Dynamik der Wirbelsäule: Nicht stehen, sondern gehen

Für Diagnostik und Therapie der Wirbelsäulenerkrankungen ist ein grundsätzliches Verständnis des Achsenskelettes erforderlich. Nur wenn dieses grundsätzliche Verständnis vorliegt, kann auch von seiten der Technik an Anwendungen wie den Bau von Prothesen und Implantaten oder die Konstruktion von Robotern gedacht werden. Dieses Grundverständnis muß die Formeigenschaften der einzelnen Wirbel und der sie verbindenden Weichteile einbeziehen.

Funktion der Wirbelsäule ganzheitlich betrachtet

Die Formeigenschaften müssen in Zusammenhang mit ihren biologisch relevanten Beanspruchungen untersucht werden. Sie lassen sich nur ermitteln, wenn man den Gesamtverband aller Strukturen und die üblichen Körperhaltungen berücksichtigt. Ausgehend von der Bedeutung der Teilstrukturen für die Statik kann die Funktion der Wirbelsäule als Bewegungsorgan nur befriedigend geklärt werden, wenn die ganze Wirbelsäule in ihrer Interaktion mit den übrigen Teilen des Körpers betrachtet und die Bewegungsweise des ganzen Lebewesens berücksichtigt wird. Die Untersuchung des vollständigen, intakten und lebenden Körpers läßt eine umfassendere Einsicht in die Sachverhalte erwarten als die Beschränkung auf seine Teile oder auf modellhafte Rekonstruktionen. Um solche Fragen beantworten zu können, haben Vergleiche zwischen verschiedenen Tierarten wichtige allgemeine Aufschlüsse erbracht und auf die Besonderheiten des Menschen aufmerksam gemacht.

Hier soll dem speziellen Problem nachgegangen werden, welche Rolle die Wirbelsäule bei dem auf zwei Beinen aufrecht gehenden Menschen spielt.

Die biologisch relevanten Beanspruchungen der Wirbelsäule ergeben sich aus der Tatsache, daß sie die einzig durchgehende Längsversteifung des Rumpfes darstellt. Sie hängen entscheidend von der Lage des Rumpfes im Schwerefeld der Erde und von der Art seiner Unterstützung gegen die Schwerkraft ab. Grundsätzlich können unter den Wirbeltieren vier Varianten der statischen Beanspruchung des Rumpfes unterschieden werden:

1. Bei im Wasser lebenden Knorpelfischen, Knochenfischen, Schwanzlurchen, Walen, Robben [1].

2. Bei vierfüßigen, auf dem Land lebenden Säugetieren, Reptilien Lurchen [2,3,4].

3. Bei zweibeinigen Tieren mit mehr oder weniger horizontal gehaltenem Rumpf (Vögel, Känguruhs, einige Nagetiere, manche Dinosaurier) [4,5].

Wirbelsäulen-Dynamik: schlängeln, beugen, strecken

4. Bei zweibeiniger Haltung mit aufrechtem Rumpf, wie sie beim Menschen zu finden ist.

Die variable Rumpfhaltung mit häufiger Aufrichtung, wie sie bei vielen Affen zu beobachten ist, liefert für das Verständnis der Verhältnisse beim Menschen besonders viele Aufschlüsse [3,6,7].

Die Nutzung der Wirbelsäule als Bewegungsorgan läßt sich in diese Einteilung nicht ohne weitere Differenzierung einfügen. Bei den meisten schwimmenden Tieren wird der Rumpf mit schlängelnden Bewegungen als Antrieb für die Fortbewegung eingesetzt. Bei Salamandern sowie vielen Reptilien führt der Rumpf gleichfalls schlängelnde Bewegungen aus, die das Vorschwingen der Beine beschleunigen und jeweils einen Teil der Rumpfmasse über das am Boden stehende Standbein bringen [2]. Kleine Säugetiere führen mit dem Rumpf in schnellen Gangarten ausgeprägte Beugungen und Streckungen aus, die bei ihrer langgestreckten Rumpfform vermehrten Raumgriff mit sich bringen [8,9,10]. Bei großen Säugern ist der Rumpf verkürzt, was die statische Beanspruchung vermindert [4], aber die Beweglichkeit so weit einschränkt, daß die Wirbelsäule nur noch einen indirekten Beitrag zur Fortbewegung leistet [9,11,12,13].

Fehlkonstruktion: weil die Länge zu hohen Lasten führt

Für den Menschen konzentrieren sich die bisher angestellten Überlegungen auf statische Funktionen, auf die Bewegungsmöglichkeiten [15,16,17] und auf die „Dämpfung“ von Stößen mehr oder weniger in Richtung der Rumpflängsachse [18].

