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B978-3-437-41357-5.00005-3

10.1016/B978-3-437-41357-5.00005-3

978-3-437-41357-5

Aufbau des Knochen:Aufbau\"\iKnochens. a Aus dem zellreichen Periost (P) gelangen Blutgefäße über Volkmann-Volkmann-Kanal\"\iKanäle (V) in das Knochengewebe (K) und speisen hier Gefäße, die in Havers-Havers-Kanal\"\iKanälen in Längsrichtung des Knochens verlaufen, um Osteone (O) zu versorgen. b Darstellung eines Osteon\"\iOsteons. Osteozyten\"\iOsteozyten gruppieren sich lamellenförmig um die Havers-Zentralkanäle (H). Die Fortsätze der Osteozyten finden sich in Canaliculi, die Lakunen miteinander verbinden. c Knochenbälkchen mit vielkernigem Osteoklasten\"\iOsteoklasten (OK) und Resorptionslakune\"\iResorptionslakune (RL) sowie Osteoblasten\"\iOsteoblasten (OB) und Osteozyten (OZ). d Mit Calcein gefärbte Osteozyten und ihre Ausläufer, 20 μm unter der Oberfläche der Schädeldecke (konfokales Laser-Scanning-Mikroskop). Die Präparate a–c wurden von Frau Prof. Dr. E. Winterhager, Institut für Anatomie Essen, zur Verfügung gestellt. Die Aufnahme d wurde mit einem konfokalen Laser-Scanning-Mikroskop durch Privatdozent Dr. Martin Wiemann, Institut für Physiologie Essen, erstellt.

[a–c: T491/d: T490]

Signalfluss zwischen Osteoblasten und Osteozyten. Die Osteozyten (Zellen 4–5) haben sich nach Mineralisierung (dunkelblau) der von Osteoblasten (Zellen 1–3) gebildeten Matrixsubstanz (MaS, hellblau) eingemauert. Bindung von Hormonen und lokalen Botenstoffen an Rezeptoren (R) führt zur Bildung von Second Messengern (sm). Diese kontrollieren die Syntheseleistung und die Leitfähigkeit von z.B. Kalziumkanälen (Zelle 1) oder kalziumabhängigen Kaliumkanälen (Zelle 2). Über Gap Junctions gelangen bioelektrische Signale (Ionenströme), Second Messenger und Metaboliten in die gekoppelten Zellen. Die Dehnung von Zelle 3 aktiviert die Phospholipase CPhospholipase:C (PLC), die Phosphatidylinositoldiphosphat (PIP2) zu Inositoltrisphosphat (IP3) und Diacylglycerin (DAG) abbaut. IP3 setzt aus intrazellulären Speichern Kalzium frei und steigert damit die Ca2+-Konzentration. DAG aktiviert die Proteinkinase C (PKC). Aktivierungen dieser und weiterer Kaskaden führen zur vermehrten Synthese von extrazellulärer Knochensubstanz. Damit wird der Knochen dort belastbarer, wo er besonders beansprucht wurde.

Osteoklasten:Knochenresorption\"\iKnochen:Resorption, Osteoklasten\"\iKnochenresorption durch Osteoklasten. Nach aktiver Sekretion von H+ sowie lysosomalen Proteasen und Phosphatasen (P'asen) werden die Mineralphase (dunkelblau) und die nicht mineralisierten Matrixsubstanzen (hellblau) aufgelöst. Kalzitonin aktiviert einerseits die Phospholipase CPhospholipase:C (PLC), erhöht so die Konzentration von Inositoltrisphosphat:Knochenresorption\"\iInositoltrisphosphat (IP3) und Kalzium und fördert damit – über den Kalziumanstieg – die Retraktion (Retr.) von Osteoklastenfortsätzen. Zudem aktiviert Kalzitonin die Adenylatcyclase:Knochenresorption\"\iAdenylatcyclase (AC), wodurch cAMP ansteigt und die Motilität der Zellfortsätze (Mot.) hemmt. ProstaglandinProstaglandin(e):E2 E2 (PGE2), Zytokine u.a., die von Osteoblasten nach Parathormonstimulation ausgeschüttet werden, fördern den Knochenabbau über Second Messenger (sm).

Kontraktiler Skelettmuskelfaser:kontraktiler Apparat\"\iApparat einer Skelettmuskelfaser (Schema). a Räumliches Schema von Myofibrille:Skelettmuskulatur\"\iMyofibrillen in einer Skelettmuskelfaser, links Außenansicht einer Myofibrille, rechts Längsschnitt. b Anordnung der kontraktilen Proteine und Strukturproteine in einem Sarkomer.

[5.1]

Aktin- und Skelettmuskelfaser:Myosin\"\iSkelettmuskelfaser:Aktin\"\iMyosin:Skelettmuskulatur\"\iAktinfilamente:Skelettmuskulatur\"\iAktin:Skelettmuskulatur\"\iMyosinfilament. a Struktur eines dünnen Filaments, bestehend aus den Aktinmonomeren (G-Aktin) und den regulatorischen Proteinen Tropomyosin:Skelettmuskulatur\"\iSkelettmuskelfaser:Tropomyosin\"\iTropomyosin (Tm) und Troponin:Skelettmuskulatur\"\iSkelettmuskelfaser:Troponin\"\iTroponin (TnT, TnI, TnC). b Struktur eines Myosinmoleküls mit den beiden schweren Ketten, die C-terminal einen α-helikal gewundenen Schwanz und N-terminal 2 globuläre Köpfe bilden. Jede schwere Kette hält 2 leichte Ketten (LK-1 → MLC-1; LK-2 → MLC-2) gebunden. Das 150 nm lange Myosinmolekül lässt sich in leichtes (LMM) und schweres Meromyosin\"\iMeromyosin (HMM) spalten. c Modell eines bipolaren dicken Myosinfilaments mit den Myosinköpfen zur Anheftung an die dünnen Aktinfilamente. Die Maße beziehen sich auf Blutplättchenmyosin. d Anordnung der Myosinköpfe (Vergrößerung von c).

Sarkomerlänge und Kraftentwicklung. Beziehung zwischen aktiv entwickelter isometrischer Kraft einer einzelnen Muskelfaser und deren Sarkomerlänge. Die Ziffern im unteren Teil entsprechen den durch Pfeile markierten Zuständen im oberen Teil.

