Chemo-electro-mechanical modelling of the neuromuscular system

Abstract

Body movement is the result of cascades of complex chemical, electrical, and mechanical processes taking place at different length and time scales. This thesis deals with the biophysical modelling of these processes. In detail, the generation of electrical signals in spinal motor neurons is investigated based on the Hodgkin-Huxley formalism. Next, the complex signaling pathway leading from electrical excitation to contraction and force generation of the muscle fibres is modelled. Based on a structural model of the muscle and the bidomain equations, a method is proposed to predict electromyographic signals, which are frequently recorded in the clinic and result from the propagation of electrical signals along the muscle fibres to induce the contraction. Extending this model by a continuum-mechanical approach, a multiscale model of the neuromuscular system is obtained that considers chemical, electrical, and mechanical properties and allows to predict force generation, muscle deformation, and the EMG signal during fixed-length and non-isometric contractions. The proposed framework can potentially be used as an in-silico laboratory to investigate changes in the behaviour resulting from pathological conditions or drug treatment.

Bewegungen des Körpers sind das Ergebnis von komplexen chemischen, elektrischen und mechanischen Prozessen, die auf verschiedenen Zeit- und Längenskalen ablaufen. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der biophysikalischen Modellierung dieser Prozesse. Im Einzelnen wird die Erzeugung von elektrischen Signalen in Motorneuronen des Rückenmarks basierend auf dem Hodgkin-Huxley-Formalismus untersucht. Danach wird der komplexe Signalweg von der elektrischen Erregung zur Kontraktion und Krafterzeugung in den Skelettmuskelfasern modelliert. Basierend auf einem strukturellen Modell des Muskels und den Bidomain-Gleichungen wird eine Methode vorgeschlagen, um elektromyographische Signale zu berechnen, die häufig in klinischen Anwendungen gemessen werden und aus der Ausbreitung von elektrischen Signalen entlang der Muskelfasern resultieren. Die Erweiterung dieses Modells um einen kontinuumsmechanischen Ansatz führt zu einem Modell des neuromuskulären Systems, das chemische, elektrische und mechanische Größen beinhaltet, und es erlaubt die Krafterzeugung, die Muskeldeformation und das EMG Signal während Kontraktionen bei festgehaltener Länge und nichtisometrischen Kontraktionen vorherzusagen. Das vorgeschlagene Modell könnte als virtuelles Labor verwendet werden, um Verhaltensänderungen zu untersuchen, die von Krankheiten oder einer medikamentösen Behandlung resultieren.