In der Ansicht von vorn oder von hinten addieren sich die Gewichte der Körpersegmente entlang der Wirbelsäule auf (Abb. 1 ). In der Seitenansicht liegen die Teilmassen der einzelnen Segmente nicht senkrecht über der stützenden Wirbelsäule. Um sie in ihrer Lage zu halten, müssen die Rückenmuskeln Zugkräfte ausüben.

Diese Muskelkräfte pressen die Wirbelkörper und die Bandscheiben zusammen. Bei einer Beugung des Rumpfes (Abb. 1, unten) wird die Wirbelsäule zwar nicht durch die Gewichtskraft zusammengepreßt, aber die Gewichte der Körpersegmente haben hier besonders lange Hebelarme gegenüber der unteren Lendenwirbelsäule.

Deshalb sind besonders große Muskelkräfte erforderlich, um die auf hohe Werte anwachsenden Biegemomente entlang des Rumpfes auszugleichen. Diese Belastungssituation bedeutet besonders hohe und gegen das Becken rasch zunehmende Druckbeanspruchungen der Wirbelsäule. Dies konnte bereits in den 60er Jahren durch umfangreiche Experimente - die für die Versuchspersonen nicht ohne Risiken waren - abgesichert werden. Dieser besondere Lastfall hat häufig zu Spekulationen über eine „Fehlkonstruktion Mensch“ Anlaß gegeben.

Wider die Theorie ‘Wirbelsäule als Federstab’

Die Brechung von Kraftspitzen aus Stößen kann auf zwei Weisen erfolgen: Durch Energieumwandlung in Wärme (Dämpfung) oder durch Verzögerung der Krafteinwirkung und Zwischenspeicherung in einem elastischen Bauteil mit anschließender Wiedergewinnung der Energie (elastische Federung).

Beide Phänomene werden von den Wirbeltieren in wechselndem Ausmaß genutzt [10,11,12,13,].

Ein Beispiel für die Umwandlung von Energie in Wärme liefert die wiederholt gemachte Beobachtung, daß von unten eingeleitete Stöße nur in gedämpfter Form am Kopf ankommen. Es ist weithin üblich geworden, diesen Sachverhalt im Sinne Benninghoffs 1927 [18,19] zu erklären: Die Doppel-S-förmig gekrümmte Wirbelsäule des Menschen wird als ein sich federnd verbiegender Stab interpretiert. Diese Vorstellung schließt zwingend ein, daß bei Einwirken eines Kraftstoßes die Lendenlordose (Krümmung der Lendenwirbelsäule bauchwärts) verstärkt und der Beckenoberrand nach vorn gekippt wird.

Wir haben das Verhalten des Beckens in einem Versuch überprüft, der in Abb. 2a dargestellt ist [20]. Durch Wegziehen einer Sperre fällt der Körper eine kurze Strecke. Bei Erreichen der Unterlage kommt ein Bremsstoß gegen die Fußsohlen zur Wirkung, der den Fall aufhält. Das Becken erfährt dabei entgegen dem Benninghoff-Modell eine Kippung seines Oberrandes nach hinten (Abb. 2b) Dieser Befund spricht deutlich gegen die Wirbelsäule als Federstab.

Elastische Zwischenspeicherung von Energie

Eine tatsächlich zu beobachtende Dämpfung dürfte in den Bandscheiben erfolgen (Abb. 3, oben), denn auch eine exzentrisch aus starren Scheiben (den Wirbelkörpern) aufgeschichtete Säule bewahrt unter Drucklast ihre Länge (Abb. 3, mitte). Nicht berücksichtigt ist hierbei die ausgeprägte Dämpfung der unteren Gliedmaße [21].

Für die Möglichkeit einer elastischen Zwischenspeicherung von Energie spricht schon die Tatsache, daß die Lokomotion durch zyklische Wiederholungen der gleichen Bewegungsabläufe, also periodische Schwingungen erfolgt. Das ist besonders gut am gehenden Menschen zu sehen und zu analysieren (Abb. 4).

Ein weiteres, überaus gewichtiges Argument für elastische Energiespeicherung zeigt sich darin, daß viele Wirbeltiere mit regelmäßig wiederkehrenden Bewegungsabläufen (zyklischer Lokomotion) weniger Energie verbrauchen, als aufgrund vordergründiger theoretischer Betrachtungen zu erwarten wäre [22].

Tatsächlich lassen sich aufgrund von Schwingungsprozessen bei der Lokomotion eine ganze Reihe von Formeigenschaften des ganzen Körpers erklären (Proportionen, Massenverteilung), die auf eine Energieersparnis hinauslaufen. Am Menschen haben wir [23,24,25] folgende Überlegungen entwickelt: Je länger die Beine sind, umso höher ist die ohne zusätzlichen Einsatz von Energie erreichbare Geschwindigkeit.