[5.3]

Skelettmuskulatur:Kontraktionszyklus\"\iKontraktionszyklus\"\iKontraktionszyklusMuskulatur:quergestreifte (Schema).

Aktin-Myosin-Myosin-Aktin-Interaktion\"\iAktin-Myosin-Interaktion\"\iInteraktion. Versuchsanordnung, um die Interaktion einzelner Myosinmoleküle mit isolierten Aktinfilamenten zu bestimmen. a Die Enden eines isolierten Aktinfilaments werden an einer Mikroperle (Polystyrolkugel) befestigt und die Kugeln in einer Laserpinzette (Fokus eines Laserstrahls) festgehalten. An eine dritte Kugel wird ein einzelnes Myosinmolekül fixiert. In Gegenwart von ATP (Adenosintriphosphat):Aktin-Myosin-Interaktion\"\iATP interagiert das Aktinfilament mit dem Myosinmolekül. Kräfte und Bewegungen werden durch Abbildung der Mikroperlen auf den Quadranten eines Fotodetektors gemessen. b Kraftimpulse und Bewegungen einzelner Myosinmoleküle bei Wechselwirkung mit einem Aktinfilament. Der Übergang von der Basislinie (B) zum Plateau (P) repräsentiert die Bindung von Myosin an Aktin. Die Konformationsänderung des Myosinmoleküls wirkt in vitro mit einer Kraft von 3–4 pN auf das Aktinfilament.

[5.4]

Elektromechanische KoppelungSkelettmuskulatur:KontraktionKoppelung:elektromechanische im SkelettmuskelMuskulatur:quergestreifte (Schema). Gezeigt ist die Beziehung zwischen transversalem T-System:elektromechanische Koppelung\"\iTubulus und terminaler Zisterne des longitudinalen Tubulussystems des Skelettmuskels. Ein spannungsempfindliches Kalziumkanal:elektromechanische Koppelung\"\iKalziumkanalprotein (DHP = Dihydropyridin) der T-Tubulus-Membran interagiert mit dem dazugehörigen Kanalprotein des SR (Ryanodinrezeptor\"\iRyanodinrezeptor). Bei Depolarisation kommt es dadurch zu einer Ca2+ Freisetung aus den terminalen Zisternen des L-Systems. Kontrahierende Mechanismen sind orange dargestellt, relaxierende blau; IZR = Intrazellulärraum, EZR = Extrazellulärraum, DHP-DHP-Rezeptor\"\iRezeptor = Dihydropyridin-Rezeptor.

Aktivierung der kontraktilen Filamente. Querschnitt durch das dünne Filament (AktinAktin:Skelettmuskulatur und TropomyosinTropomyosin:Skelettmuskulatur) und das MyosinfragmentMyosin:Skelettmuskulatur des schweren Meromyosin:Aktivierung\"\iMeromyosins mit dem Myosinkopf. Oben: niedrige Ca2+-Konzentration, relaxierter Zustand. Tropomyosin befindet sich in einer Position, die nur eine schwache Bindung zwischen Aktin und Myosin erlaubt. Unten: hohe Ca2+-Konzentration, kontrahierter Zustand. Nach Ca2+-Wirkung an Troponin CTroponin:C ändert sich die Position von Tropomyosin an der Oberfläche des Aktins. Damit wird eine starke Bindung zwischen Aktin und Myosin für den zu vollziehenden Kraftstoß möglich.

[5.5]

Skelettmuskulatur:Pathophysiologie\"\iPathophysiologie des muskulären Systems. Defekte der neuromuskulären Endplatte, neuromuskuläre:Defekte\"\iEndplatte führen zur Myasthenia gravis; Defekte der Ionenkanäle des Sarkolemms bzw. des sarkoplasmatischen Retikulums sind Ursache der Paramyotonia congenita, Myotonia congenita, hypokaliämischen Paralyse oder der malignen Hyperthermie. Störungen des ZytoskelettsZytoskelett:Muskeldystrophie\"\i führen zur Muskeldystrophie.

Ableittechniken für Muskelaktionspotenzial:Ableittechniken\"\iMuskelaktionspotenziale. Im Gegensatz zur intrazellulären Registriertechnik wird bei der extrazellulären Ableitung mit einer Nadelelektrode in der Regel die Aktivität mehrerer Muskelfasern gemessen; RMP = Ruhemembranpotenzial, MAP = Muskelaktionspotenzial, EPP = Endplattenpotenzial, mEPP = Miniaturendplattenpotenzial, SAP = Summenaktionspotenzial. a Intrazelluläre Ableittechnik mit Glasmikroelektrode an einer einzelnen Muskelfaser. b Extrazelluläre Ableittechnik (Elektromyografie) mit Nadelelektrode an einer einzelnen Muskelfaser. c Extrazelluläre Registrierung mit Nadelelektrode von Summenaktionspotenzialen aus mehreren Muskelfasern eines Bündels.

Gelenkbewegung durch abgestimmte Aktivierung synergistischer und antagonistischer Muskelgruppen. Die oberste Kurve (Spur 1) zeigt die Änderung der Gelenkstellung bei Bewegung von einer Position zu einer anderen. Die Kurven 2 und 3 geben die Geschwindigkeit und Beschleunigung dieser Gelenkbewegung wieder. Die EMG-Ableitungen (4 und 5) geben die elektrische Aktivität eines zur Bewegung agonistischen (Kurve 5) und eines antagonistischen (Kurve 4) Muskels wieder. Die Pfeile zeigen den Beginn der Aktivitätsänderungen im EMG an (Antagonist: Hemmung; Agonist: Aktivierung). Das triphasische EMG-Muster (Aktivierung Agonist-Antagonist-Agonist) ist typisch für eine mittelschnelle, aber durch sensorische Rückmeldung kontrollierte Bewegung.

[5.6]

Charakteristika von Skelettmuskelfaser:Typen\"\iMuskelfasertypen bezüglich Kontraktion und Ermüdung. Originalregistrierungen isometrischer Kontraktionen einer Typ-S-Faser (oben), einer Typ-FR-Faser (Mitte) und einer Typ-FF-Faser (unten) eines M. triceps surae (Katze). Die Kontraktionen wurden durch elektrische Reizung der jeweiligen Motoneurone ausgelöst. a Auslösung einer unvollständigen tetanischen KontraktionKontraktion:tetanische bei schneller Zeitschreibung. b Auslösung von vollständigen tetanischen Kontraktionen mit einer Dauer von jeweils 330 ms über sehr lange Zeit. Im Typ S bleibt die Kontraktionskraft über 60 min hinaus unverändert (keine Ermüdung), im Typ FR ermüdet die Kontraktionskraft mit einem langsamen Zeitgang, und im Typ FF ermüdet die Kontraktionskraft bereits nach 4 min.

