Die Grundlagenforschungen in der Neuroanatomie und Neurophysiologie
Meine Recherchen auf diesen beiden Gebieten ergaben, dass wir es vor allem 2 Wissenschaftlern verdanken, dass sie durch ihren unermüdlichen Forschungsdrang 1881 den Grundstein für die Neuroanatomie und Neurophysiologie in der Medizin gelegt haben.
Ihre Forschungsarbeiten haben die neurologischen Funktionsmechanis- men unseres Körpers aufgedeckt. Leider bedient man sich in der Medizin nur Teilbereichen dieser komplexen Wirkmechanismen. Das ist der Grund, dass sich die heutige Medizin nach den Worten Bricots vor allem den Störungen auf der Muskel- und Skelettebene zuwendet und darin auch jedes Problem begründet. So werden Muskelverspannungen auf Triggerpunkte oder Entzündungsreaktionen, Arthrosen auf knöchernen Verschleiß zurückgeführt. Kommen wir also zu den Grundlagen:
Einen weiteren Grund hierin sehe ich auch in den vielen Facharztspezialisierungen, durch die die ganzheitliche Sichtweise verloren gegangen ist und leider auch heute noch verloren geht.
Dieses lässt sich meiner Meinung nach nur ändern, wenn wir endlich anfangen würden, anstatt rein fachbezogen, eher ganzheitlich denken und die interdisziplinäre Zusammenarbeit unterstützen würden. Dabei sollten wir unsere neuroanatomischen und neurophysiologischen Grundlagen wieder auffrischen, um sie in unsere Diagnostik und Therapie einfließen lassen zu können. Denn auf diesen Grundlagen basieren unsere ganzen Körperfunktionen.
Der Grundstein der Neuroanatomie und Neurophysiologie wurde in Deutschland gelegt. 1881 entdeckte der deutsche Anatom Heinrich Wilhelm Waldeyer aus Paderborn die Neuronen. Bei einem Neuron handelt es sich um eine auf eine Erregungsleitung spezialisierte Zelle, die mit anderen Neuronen über Synapsen kommuniziert. An diesen wird ein Nervensignal in der Regel chemisch (selten elektrisch) weitergegeben. Auf diese Weise stehen sämtliche Nervenzellen oder Nerven- und Empfängerzellen wie z.B. die neuromuskuläre Endplatte der Muskelfaser mit einer Nervenfaser in Verbindung.
Nach heutigen Schätzungen besteht das menschliche Gehirn aus 100 Milliarden oder mehr Nervenzellen, wobei einige neuere Schätzungen sogar von 1 Billion (1.000.000.000.000) Nervenzellen ausgehen.
Unsere Körperfunktionen werden über afferente und efferente Neurone, aber auch Interneurone, die den größten Anteil an Neuronen im Nervensystem ausmachen und nicht spezifisch sensorisch oder motorisch sind. Sie verarbeiten Informationen in den segmentalen Kreisläufen (monosynaptische bzw. myotatische Reflexe). Sie vermitteln auch Signale über weite Entfernungen zwischen verschiedenen Körperbereichen (viscero-viscerale und viscerokutane Reflexwege). Man unterscheidet deshalb zwischen segmentalen und intersegmentalen Interneuronen.
Die heutigen Kenntnisse über die Funktionsweise unserer Nervensysteme verdanken wir vor allem dem englischen Neurophysiologen Sir Charles Scott Sherrington.1891 beschrieb er erstmalig die neuromuskulären Muskelspindeln als Rezeptoren, sogenannte Propriozeptoren. Er fand heraus, dass ein Dehnungsreiz einer Muskelfaser über die synaptische Verschaltung der neuromuskulären Endplatte zu Erregung der Alfa- Motoneuronen führt, wodurch eine reflektorische Muskelkontraktion ausgelöst wird. Dies bezeichnete er als Muskeleigenreflex.
Bei diesem Reflex handelt es sich um einen einfachen, monosynaptischen Reflex, den Bricot als myotatischen Reflex beschreibt. 1897 prägte er den Begriff Synapse. Hierbei handelt es sich um eine Kontaktstelle zwischen zwei Nervenzellen. An ihnen findet die Erregungsübertragung von einem Axon (Neurit) auf eine andere Zelle statt.