Vom Bestreben in Bewegung zu bleiben

Die gestreckte Stellung der Knie- und Hüftgelenke ist ein Mittel, die funktionelle Länge der Beine zu vergrößern. Zusätzlich bringt die Streckung auch noch eine Ersparnis an Muskelkraft durch Verkürzung der Lastarme mit sich. Auch für die Bewegung der Beine gilt - wie für alle pendelnden Körper - das Bestreben, die Masse im gleichen Bewegungszustand zu halten. Man spricht vom sogenannten Massenträgheitsmoment (J), das aus den Faktoren Masse (m) und Länge zum Quadrat (l2) gebildet wird. Gerade die Länge der Beine bedingt beträchtliche Massenträgheitsmomente, die einer Beschleunigung des Beines am Anfang und einer Abbremsung am Ende der Schwingphase entgegen wirken.

Die Massenträgheitsmomente können vermindert werden, wenn die Muskulatur aus den distalen, vom Hüftgelenk weit entfernten Segmenten heraus verlagert und zum Hüftgelenk hin konzentriert wird (Abb. 5).

Diese Massenverteilung kennzeichnet das Menschenbein. Die Verminderung der Muskelmassen am Unterschenkel und Fuß hat dann allerdings bei unseren Vorfahren eine Verkürzung der Zehen nach sich gezogen und uns die Fähigkeit zum Greifen mit dem Fuß gekostet.

Wie die Fähigkeit verlorenging mit dem Fuß zu greifen

Die für die Schwingbewegung des Beines erforderlichen Muskelkontraktionen wirken aber nicht nur auf das Bein, sondern rucken gleichzeitig (am Anfang der Schwingphase) den Rumpf nach vorn und (am Ende der Schwingphase) nach hinten (Abb. 4).

Die daraus resultierenden Wackelbewegungen des Rumpfes und Kopfes bei zweifacher Gangfrequenz von 4-5 Herz (die einzelnen Füße bewegen sich doppelt so schnell wie der Rumpf) würden die Sinneswahrnehmungen stören. Deshalb müssen sie unterdrückt werden.

Beide Füße laufen schneller als der ganze Mensch

Das geschieht ohne jeden Energieaufwand dadurch, daß das Volumen des menschlichen Rumpfes so angeordnet ist, daß die Massenträgheitsmomente um die Hüftgelenke hohe Werte annehmen. Mit anderen Worten, der menschliche Rumpf ist, im Vergleich zu dem unserer nächsten biologischen Verwandten, den afrikanischen Menschenaffen, lang und schmal. Diese Form steht im Widerspruch zu den Anforderungen der Statik. Der unter statischen Bedingungen so unvorteilhafte lange Rumpf ( „Fehlkonstruktion“) erweist sich unter kinetischen Bedingungen als ausgesprochen sinnvoll und zweckmäßig.

Die Arme des Menschen sind, gemessen an der Rumpflänge und an der Körpermasse, ebenso lang wie bei unseren nächsten biologischen Verwandten. Die Muskelmasse ist nicht zum Schultergelenk hin konzentriert, sondern die Unterarme und Hände sind relativ schwer, die Oberarme relativ leicht.

Körperform des Menschen: auf Energieersparnis ausgerichtet

Das führt dazu, daß der Schwerpunkt des hängenden Armes fast genau so weit vom Schultergelenk entfernt ist, wie der des vorschwingenden Beines vom Hüftgelenk. Dadurch können die Arme in der gleichen Pendelfrequenz schwingen wie die Beine.

Die menschliche Körperform ist somit nicht an die statischen Gegebenheiten, sondern an die Anforderungen des energiesparenden Gehens angepaßt [24,25].

Über das passive „Pendel“-Schwingen hinaus scheint im Körper an mehreren Stellen die Möglichkeit, wenn nicht die Notwendigkeit, zu bestehen, elastische Bauglieder einzusetzen:

In dem gleichen Fallversuch, der in Abb. 2a dargestellt ist, lassen sich vorgespannte Strukturen im Körper des stehenden Menschen nachweisen.

„Vorgespannte“ Muskeln speichern Energie

Die Platte, auf der die Versuchsperson steht, setzt sich schneller in Bewegung, als es einem freien Fall entsprechen würde. Der Platte muß also von außen Energie zugeführt werden. Hierfür kommt nur der darauf stehende Mensch in Betracht, er muß die Platte beschleunigen.

Muskelreflexe erfolgen viel zu langsam, um diese Wirkung zu erzielen.

Zur Erklärung bleibt nur die Annahme einer elastischen Vorspannung in den Sehnen oder den Muskeln der Versuchsperson. Erzwingt man durch Stellungsänderungen der Gelenke eine erhöhte Spannung (Tonus) der Muskeln, so wird die Platte prompt noch stärker beschleunigt.