[5.7]

Skelettmuskulatur:Mechanik\"\iMuskel:Mechanik\"\iMuskelmechanik. Kasten: verschiedene mögliche Arbeitsbedingungen des Muskels (Schema); gestrichelte Linie = Länge des ruhenden, unbelasteten Muskels, S = Spannung, L = Länge. Unten: Kraft-Länge-Kraft-Länge-Diagramm, Skelettmuskel\"\iDiagramm eines isolierten Skelettmuskulatur:Kraft-Länge-Diagramm\"\iMuskel:Kraft-Länge-Diagramm\"\iSkelettmuskelsMuskulatur:quergestreifte des Frosches; weitere Erläuterungen s. Text.

[5.8, 5.9]

Skelettmuskel:Einzelzuckung\"\iMuskel:Einzelzuckung\"\iEinzelzuckung und tetanische Kontraktion:tetanische\"\iKontraktion bei einer einzelnen Skelettmuskelfaser.

Abhängigkeit der Kontraktionsgeschwindigkeit von der Last. Bei lastfreier Kontraktion wird die Verkürzungsgeschwindigkeit maximal (Vmax). Die Last, bei der sich der Muskel nicht mehr verkürzen kann (v = 0), entspricht der maximalen isometrischen Kraft (Fmax). Zwischen diesen beiden Punkten verläuft die Kraft-Geschwindigkeits-Beziehung in Form einer Hyperbel. Wird der Punkt Fmax überschritten, d.h. die Last noch weiter vergrößert, verlängert sich der aktive Muskel zunächst nur langsam, bei größerer Überlast dann jedoch sehr schnell. Die gestrichelte Kurve zeigt die Abhängigkeit der Leistung von der Belastung. Ein Maximum der Leistung wird bei einer Belastung von etwa 0,3 Fmax erreicht.

Simultane Wirkung von Kalzium:Muskelenergiehaushalt\"\iKalzium auf die Konzentration und den Energiestoffwechsel; Phos. Kinase = Phosphorylasekinase. a Kalzium aktiviert die Muskelkontraktion und die Energiebereitstellung durch Glykolyse. b Kalziumabhängigkeit der Phosphorylasekinase (und dadurch der Phosphorylase) sowie der Kraftentwicklung gehäuteter Muskelfasern.

Kontraktiler ApparatMuskulatur:glatte einer glatten Muskelzelle. Elektronenmikroskopische Aufnahme (EM) und Modell mit dünnen, dicken und intermediären Filamenten sowie dichten Körpern (Dense Dense Bodies\"\iBodies) und dichten Bändern (Dense Dense Bands\"\iBands) bei Kontraktion und Relaxation. Im EM-Querschnitt der glatten Muskelzelle sieht man dicke Myosinfilamente, die von etwa 15 dünnen Aktinfilamenten umgeben sind (gelber Kreis); SR = sarkoplasmatisches RetikulumRetikulum:sarkoplasmatisches, db = Dense Bodies, c = Caveolae\"\iCaveolae. Im Längsschnitt sieht man dicke FilamenteFilament:dickes (DF), die aus 3–5 einzelnen Myosinfilamenten bestehen sowie dünne Aktinfilamente (Pfeile), die von den Dense Bodies aus zu den dicken Filamenten ziehen, sowie intermediäre Filament:intermediäres, glatte Muskulatur\"\iFilamente (orange Pfeile), die die Dense Bands verschiedener Minisarkomere miteinander vernetzen und das nicht kontraktile ZytoskelettZytoskelett:glatte Muskulatur\"\i bilden; ZK = Zellkern:glatte Muskulatur\"\iZellkern. In der schematischen Darstellung der Minisarkomere ist die seitenpolare Anordnung der Myosinfilamente repräsentiert. (EM Aufnahmen wurden freundlicherweise von Prof. Dr. A.V. Somlyo, University of Virginia zur Verfügung gestellt)

[L106/F459/F460]

Muskulatur:Membranpotenzial\"\iMembranpotenzial:Muskulatur\"\iMembranpotenzial (MP) und Muskulatur:Kraftentwicklung\"\iKraftentwicklung, Muskulatur\"\iKraftentwicklung. a Herzventrikelfaser. b Skelettmuskelfaser. c–f Verschiedene Typen von glatten Muskeln. c Ein einzelnes Aktionspotenzial kann eine Einzelzuckung auslösen; die Summation führt zu einer kräftigeren Kontraktion. d Slow Waves beruhen auf der myogenen Aktivität von Schrittmacher-(Pacemaker-)Zellen (Single-Unit-Typ). e Eine Kontraktion der Gefäßmuskulatur (Multi-Unit-Typ) wird oft durch Änderungen des Membranpotenzials ausgelöst, ohne dass ein Aktionspotenzial entsteht. f Änderungen der Kontraktionskraft können auch durch Hormone und Pharmaka verursacht werden (pharmakomechanische Koppelung), ohne dass sich dabei das Membranpotenzial ändert.

[5.10]

Elektromechanische KoppelungKoppelung:elektromechanische im glatten Muskel. Kontrahierende Mechanismen sind orange dargestellt, relaxierende blau; MLC = regulatorische leichte Ketten des Myosins, MLC-P = phosphorylierte MLC, MLCP = Myosin-Leichtketten-Myosin-Leichtketten-Phosphatase\"\iMLCP (Myosin-Leichtketten-Phosphatase)\"\iPhosphatase, MLCK = Myosin-Leichtketten-MLCK (Myosin-Leichtketten-Kinase)\"\iKinase. Oben: Sarkolemm, sarkoplasmatisches Retikulum (IP3R = IP3-Rezeptor, RyR = Ryanodinrezeptor), Rezeptoren, Pumpen, Austauscher und Ionenströme (Schema). Unten: Kalzium-Calmodulin-Regulation der Kontraktion und Relaxation im glatten Muskel.