Des Weiteren fand er zahlreiche unterschiedliche freie Nervenendigungen mit unterschiedlicher Spezifität zum einen für Schmerzen, Berührung und Temperaturempfinden.Bei den Wärme- und Kälterezeptoren handelt sich um spezialisierte freie Nervenendigungen, die Änderungen von einigen 1/10 Kelvin erfassen können. Die freien Nervenendigungen, die Schmerzreize vermitteln, sind mit 170 pro cm² im ganzen Körper am zahlreichsten vertreten. Über diese Exterozeptoren steht unsere Haut mit der Umwelt und dem Körperinneren in Verbindung. Damit ließ sich nun endlich auch die schmerzlindernde Wirkung äußerer Anwendungen im Bereich der physikalischen Therapien und der Reflextherapien erklären.
1906 prägte Sherrington die Begriffe Nozizeption (Wahrnehmung von Tast-, Berührungs- und Schmerzempfindungen durch freie Nervenendigungen und den Begriff der Propriozeption (Körpereigenwahrnehmung durch die Muskelspindeln und Golgi-Rezeptoren) um den „Muskelsinn“ zu beschreiben.
Hierbei lösen Golgi-Rezeptoren, spezielle Mechanorezeptoren, eine reziproke Innervation antagonistischer Muskeln, d.h. einen umgekehrten myotatischen Reflex aus, sobald ein Muskel zu stark gedehnt wird, um diesen zu schützen. Schon für Sherrington entsprach dieses einem Regelkreis.
1932 entdeckte Sherrington dann den Gamma- Motoneuronen- Regelkreis. Er fand heraus, dass sich durch die Beeinflussung der Muskelsensibilität durch Gamma- Motoneurone auf der segmentalen und suprasegmentalen Ebene das myotatische Reflexverhalten ändert. Diese Änderungen können sowohl synergetisch für die synergistischen Muskeln sein und gleichzeitig auch inhibitorisch auf die antagonistischen Muskeln wirken.
Der Wirkmechanismus des Gamma-Motoneuronen-Regelkreis wurde 1976 von dem französischen Arzt J. Paillard bestätigt.
Sherrington erhielt für seine Arbeiten über die Neuronen den Nobelpreis für Medizin.
In der Schmerzforschung galt das Interesse vor allem den Nozizeptoren und den von ihnen ausgehenden afferenten und efferenten Schmerzbahnen, durch dessen polysynaptische Verschaltungen Endorphine,etc. zur Schmerzhemmung freigesetzt wurden.
Die nachfolgende Abbildung zeigt die aufsteigenden Schmerzbahnen (schwarz), die vom Hinterhorn über den kontralateralen Vorderseitenstrang zum Thalamus und von dort zum somatosensorischen Kortex zieht. Der Tractus spino -thalamicus anterior leitet Druck- und grobe Berührungsempfindungen, der Tractus spinothalamicus lateralis Schmerz- und Temperaturempfindungen an das Großhirn weiter. Hingegen werden Schmerz- und Temperaturwahrnehmungen im Kopf-Halsbereich im Hirnstamm, dem Sitz des 1. Neurons, einem Hirnnerv, direkt umgeschaltet und dann auch zum Thalamus und sensomotorischen Kortex, etc. weitergeleitet.
Abbildung aufsteigende und absteigende Schmerzbahnen Bild aus Schmidt + Thews (1997) Physiologie des Menschen
Die Schmerzbahn mit den dickeren A-delta Fasern, die eine Leitungsgeschwindigkeit von ca. 20 m/s haben, ist für den schnellen intensiven so genannten "ersten" Schmerz z.B. beim Stich mit einer Nadel verantwortlich, während die Bahn mit den dünneren langsamen C-Fasern, den länger anhaltenden, dumpferen, "zweiten" Schmerz auslöst.
Rot eingezeichnet sind die efferenten (absteigenden) Bahnen des sogenannten Schmerzunterdrückungssystems. Neurone aus dem Hypothalamus (limbisches System) sind mit Neuronen in der Formatio reticularis des Hirnstamms verschaltet, wo die absteigenden Bahnen zu den Hinterhörnern des Rückenmarks ziehen. Die absteigenden Neurone bilden Synapsen mit Endorphin-haltigen Interneuronen und kontrollieren so die Schmerzweiterleitung von Nozizeptoren ins zentrale Nervensystem.
