der oxidativen Enzyme.M. J. Sillen, F. M. Franssen, H. R. Gosker, E. F. Wouters, M. A. Spruit: Metabolic and structural changes in lower-limb skeletal muscle following neuromuscular electrical stimulation: a systematic review. In: PLoS One, 2013, 8(9), S. e69391. doi:10.1371/journal.pone.0069391 Des Weiteren wurden nervale Anpassungen im Sinne einer Verbesserung der neuronalen Aktivierung der Muskulatur gezeigt.J. Gondin, M. Guette, Y. Ballay, A. Martin: Electromyostimulation training effects on neural drive and muscle architecture. In: Med Sci Sports Exerc., 2005, 37(8), S. 1291–1299.J. Gondin, L. Brocca, E. Bellinzona u. a.: Neuromuscular electrical stimulation training induces atypical adaptations of the human skeletal muscle phenotype: a functional and proteomic analysis. In: J Appl Physiol., 1985, Band 110. Nr. 2, S. 433–450. doi:10.1152/japplphysiol.00914.2010N. A. Maffiuletti, M. Pensini, A. Martin: Activation of human plantar flexor muscles increases after electromyostimulation training. In: J Appl Physiol., 1985, Band 92, Nr. 4, 2002, S. 1383–1392. doi:10.1152/japplphysiol.00884.2001
Aufgrund der positiven Wirkung von EMS auf strukturelle und funktionelle Muskelparameter und insgesamt auf die muskuläre Leitungsfähigkeit findet diese Methode sowohl im Bereich Therapie als auch im Bereich Sport Anwendung. Bei der Elektromyostimulation muss man die lokale EMS von der Ganzkörper-Elektromyostimulation unterscheiden. Bei der lokalen EMS werden mit Elektroden einzelne Muskeln bzw. Muskelgruppen isoliert aktiviert. Beim Ganzkörper-EMS-Training werden über spezielle Manschetten und Westen oder Ganzkörperanzüge mit eingearbeiteten Elektroden mehrere große Muskelgruppen gleichzeitig aktiviert. Dabei ist es bei manchen Systemen möglich, Agonisten und Antagonisten gezielt einzeln oder unterschiedlich stark zu aktivieren.
EMS kann passiv oder aktiv ablaufen, also ohne oder mit zusätzlicher willentlicher Muskelaktivierung. Bei der aktiven EMS überlagern sich die strominduzierte und die willkürliche Aktivierung der Muskulatur, woraus eine höhere Kontraktionsstärke resultiert. Der Muskel kann willentlich isometrisch oder dynamisch aktiviert werden. Teils werden auch komplexere Trainingsübungen ausgeführt, deren muskuläre Wirkung durch EMS gesteigert wird. Eine Sonderform stellt die funktionelle EMS dar, bei der bei vorliegenden Muskellähmungen koordinierte Muskelkontraktionen generiert werden, die das Gehen erleichtern oder Radfahren ermöglichen.
Bei den angewendeten EMS-Protokollen herrscht eine große Vielfalt, wobei überwiegend biphasische Impulse mit einer Impulsdauer zwischen 100 und 500 μs und einer niedrigen Impulsfrequenz von 10–100 Hertz Anwendung finden (sog. TENS-Ströme).
Elektrische Muskelaktivierung (EMA)
Bem EMA-Training wird das gleiche System wie beim EMS-Training verwendet. Der signifikante Unterschied liegt darin, dass die Frequenzen wesentlich höher sind und der Strom nicht durch das Nervensystem zum Muskel gelangt, sondern direkt. Dies ist einerseits interessant, da die Effekte wesentlich stärker sein können, andererseits birgt diese Art des Reizstroms auch gewisse Risiken, da der Nerv nicht wie beim EMS-Training durch die motorische Endplatte vor einer zu starken Aktivierung geschützt ist. Beim EMA-Training hat der Muskel quasi keine Chance, er muss den „Befehl“ von außen ausführen und noch stärker kontrahieren, was unter Umständen auch zu Muskelfaserrissen und weiteren Verletzungen führen kann. Die Frequenz beim EMA-Triaining liegt bei 1.000 bis 10.000 Hz. In den 1970ern wurden insbesondere verschiedene Hochleistungsathleten mit dieser Art des Reizstroms trainiert, was sehr große Erfolge zu einem noch höheren Preis mit sich brachte.
EMS-Anwendungsgebiete Sport EMS wird im Sport eingesetzt, um die muskuläre Kraft zu steigern und den systematischen Trainingsprozess zu unterstützen. Die wissenschaftliche Datenlage ist hier inzwischen sehr umfangreich. Ein umfassender systematischer Literaturüberblick, der 89 wissenschaftliche Studien mit untrainierten und trainierten gesunden Probanden einschloss, zeigte eine signifikante und meist ausgeprägte Wirkung von EMS auf Parameter der muskulären Leistungsfähigkeit (u. a. Maximalkraft, Schnellkraft).A. Filipovic, H. Kleinoder, U. Dormann, J. Mester: Electromyostimulation – a systematic review of the effects of different electromyostimulation methods on selected strength parameters in trained and elite athletes. In: J Strength Cond Res., 2012, 26(9), S. 2600–2614. doi:10.1519/JSC.0b013e31823f2cd1 So zeigten die Studien z. B. bei Sportlern nach isometrischem EMS signifikante Steigerungen sowohl bezüglich isometrischer (im Mittel +32±15,6%) als auch hinsichtlich dynamischer Maximalkraft (im Mittel +34,1±21,7%). Vergleichbare Effekte treten auch bei untrainierten und bei dynamischer EMS auf. Die Schnellkraft verbesserte sich bevorzugt durch ein dynamisches EMS-Training. Die hohen Effekte auf die Schnellkraft werden darauf zurückgeführt, dass auf EMS-Training bevorzugt die schnellzuckenden Muskelfasern ansprechen, welche bei willkürlichem Training erst bei maximalen Lasten oder Bewegungsgeschwindigkeiten rekrutiert werden.S. Colson, A. Martin, J. Van Hoecke: Re-examination of training effects by electrostimulation in the human elbow musculoskeletal system. In: Int J Sports Med., 2000, 21(4), S. 281–288. doi:10.1055/s-2000-8882