Regulation der Myosin-Leichtketten-Myosin-Leichtketten-Phosphatase:glatte Muskulatur\"\iMLCP (Myosin-Leichtketten-Phosphatase):glatte Muskulatur\"\iPhosphataseMyosin-Leichtketten-Phosphatase:glatte Muskulatur (MLCP). Kontrahierende Signalkaskaden sind orange dargestellt, relaxierende blau. Die Aktivität der MLCP hängt davon ab, welche Aminosäurereste der regulatorischen Untereinheit (MLCPreg) phosphoryliert vorliegen. CPI-17 und Telokin sind zytoplasmatische Peptide, die, wenn sie phosphoryliert sind, die MLCP hemmen (CPI-17) bzw. aktivieren (Telokin).

Phasen und neuronale Prozesse bei der Generierung von Bewegung:neuronale Prozesse\"\iBewegung. Das ZNS generiert „Bewegung“ in einer Folge komplexer Verarbeitungsschritte, die sowohl sequenziell als auch parallel ablaufen.

Linke Spalte: Die 3 grundlegenden Phasen der Motorik.

Mittlere Spalte: Neuronale Prozesse, die vom Nervensystem in diesen Phasen realisiert werden.

Rechte Spalte: Die Bewegungen aktivieren propriozeptive und exterozeptive Rezeptorsysteme, deren Erregung als Reafferenz die neuoronalen Prozesse steuert.

Große ProgrammierungsschleifenBewegung:Programmierung zwischen kortikalen und subkortikalen motorischen Systemen. Die motorischen Kortizes sind reziprok untereinander verschaltet (supplementär-motorische Area, primär-motorischer Kortex, prämotorischer Kortex).

1 = Basalganglienschleife, Bewegungsprogrammierung\"\iBasalganglienschleifeBewegung:Programmierung. Ausgehend von motorischen (und anderen) Kortexgebieten wird sie im Corpus striatum der Basalganglien verschaltet. Über die Ausgangskerne (Globus pallidus pars interna; Substantia nigra pars reticulata) erreicht sie über den Thalamus vor allem die supplementär-motorische Area.

2 = Kleinhirnschleife, Bewegungsprogrammierung\"\iKleinhirnschleifeBewegung:Programmierung. Vom Kortex ausgehend projiziert sie über die Pons in das Zerebellum, besonders in dessen Hemisphären. Sie projiziert dann über den Thalamus zu prämotorischen und primär-motorischen Kortexgebieten zurück.

3 = Die Thalamus:Bewegungsprogrammierung\"\ithalamischen Übertragungsstellen erhalten eine ausgeprägte Konvergenz von den verschiedenen kortikalen motorischen Systemen, die die Übertragungscharakteristik in den jeweiligen thalamischen Kernen steuern.

[5.11]

Motorik:Bereitschaftspotenzial\"\iBereitschaftspotenzial\"\iBereitschaftspotenzial und kortikale AktivitätAktivität:kortikale vor Bewegungsbeginn. a Die neuronale Aktivität des zerebralen Kortex ändert sich vor Beginn einer Bewegung, das sog. Bereitschaftspotenzial tritt auf (lang anhaltende Negativierung). EEG-EEG (Elektroenzephalografie):Bereitschaftspotenzial\"\iAbleitungen bei einem Probanden, der den rechten Zeigefinger willkürlich bewegte, wurden mit Elektroden an der Kopfhaut registriert (L-präc = linker präzentraler [prämotorischer] Kortex; M-par = parietaler Kortex, Mittellinie). Jede Kurve ist als Mittelwert von etwa 1.000 Einzelmessungen entstanden. Die Bewegung des Zeigefingers beginnt zum Zeitpunkt 0. Das Bereitschaftspotenzial tritt etwa eine Sekunde vor der Bewegung bilateral als Negativierung über den präzentralen und parietalen Regionen auf. Ungefähr 100 ms vor Bewegungsbeginn wechselt die Potenzialschwankung ihre Richtung. Diese prämotorische Positivierung entspricht dem Übergang von der Programmerstellung zur Durchführung der Bewegung. Die Potenziale nach Bewegungsbeginn sind durch Reafferenz der Propriozeptoren hervorgerufen. b Aktivitätssignale verschiedener Abschnitte des Kortex bei einer spontan initiierten Sequenz von Fingerbewegungen. Die lokale Hirnaktivität wurde als BOLD-Signal mit der funktionellen MagnetresonanztomografieMagnetresonanztomografie:funktionelle gemessen. Zuerst werden Neurone der rostralen SMA aktiviert (prä-SMA), dann Neurone der kaudalen SMA, zum Schluss Neurone im primär-motorischen Kortex (M1). Der Zeitunterschied zwischen den Signalen der prä-SMA und des M1 beträgt etwa 2 s. Der schwarze Pfeil (bei 0) markiert den Bewegungsbeginn. Die Kurven stellen Mittelwerte von 8 Probanden dar. Anstieg und Abfall der durchblutungsabhängigen BOLD-Signale sind gegenüber der elektrischen neuronalen Aktivität zeitlich verzögert.

[5.12]

Sensomotorische Kortex:sensomotorischer\"\iKortexgebiete. Motorische Areale sind der primär-motorische Kortex:primär-motorischer\"\iKortex (M1), der laterale ventrale (PMV) und dorsale (PMD) prämotorische Kortex:prämotorischer\"\iKortex und die medial gelegenen zingulär-Areal:zingulär-motorisches\"\imotorischen (ZMA) und supplementär-Areal:supplementär-motorisches\"\imotorischen (SMA) Areale. Posterior der Zentralfurche liegen der primär-somatosensorische Kortex:primär-somatosensorischer\"\iKortex (S1) und der posterior-parietale Assoziationskortex:posterior-parietaler\"\iAssoziationskortex (PPK), die eng mit den motorischen Kortexgebieten verknüpft sind. Die Zahlen geben die Nummerierung der Areale nach Brodmann-Areal(e)\"\iBrodmann an. Das frontale Augenfeld (Area 8) ist gestrichelt umrandet.

Somatotopische Motorik:somatotopische Repräsentation\"\iRepräsentation der Motorik. Frontalschnitt durch den primär-motorischen Kortex:primär-motorischer\"\iKortex (Gyrus praecentralis) einer Hemisphäre mit schematischer Darstellung der somatotopischen Repräsentation (Homunkulus). Reizung an den bezeichneten Kortexstellen führt zu Muskelkontraktionen der entsprechenden Körperteile.