Da auch Visceroafferenzen auch im Hinterhon konvergieren, könnte das die Erklärung für die Entstehung der Head Zonen sein. Auch die Akupunkturwirkung lässt sich dadurch zum Teil erklären (kutiviszeraler Reflexweg).
Einige Efferenzen ziehen zur Formatio reticularis und in das Limbische System weiter. In diesem System scheint der Schmerz erlernt zu werden, weshalb man von einem so genannten „Schmerzgedächtnis“ spricht. Was das so genannte Schmerzgedächtnis betrifft, so gibt es für Schmerzen keine eigene nervale Repräsentationszone im somatosensorischen Kortex.
Trotzdem können sich Schmerzen auf Dauer durch Lernvorgänge entwickeln und chronifizieren, die auch nach Beheben der ursprünglichen Ursache bleiben. Diese Lernvorgänge finden an allen beteiligten Neuronen statt, also sowohl auf Höhe des Rückenmarks als auch zentral im Thalamus und im Großhirn, wo sich die Nervenzellen durch die permanente Ausschüttung von Entzündungsstoffen entsprechend anpassen. Auch psychosoziale Faktoren spielen hier eine nicht unerhebliche Rolle.
Neben dem Forschungsinteresse für die Schmerzentstehungs -mechanismen interessierte sich die Medizin auch für die Wirkmechanismen der motorisch wirkenden Nervenbahnen, die unsere gesamte Motorik steuern.Diese efferenten (absteigenden) Bahnen, die die Muskulatur des Körpers innervieren und daher für alle Bewegungsabläufe des Körpers zuständig sind, werden neurophysiologisch unter dem Begriff Motoneuron oder motorisches Neuron zusammengefasst.
Man unterscheidet zwischen dem unteren Motoneuron (engl. lower motoneuron, LMN oder 2. Motoneuron) und dem oberen Motoneuron (engl. upper motoneuron, UMN oder 1. Motoneuron).
Das 1. Motoneuron ist für die bewusste Auslösung der Bewegung zuständig (Willkürmotorik) wie Augenbewegungen, Kauen, etc. Seine Zellkörper, die Betzschen Riesenzellen, liegen in der motorischen Rinde im Gehirn. Die Axone des 1. Motoneurons bilden die Pyramidenbahn, die im Körper nie direkt zu den Muskeln, sondern immer erst zum 2. Motoneuron im Hinterhorn, auf segmentaler Ebene ziehen, d.h. dass jede Erregung des 1. Motoneurons immer erst zum 2. Motoneuron im Rückenmark weitergeleitet wird, bevor es von dort die Muskelfasern erreicht.
Neurophysiologisch unterteilt man die efferenten Bahnen des 1. Motoneurons je nach dem ob sie direkt in der Pyramidenbahn verlaufen oder indirekt, in das pyramidale (Willkürmotorik) und das extrapyramidalmotorische System. Eine klare funktionelle Trennung zwischen pyramidalem und extrapyramidalem System existiert eigentlich nicht. Die Unterscheidung ist jedoch zum Verständnis von neurologischen Krankheitsbildern hilfreich.
Die motorisch wirkenden Bahnen des extrapyramydalen Systems beginnen im somatosensomotorischen Kortex und ziehen zum Teil zu den assoziativen Zentren auf derselben Hemisphäre und über das Corpus callosum (Balken) auch auf die andere Hemisphäre. Weitere efferente Bahnen verlaufen zurück zum Thalamus, über die Pons (Brücke) zum Kleinhirn, zu den Basalganglien und zum spinalen Nervensystem (peripheren Nervensystem).
Das extrapyramidale System ist polysynaptisch verschaltet, d.h. es besitzt mehrere Umschaltstellen (Synapsen). Die Umschaltung erfolgt in den Kernen zahlreicher Gehirnareale wie dem Nucleus ruber und der Formatio reticularis. Ihre Nervenfasern ziehen direkt zum oberen, d.h. 1. Motoneuron. Der wichtigste Neurotransmitter des extrapyramidal - motorischen Systems ist das Dopamin. Bei Schädigungen dieses Systems fällt der inhibitorische Einfluss auf das 1. Motoneuron weg. Dadurch kommt es zu Erkrankungen mit stark gesteigerten oder gehemmten Bewegungsabläufen wie z.B. Morbus Parkinson. Außerdem können die Reflexe aufgrund der fehlenden Hemmwirkung der inhibitorischen Interneurone auf das 2. Motoneuron (unteres Motoneuron) auf der segmentalen bzw. Rückenmarks-Ebene gesteigert sein (Hyperreflexie, Spastik).