Verändert man die gewohnte Betrachtungsrichtung von der Seite und blickt von oben auf einen gehenden Menschen (Abb. 6, oben), so sieht man hier ebenfalls, daß die Beschleunigung und Abbremsung der schweren Beine den Rumpf mitnehmen will. Zudem werden die Bodenreaktionskräfte deutlich neben der Drehachse auf den Rumpf übertragen. Einer unvorteilhaften Rotation des Rumpfes steht abermals die Anordnung der Körpermasse, also die Körperform entgegen: Die Massenkräfte der schweren Beine greifen mit einem nicht allzu langen Hebelarm am Rumpf an, während die leichteren, phasenversetzt pendelnden Arme längere Hebelarme besitzen (Abb. 6, unten). Durch die quer-elliptische Form der Hüften und der Schultern sowie die im Vergleich zu den Menschenaffen große Breite des Beckens und der Schultern nehmen beide Regionen hohe Massenträgheitsmomente um eine vertikale Achse an. Damit setzen sie einer Drehung durch die Bodenreaktionskräfte und die Massenkräfte der Beine einen erheblichen passiven Widerstand entgegen (Abb. 6, unten).

Der Hyperboloid: nach dem „Taillenbauprinzip“

Für unsere Fragestellung ist die Gegenläufigkeit der Drehung des Beckens und der Schulter um eine vertikale Achse wichtig (Abb. 6, unten).

Wegen der rippenlosen Taille sind Becken- und Schulterbereich recht frei gegeneinander beweglich. Die Verdrehung des Rumpfes führt zur Dehnung (Abb. 7) der schrägen Bauchmuskeln und der schrägen Fasern der Rückenmuskeln; eine Entspannung unterstützt die entgegengesetzte Verdrehung des Rumpfes und trägt so zum Erhalt der Pendelbewegungen der Gliedmaßen bei. Das Bandscheibenmodell zeigt (Abb. 3, unten), daß die Fasern sich beim Zusammendrücken vermehrt in Richtung der durch die Torsion entstehenden Kräfte einstellen. Ohne die Wirkung der Muskeln üben bereits die Fasermassen der Bandscheiben in Verbindung mit den Druckkräften an den Wirbelbögen ein erhebliches Drehmoment von einem Wirbel auf den nächsten aus.

Menschenspezifische Evolution: vom Biegen zum Drehen

Demnach nutzt auch der Mensch seine Wirbelsäule für die Fortbewegung, allerdings in völlig anderer Weise als die Wirbeltiere. Während bei diesen die Fortbewegung mit einer Biegung der Wirbelsäule verbunden ist (z.B. bei Reptilien: schlängelnde Bewegung), kommt es beim Menschen zu einer Drehung der Segmente um die Längsachse der Wirbelsäule. Für den Menschen charakteristische Formeigenschaften lassen sich bewegungsmechanisch erklären. Vom Standpunkt der Phylogenetik ist bemerkenswert, daß es in der kurzen Frist von weniger als zwei Millionen Jahren, d.h. seit dem Auftreten des Homo erectus, zu einer derart spezifischen Evolution kommen konnte.

Literatur

[2] Christian, A. (1994) Zur Biomechanik der Lokomotion vierfüßiger Reptilien (besonders der Squamata). Courier Forschungsinstitut Senckenberg.

[17] Preuschoft, H., Hayama, S. u. Günther, M.M. (1988) Curvature of the lumbar spine as a consequence of mechanical necessities in Japanese macaques trained for bipedalism. Folia Primatol. 50: 42-58.

[15] Nolte, L.P. u. Pingel, T. (1991) Ein ebenes nicht lineares Modell der menschlichen Wirbelsäule. Biomed. Technik 36: 298-305.

[21] Recknagel, S. u. Witte, H. (1996) Bewegungen des Beckens und der Wirbelsäule bei stoßartiger Krafteinleitung über die Beine. Z. Orthop. 134: 214-218.

[24] Preuschoft, H. u. Witte, H. (1991) Biomechanical reasons for the evolution of hominoid body shape. In: B. Senut u. M. Pickford (eds.) Origins of Bipedalism in Hominids, CNRS, Paris, 59-77.

[25] Preuschoft, H. Witte, H. u. Demes, B. (1992) Biomechanical factors that influence overall body shape of large apes and humans. In Matano, S., Tuttle, R.H., Ishida, H. u. Goodman, M. (eds.) Topics in Primatology Vol. 3, Evolutionary Biology, Reproductive Endocrinology and Virology. University of Tokyo Press, 259-289.

[23] Witte, H., Preuschoft, H. & Recknagel, S. (1991) Human body proportions explained on the basis of Biomechanical principles. Z. Morph. Anthrop. 78: 407-423.

Die in Klammern [ ] aufgeführten Ziffern geben Hinweise auf weitere Literaturangaben.

Das Verzeichnis kann bei der Pressestelle Ruhr-Universität Bochum angefordert werden.