Efferente Projektion:efferente\"\iProjektionen. Die kortikalen Efferenzen projizieren als ein mächtiges Bündel von Axonen in subkortikale und spinale Kerngebiete. Die abnehmende Dicke der Pfeile macht deutlich, dass die kortikale Efferenz zum großen Teil in supraspinalen Gebieten endet, ein kleinerer Teil erreicht das Rückenmark. 1 = kortikostriatale und kortikothalamische Trakte, 2 = kortikorubrale Trakte, 3 = kortikopontine Trakte, 4 = kortikoretikuläre Trakte, 5 = kortikooliväre Trakte, 6 = Tractus corticocuneatus und corticogracilis, 7 = Tractus corticospinalis lateralisTractus:corticospinalis, 8 = Tractus corticospinalis anterior.

Präzisionsgriff\"\iPräzisionsgriff. a Beim Fassen und Anheben eines Objekts werden die Griffkraft von Daumen und Zeigefinger, die vertikale Hubkraft und die Objektposition (Höhe) registriert. b Beim Fassen (Kontakt) steigt zuerst die Griffkraft\"\iGriffkraft und kurz darauf die Hubkraft\"\iHubkraft an. Dann nehmen beide Kräfte parallel zu, sodass ein annähernd konstanter Quotient zwischen Griff- und Hubkraft erreicht wird. Glatte Objekte werden fester gefasst als raue. Mechanosensoren der Fingerspitzen informieren das ZNS über das Greifen; die Aktionspotenziale wurden durch Mikroneurografie registriert. c Wenn die Fingerspitzen beim Heben kurz abrutschen (Rutsch), wird dies von Mechanosensoren (FA II, Pacini-Vater-Pacini-Körperchen:Präzisionsgriff\"\iPacini-Körperchen:Präzisionsgriff\"\iKörperchen) empfindlich registriert und bereits ca. 70 ms später wird die Griffkraft erhöht (Nachfassen). Damit einher geht eine deutliche Erhöhung des Quotienten zwischen Griffkraft und Hubkraft (lila Stern).

Kortikale AktivitätAktivität:kortikale bei einfachen und komplexen Fingerbewegung, kortikale Aktivität\"\iFingerbewegungen. a Ein Proband drückt eine Feder mit der rechten Hand durch einfache Fingerbeugung wiederholt zusammen. Linker primär-sensomotorischer Kortex (M1S1) und die rechte Hemisphäre des Zerebellums (ZBL) sind aktiv. b Dieselbe Person vollführt komplexe Bewegungssequenzen, bei denen der Daumen die anderen Fingerkuppen in bestimmter Reihenfolge mehrfach berührt. Die Aktivität von M1S1 ist ausgedehnter als bei einfachen Bewegungen, und zusätzlich sind die supplementär-motorische AreaAreal:supplementär-motorisches (SMA) und der posterior-parietale KortexKortex:parietaler (PPK) aktiv. In den Umrissen des Gehirns ist die gestrichelte blaue Linie die Zentralfurche. Die Hirnaktivität (graue Bereiche) wird mit der funktionellen MRT registriert. Ein Metronom gibt den Takt der Bewegungen vor.

Sensorische AfferenzAfferenz:sensorische bei Pyramidenbahn:sensorische Afferenz\"\iPyramidenbahnneuronen. Neurone von M1 werden durch Afferenzen über den Fortgang der Bewegung informiert. Oben: Gelenkwinkel (Position) des Handgelenks eines Affen bei einer Extension. Mitte: Aktionspotenziale eines Pyramidenbahnneurons (des M1) während der Bewegung. Unten: Histogramm der Aktionspotenzialfrequenz des Neurons während 20 Bewegungen. a Unbehinderte Extension des Handgelenks zur Zielzone (rotes Rechteck). b Während der Extension wird plötzlich eine Last appliziert (Pfeil), die die Bewegung behindert. Die nach etwa 40 ms folgende erste (1) starke Aktivierung der Nervenzelle geht auf die Afferenz aus ihrem rezeptiven Feld zurück. Die zweite Aktivierung (2) entspricht einem neuen zentralen Kommando, mit dem die Last überwunden und die Bewegung fortgeführt wird.

Störung der bimanuellen Koordination, bimanuelle\"\iKoordination nach Läsion der SMA. In einer durchsichtigen Platte sitzt eine Nuss in einem Kanal fest. Ein Tier mit intaktem ZNS drückt die Nuss mit einem Finger durch den Kanal und fängt sie mit der anderen Hand auf (links). Ein Tier mit einer rechtsseitigen Läsion der supplementär-motorischen Area (SMA) findet keine Strategie mehr, um diese bimanuelle Aufgabe zu lösen.

Spinales Verarbeitungssystem, spinales\"\iVerarbeitungssystem. Das spinale Interneurone:spinales Verarbeitungssystem\"\iVerarbeitungssystem ist aus Interneuronen aufgebaut, die zu einem differenzierten Netzwerk verschaltet sind. Aus den sensorischen Modalitäten (rot) nehmen sie Informationen auf und projizieren sie (blauer Pfeil) zu den Motoneuronen, den Effektoren (grün). Die Bewegungsprogramme aus supraspinalen Strukturen interagieren mit den Interneuronen (schwarzer Pfeil links). Die supraspinalen Verarbeitungsebenen werden über die Erregung von Rezeptoren und die interneuronalen Verarbeitungsschritte informiert (schwarzer Pfeil rechts).

Interaktion von deszendierenden Bewegungsprogramm:deszendierendes\"\iBewegungsprogrammen und segmentalen Afferenzen. Zwei prinzipielle Lösungen sind möglich. a Nach dem modernen Konzept findet die sensomotorische Integration an gemeinsamen prämotoneuronalen Interneuronen statt. b Nach dem früheren Konzept fand die sensomotorische Integration an den Motoneuronen statt, zu denen zentrale motorische Strukturen und Afferenzen über eigene Interneurone projizierten.

[5.13]

Neuroanatomische Reflex:neuroanatomische Grundstruktur\"\iGrundstruktur eines Reflexes. Beim monosynaptischen Patellarsehnenreflex wird durch einen leichten Schlag mit dem Reflexhammer eine Kontraktion des M. quadriceps Musculus:quadriceps femoris\"\ifemoris ausgelöst. EMG-Elektroden auf der Haut über dem M. quadriceps leiten das Summenaktionspotenzial der Muskelkontraktion ab. Mit einer Latenz von etwa 30 ms nach dem Schlag mit dem Reflexhammer tritt das Reflexpotenzial auf.