Für die Muskulatur des Kopfes liegen die Zellkörper der 1. Moto -neurone in den motorischen Kernen (Nuclei motorii) der entsprechenden Hirnnerven, d.h für die Augenmuskeln in den Augenmuskelkernen, für die Kaumuskeln in den Trigeminuskernen.
Das 2. Motoneuron ist der efferente (ausführende) Schenkel aller Bewegungen und Reflexe. Die Nervenfasern der 2. Motoneurone im Rückenmark lassen sich in 2 Typen unterteilen: Die Aα-Fasern innervieren die extrafusalen Skelettmuskelfasern und sind für die Muskelkontraktion zuständig. Die Aγ-Fasern innervieren die intrafusalen Skelettmuskelfasern, die Muskelspindelfasern und regulieren die Sensibilität des Längenrezeptors auf einen Muskeldehnungsreiz.
Das LMN, das 2. Motoneuron, ist der eigentliche Impulsgeber für die Muskeln. Es liegt im jeweiligen segmental zugehörigen Vorderhorn des Rückenmarks. Die 2. Motoneurone entsenden ihre Axone, als ventrale Spinalnervenwurzel zusammengelagert, zu den Muskeln und Muskelspindeln. Sie steuern also die Bewegung und den Muskel -tonus des jeweiligen Muskels. Die Zellkörper seiner Neurone für den Rumpf und die Gliedmaßen liegen im Vorderhorn des Rückenmarks. Ihre Axone (Neuriten) verlassen segmental über den jeweiligen Spinalnerv den Wirbelkanal. Dieser zieht, sich in mehrere Äste teilend, zu den motorischen Endplatten der neuromuskulären Muskelspindeln seines Versorgungsgebietes (Myotom).
Die motorische Endplatte (auch: "neuromuskuläre Endplatte") der Muskelspindeln überträgt die Erregung von einer Nervenfaser auf die Muskelfaser. Sie stellt eine chemische Synapse mit dem Transmitter Acetylcholin dar. Das Aktionspotential löst erst in Verbindung mit dem Einstrom von Kalzium- Ionen in die Muskelzelle die Muskelkontraktion aus. Um also diese Kanäle öffnen zu können, muss die Zellmembran der einzelnen Muskelzellen mindestens auf einen bestimmten Schwellenwert depolarisiert werden. Die Neurotransmitter werden in den Nervenzellen selbst produziert und wandern in kleinen Bläschen, auch Vesikel genannt, verstaut zum Synapsenendknöpfchen des Axons (Neurit).
Nur wenn mehrere Erregungen gleichzeitig an verschiedenen Stellen (räumliche Summation) oder in ausreichend schneller zeitlicher Abfolge (zeitliche Summation) in einem Neuron eintreffen, entsteht in diesem ein Aktionspotential. Dies führt dann zu Depolarisation. Die Aktivierung hemmender Synapsen hingegen führt zu einer Hyperpolarisation der Nervenzelle, wodurch ihr Membranpotential abgesenkt wird und sie schwerer erregbar ist. Durch die Wirkung von abbauenden Enzymen verschwinden die Neurotransmitter an der Synapse schnell wieder, so dass eine Repolarisation der Membran erfolgen kann. Allen unseren Organ- und Muskelfunktionen, auch den Wirkmechanismen unserer Medikamente, Sucht- oder Giftstoffe, etc. liegen diese synaptischen Verschaltungen zugrunde.
Kommen wir nun zu den afferenten Nervenbahnen, die die sensorischen Informationen aus allen Sinnesorganen zum somatosensomotorischen Nervensystems leiten und durch das wir unsere motorischen Fähigkeiten erlernen. Dieses afferente System ist zwar neurophysiologisch ebenfalls sehr gut erforscht. Aber seine besondere Rolle im klinischen Alltag ist auch heute noch kaum bekannt. Meist wird an dieses System nur im Sinne einer Differentialdiagnose zum Ausschluss einer neurologischen Erkrankung wie einer Hinterstrangataxie bei einer Gang- und Standunsicherheit, etc. gedacht.