[5.10]

Längen- und Spannungsrezeptoren in der quergestreiften Muskulatur:quergestreifte\"\iMuskulatur. a In den parallel zu Arbeitsmuskulatur liegenden Muskelspindel\"\iMuskelspindeln (MSP) sind mehrere Längenrezeptoren lokalisiert. Spannungsrezeptor:Muskulatur\"\iMuskulatur:Spannungsrezeptoren\"\iSpannungsrezeptoren (Golgi-Golgi-Sehnenorgan\"\iSehnenorgane, GOS) sind in Serie zu den Muskelfasern angeordnet. Afferente Innervation: In eine MSP treten jeweils ein Axon der Gruppe I (Ia) und der Gruppe II ein, die die Längenrezeptoren innervieren. In ein GOS tritt jeweils ein afferentes Axon der Gruppe I (Ib). Im Muskel sind weitere Rezeptoren vorhanden (u.a. freie Nervenendigungen der Gruppe III). Efferente Innervation: Die Längenrezeptoren werden zusätzlich von den γ-Motoneuronen des Rückenmarks innerviert (nur für die MSP am unteren Muskelrand illustriert). b Die Längenrezeptoren teilen sich in 2 Gruppen: Kernsackfaser\"\iKernsackfasern (oben) und Kernkettenfaser\"\iKernkettenfasern (unten). In einer MSP finden sich 2 Kernsack- und bis zu 10 Kernkettenrezeptoren. Das Ia-Axon bildet Kollateralen, die sich spiralig um den Äquatorialbereich aller Rezeptoren der MSP winden und mit der Rezeptormembran verwachsen. Das II-Axon teilt sich in Kollateralen und bildet auf den Rezeptormembranen am Übergang der Äquatorialregion zu dem Polbereich mit der Rezeptormembran verwachsende Terminalen. c Die γ-Axone innervieren die intrafusale Muskulatur:intrafusale\"\iMuskulatur (senkrechte Striche) im Polbereich. Die γ-<03B3>-Innervation\"\iInnervation verstellt die Empfindlichkeit des rezeptiven Systems.

Rezeptorantwort der Längenrezeptor:Rezeptorantwort\"\iLängenrezeptor:Muskel\"\iLängenrezeptoren auf Muskeldehnung mit und ohne gleichzeitige γ-<03B3>-Innervation:Längenrezeptoren\"\iInnervation. a Oben: Versuchsanordnung mit paralleler Anordnung der Längenrezeptoren und Arbeitsmuskulatur. Elektrische Reizung der γ-Axone (R), Registrierung der Rezeptoraktivierung durch Ableitung der Ia-Axone (A). Unten: kontrollierte Änderung der Muskellänge über die Zeit. b Längenzunahme des Muskels ohne Erregung des γ-Systems: Während der Längenzunahme des Muskels steigt die Aktionspotenzialfrequenz in den Ia-Axonen. Nach Erreichen der Ziellänge nimmt sie ab und stellt sich auf einen neuen Wert oberhalb des Ausgangswertes ein. Die überschießende Frequenzantwort während der Längenzunahme entspricht dem differenziellen Rezeptorverhalten (dynamische Antwort), die Frequenzantwort nach Erreichen der Ziellänge entspricht dem statischen Rezeptorverhalten (proportionale Antwort). c Längenzunahme des Muskels während Reizung statischer γ-<03B3>-Motoneuron:statisches\"\iAxone (rot markiert). Mit Reizbeginn (vor Längenzunahme) erhöht sich die Aktionspotenzialfrequenz (Dehnung der Äquatorialzone der Rezeptoren durch Kontraktion der intrafusalen Muskulatur). Während der Längenzunahme ist die dynamische Antwort gering (Vergleich zu b). Nach Einstellung auf die Ziellänge höhere Aktionspotenzialfrequenz als in der Kontrolle (b). Die Reizung der statischen γ-Axone verändert die Charakteristik des Systems zur verbesserten Messung der absoluten Muskellänge. d Längenzunahme des Muskels während Reizung dynamischer γ-<03B3>-Motoneuron:dynamisches\"\iAxone (rot markiert). Mit Reizbeginn (vor Längenzunahme) erhöht sich die Aktionspotenzialfrequenz gering (Vergleich zu c). Während der Längenzunahme ist die dynamische Antwort der Afferenzen sehr stark erhöht und geht deutlich über die Kontrolle (b) hinaus. Nach Einstellung auf die Ziellänge geringere Aktionspotenzialfrequenz als in der Kontrolle (c), es wird keine konstante Aktionspotenzialfrequenz generiert, obwohl die Muskellänge konstant bleibt. Die Reizung der dynamischen γ-Axone verändert die Charakteristik des Systems zur verbesserten Messung von Änderungen der Muskellänge.

[5.14]

γ-Motoneurone sichern die Messeigenschaften der Muskelverkürzung, Längenrezeptoren\"\iLängenrezeptor:Muskelverkürzung\"\iLängenrezeptoren bei einer Verkürzung des <03B3>-Innervation:Sicherung der Messeigenschaften\"\iMuskels. Linke Bildhälfte: parallele Anordnung der Längenrezeptoren und der extrafusalen Muskulatur. Eine Verkürzung der extrafusalen MuskulaturMuskulatur:extrafusale wird in a durch Reizung der α-Motoaxone erreicht, in b werden α- und γ-Motoaxone gleichzeitig erregt (zentrales <03B1>-<03B3>-Koaktivierung\"\iSignal). Erfassung der Rezeptoraktivierung durch Ableitung der Ia-Afferenz, Registrierung der Muskellänge mit einem Längenmesser. Rechte Bildhälfte: Registrierung der Ableitungen. Obere Spuren: Aktionspotenziale in den Ia-Axonen. Untere Spuren: Muskellänge (Verkürzung nach unten). a Bei einer Verkürzung der Arbeitsmuskulatur (Reizung der α-Motoaxone) falten sich die Längenrezeptoren auf. Die Aktivierung der Ia-Axone sistiert während der Verkürzung (Spindelpause\"\iMuskelspindel:Pause\"\iSpindelpause). Die Rezeptoren fallen als Messfühler der Muskellänge aus. b Bei einer Koaktivierung der α- und γ-Motoneurone (zentrales Signal, Reizung α plus γ) verkürzen sich intrafusale und extrafusale Muskulatur parallel. Die Rezeptoren messen auch während der Verkürzung (Spindelaktivierung\"\iMuskelspindel:Aktivierung\"\iSpindelaktivierung).

Veränderungen von Muskellänge und Muskelspannung aktivieren die Längen- und Spannungsrezeptoren parallel. a Eine Verlängerung eines Muskel:Verlängerung\"\iMuskels (Muskellänge Spur 1) aktiviert die Muskelverlängerung:Längenrezeptoren\"\iLängenrezeptor:Muskelverlängerung\"\iLängenrezeptoren, die Aktionspotenziale in Ia- (Spur 2) und II-Axonen (Spur 3) generieren. Die Ia-Aktivität hat während der Längenänderung eine höhere Aktionspotenzialfrequenz als nach Einstellung auf die Ziellänge (die Aktivität bildet die dynamische Charakteristik der Längenänderung ab). Die II-Aktivität hat eine höhere Aktionspotenzialfrequenz nach Einstellung auf die Ziellänge als in der Phase der Längenänderung (die Aktivität bildet die statische Charakteristik der Längenänderung ab). b Die Kontraktion (Kraft Spur 1) einer einzelnen motorischen Einheit aktiviert ein Golgi-Muskelverlängerung:Golgi-Sehnenorgan\"\iGolgi-Sehnenorgan:Muskelverlängerung\"\iSehnenorgan (Spur 3). Dieses bildet mit einem proportional-differenziellen Rezeptorverhalten sowohl die dynamische als auch die statische Charakteristiken des Reizes ab. c Bei einer Kontraktion eines Muskels (Kraft Spur 1) mit α-γ-Koaktivierung werden die Längenrezeptoren (Spur 2) und die Spannungsrezeptoren (Spur 3) erregt. Die Information beider Systeme konvergiert im Rückenmark auf gleiche Motoneurone und Interneurone.

Räumliche Summation in Gruppen von Interneurone:räumliche Summation\"\iInterneuronenSummation:räumliche. Obere Spur: intrazelluläre Ableitungen aus einem Interneuron (IN), das zu einer Population von IN mit identischer Konvergenz und Projektion gehört (angedeutet durch graues Umfeld). Untere Spur: intrazelluläre Ableitungen aus einem α-Motoneuron (MN), das aus der Gruppe der IN erregt wird. Es steht exemplarisch für alle α-<03B1>-Motoneuron:räumliche Summation\"\iMotoneurone des Motornukleus (graues Umfeld). Synapsensymbole: erregende Synapsen = offenes Dreieck; hemmende Synapsen = ausgefüllter Punkt. Das Membranpotenzial der Neurone beträgt etwa –70 mV, die Schwelle zur Auslösung von Aktionspotenzialen ist gestrichelt. Konvergenz auf die IN aus 2 Systemen (1 = segmentale Afferenz; 2 = deszendierender Trakt), die elektrisch einzeln (Eingang 1 oder 2) oder zusammen (Eingänge 1 und 2) gereizt werden (Zeitpunkt und Ort des Reizes: Pfeil in der Ableitung). a Bei Reizung nur eines Eingangs werden in den IN EPSP (exzitatorisches postsynaptisches Potenzial):Interneurone\"\iEPSPs unterschiedlicher Amplitude ausgelöst. Die Erregung in den IN bleibt unterschwellig, in den MN werden keine synaptischen Potenziale ausgelöst. Werden beide Eingänge kurz nacheinander erregt, summieren sich die EPSPs in den IN und lösen ein Aktionspotenzial aus. Dieses wird auf die MN weitergeleitet, die überschwellig erregt werden. Als Ergebnis der prämotoneuronalen Verrechnung hat die Afferenz aus der Peripherie die Übertragung des deszendierenden Bewegungskommandos auf die MN möglich gemacht. b Die Reizung von Eingang 1 löst im IN ein IPSP (inhibitorisches postsynaptisches Potenzial):Interneurone\"\iIPSP aus, die Reizung von Eingang 2 ein großes EPSP, das ein Aktionspotenzial auslöst. Das Aktionspotenzial wird an die MN weitergeleitet und erregt es überschwellig. Werden beide Eingänge kurz nacheinander erregt, verrechnet die interneuronale Membran das IPSP und das EPSP miteinander. Die Schwelle zur Auslösung eines Aktionspotenzials im IN wird nicht erreicht, die Aktivierung der MN entfällt. Im Ergebnis hat die Reafferenz aus der Peripherie die Übertragung des deszendierenden Bewegungskommandos auf die MN blockiert.

Verschaltung der primären Muskelspindelafferenzen. Die Ia-Axone erregen die α-<03B1>-Motoneuron:Muskelspindelafferenzen\"\iMotoneurone (MN) zum rezeptortragenden Muskel und hemmen über Interneurone:Muskelspindelafferenzen\"\iInterneurone (Ia-Interneuron, IN) die α-MN zu den antagonistischen Muskeln (reziproke Hemmung:reziproke\"\iHemmung). Kollateralen der α-Motoaxone aktivieren im Vorderhorn gelegene Renshaw-Renshaw-Zelle:Muskelspindelafferenzen\"\iZellen. Diese hemmen einmal die α- und γ-MN des eigenen Kerns (Rückwärtshemmung) wie auch die Ia-IN der reziproken Hemmung. Die skizzierten Neurone gehören im Rahmen einer „funktionellen Einheit“ zueinander (gelber Rahmen), da sie die Aktivierung und Hemmung der auf ein gemeinsames Gelenk wirkenden Agonisten und Antagonisten koordinieren. In dieser und den folgenden Abbildungen sind IN blau; MN grün; afferente Eingänge rot; fördernde Synapsen als Dreieck und hemmende Synapsen als ausgefüllter Punkt dargestellt.

Muskelspindelsystem:Gelenkrückführung\"\iMuskelspindelsystem zur Rückführung eines Gelenks in die Ausgangsstellung. a Verschaltung des Muskelspindelsystems zwischen den Ellenbogenflexoren und extensoren. Die Ia-Afferenzen aus den Flexoren erregen die Motoneurone (MN) zu den homonymen und synergistischen Muskeln und hemmen die MN der antagonistischen Ellenbogenextensoren. b Eine Auslenkung des Gelenks (gestrichelter Pfeil) erregt das Ia-System der Ellenbogenflexoren (durchgezogener Pfeil). c Die homonymen und synergistischen α-MN werden erregt (durchgezogene Pfeile), die antagonistischen α-MN werden gehemmt. Das Gelenk wird auf seine Ausgangsstellung zurückgeführt (gestrichelter Pfeil).