In der Medizin werden Gleichgewichtsstörungen oder Koordinationsstörungen auch heute noch auf Störungen des Vestibularorgans oder auf zerebrale Prozesse zurückgeführt. Das es sich hierbei um eine posturale Störung auf dem Boden einer Funktionsstörung im lemniskalen System (Augenkonvergenzstörung) wird normalerweise nicht in Betracht gezogen.
Alle Informationen von unseren Exterozeptoren wie Mechanorezeptoren (außer die der Nozizeptoren, Berührungs- und Temperaturrezeptoren) und von den Propriozeptoren erreichen über die Hinterstrangbahn den somatosensorischen Kortex. Dabei werden alle diese Informationen je nach ihrem Ursprung am und im Körper räumlich getrennt verarbeitet und im somatosensorischen Kortex abgespeichert. Dadurch entsteht erst die somatotopische Projektion, der Homunculus, des Körpers in unserem Gehirn.
Dieser wurde 1950 von dem kanadischen Neurochirurgen Wilder Penfield, einem Schüler Sherringtons, zufällig entdeckt
Die gesamte afferente Hinterstrangbahn wird zusammen mit dem somatosensorischen Kortex auch als Lemniskales System bezeichnet. Über das lemniskale System werden haptische Informationen wie die epikritische Wahrnehmung (taktile Wahrnehmungen wie Berührung, Druck, Vibration und die räumliche Unterscheidung eingehender Reize; nicht jedoch Schmerz- und Temperatursinn), Tiefensensibilität (auch propriozeptive Wahrnehmung; Gelenkstellung sowie Informationen aus Muskelspindeln und Golgi-Sehnenorganen) zum Kortex geleitet. (siehe auch Mechanorezeptoren)
Der Lemniscus medialis entsteht durch die Konvergenz des Fasciculus gracilis für die untere Körperhälfte und Fasciculus cuneatus ab Th 5 für die obere Körperhälfte in Höhe der Medulla oblongata.
Für die Sensibilität des Gesichtes verläuft die Bahn über den fünften Hirnnerven (Nervus trigeminus), wird im Ganglion Gasseri das erste und im Trigeminuskern im Hirnstamm das zweite Mal umgeschaltet und erreicht ebenfalls den Thalamus. Die Fasern aus den sensiblen Trigeminuskernen kreuzen als Lemniscus trigeminalis zur Gegenseite und schließen sich dem Lemniscus medialis an. Durch die Kreuzung des Lemniskus medialis nach dem Hirnstamm werden die Informationen immer auch der jeweilig gegenüberliegenden Körperhälfte in der entsprechenden Hälfte der Großhirnrinde abgebildet.
Bild Lemniscus medialis Martin Trepel: Neuroanatomie. Urban & Fischer, 3. Auflage 2003. ISBN 3437412973
Eine Schädigung in diesem System zeigt sich in unkoordinierten Bewegungen durch den ipsilateralen Verlust des Stellungs- und Lagesinnes sowie der Zweipunkte-Diskrimination. Sie führt besonders zu einer Gangunsicherheit und Fallneigung, auch beim Romberg Steh- und Unterberger Tretversuch. Beim Finger-Nasezeigeversuch ist der Betroffene mit geschlossenen Augen unfähig, die Nasenspitze zu treffen. Des Weiteren kann dies zum Verlust der Vibrationsempfindungen oder zur Unfähigkeit mit geschlossenen Augen Gegenstände durch Betasten, zu erkennen, verursachen.
Bisher anerkannte Ursachen für eine Schädigung des Lemniskalen Systems sind Tabes dorsalis (Stadium 4 der Syphilis), funikuläre Myelose (Demyelinisierung der Fasern bei Vitamin B12 Mangel), Rückenmark -stumore oder Verschluß der Arteria spinalis posterior (hintere Arterie des Rückenmarks).
Die oben aufgeführten Tests wie der Romberger Steh- und Unterberger -Tretversuch werden auch in der Posturologie eingesetzt. Sie dienen als Hinweis auf eine Funktionsstörung im lemniskalen System. Gleichzeitig werden sie zur Verlaufskontrolle während der posturalen Rekalibrierung eingesetzt.