[5.14]

α-γ-Muskelspindelsystem:<03B1>-<03B3>-Koaktivierung\"\i<03B1>-<03B3>-Koaktivierung\"\iKoaktivierung zur Funktionssicherung des Muskelspindelsystems während einer Kontraktion. a Isometrische Kontraktion der Fingerbeuger beim Menschen. Oben: Ableitung einer Ia-Ia-Afferenz:Muskelspindelsystem\"\iAfferenz aus dem N. medianus während zweier Kontraktionen. Mitte: Registrierung der Kraft. Unten: Elektromyografie:Fingerbeuger\"\iElektromyogramm der Fingerbeuger. Die Ia-Afferenz wird während der Kontraktion und in Abhängigkeit von der Kraft aktiviert. Die extrafusale Muskulatur wird vor der intrafusalen erregt. b Aktive Schließbewegung des Kiefergelenks eines Affen. Oben: Ableitung einer Ia-Afferenz aus dem M. masseter während einer Schließbewegung. Unten: Registrierung der Kieferbewegung (Kieferschluss nach oben). Bei dem willkürlichen Kieferschluss wird die Ia-Afferenz während der Muskelkontraktion aktiviert (wie in a). c Passiver Kieferschluss durch externe Führung des Kiefers. Bei passiver Gelenkführung schweigt die Ia-Afferenz, es tritt eine Spindelpause:Muskelspindelsystem\"\iSpindelpause ein. Herkunft Abbildung:

[5.16, 5.17]

Grundlage der α-γ-<03B1>-<03B3>-Koaktivierung:Grundlagen\"\iKoaktivierung. Parallele Projektionen deszendierender und segmentaler Systeme auf α- und γ-Motoneurone (MN), korrespondierende Ia-inhibitorische Interneurone (IN) und Renshaw-Zellen. Im Vergleich zu Abb. 5.41 ist die Konvergenz ergänzt um von supraspinal deszendierenden Systemen ergänzt. „Zueinander gehörende“ α- und γ-MN (gelber Kasten) und hemmende Ia-IN zu den Antagonisten (korrespondierende Ia-IN) werden gekoppelt aktiviert. Dies sichert bei Bewegungen eine parallele Veränderung der intra- und extrafusalen Muskellänge und die Ankoppelung der reziproken Inhibition. Die Renshaw-Renshaw-Zelle:<03B1>-<03B3>-Koaktivierung\"\iZellen sind ein Teil der „funktionellen Einheit“, die die Aktivierung und Hemmung der auf ein gemeinsames Gelenk wirkenden Agonisten und Antagonisten steuert. Die Aktivität der Renshaw-Zellen wird ihrerseits von supraspinal über fördernde und hemmende Konvergenzen in den Verhaltenskontext eingepasst.

Aktivierung von statischen<03B3>-Motoneuron:statisches und dynamischen γ-Motoneuronen<03B3>-Motoneuron:dynamisches in Abhängigkeit von unterschiedlichen motorischen Aufgaben. In der Willkürmotorik stellt das γ-System die Längenrezeptoren bei Längenänderungen der Muskulatur auf die Erfassung proportionaler oder dynamischer Information ein. Bei Aktivitäten, in denen sich die Muskellänge langsam und vorhersagbar ändern wird, wird die Messempfindlichkeit der Rezeptoren auf die Übertragung der proportionalen Information eingestellt, also auf die Messung der tatsächlichen Muskellänge. Bei Aktivitäten, in denen sich die Muskellänge schnell und nicht vorhersagbar ändern wird, wird die Messempfindlichkeit der Rezeptoren auf die Übertragung der dynamischen Information eingestellt, also auf die Messung der Änderungen der Muskellänge. Die Abbildungen zeigen Messungen an freibeweglichen Katzen in verschiedenen Verhaltenssituationen.

[5.18]

Methodik des Hoffmann-Hoffmann-Reflex\"\iReflexes (H-H-Reflex\"\iReflex). a Elektrische Reizung des N. tibialis und Ableitung des reflektorisch ausgelösten EMG des M. triceps surae bei einer Versuchsperson. b Die Steigerung der Reizstärke (in V) vergrößert zuerst die Amplitude des H-Reflexes (1–2). Sobald eine M-Welle (kürzere Latenz) auftritt, wird der H-Reflex kleiner und verschwindet schließlich (3–5). Die Amplitude der M-Welle nimmt bis zu einem Maximalwert zu. Die Striche kurz vor der M-Welle ( in 1) geben den Reizartefakt bei Reizung des N. tibialis wieder. c Beziehung zwischen den Amplituden von H-Reflex, M-Welle und Reizstärke.

[5.19]

Ib-Interneurone integrieren multisensorische Konvergenzen aus segmentalen und deszendierenden Quellen. Konvergenz von afferenten segmentalen und deszendierenden Systemen auf die Interneurone der autogenen Hemmung. I–IV bezeichnet die Afferenzen aus den unterschiedlichen Fasergruppen. Die Gesamtpopulation der Ib-Interneurone zerfällt in Untergruppen mit spezifischem, eingeschränktem Konvergenzmuster; NA = noradrenerg.

Parallele inhibitorische und exzitatorische Ib-Wege auf Extensor-α-Motoneurone. Weg 1: Ib-Afferenzen aus dem eigenen Muskel aktivieren Interneurone (Ib-Interneurone, IN), die die homonymen Motoneurone (MN) hemmen (autogene Hemmung:autogene\"\iHemmung). Die Ib-IN erhalten zusätzlich eine monosynaptische Konvergenz von Ia-Afferenzen aus dem gleichen Muskel, fördernde und hemmende Projektionen von anderen ipsilateralen Afferenzen (besonders Haut) sowie deszendierenden Trakten (besonders kortikospinaler Trakt). Weg 2: Ib-Afferenzen aus dem eigenen Muskel aktivieren Ib-IN, die die homonymen MN fördern. Diese IN erhalten eine starke oligosynaptische Konvergenz von Gruppe-II-Afferenzen aus dem eigenen Muskel sowie fördernde und hemmende Projektionen von anderen ipsilateralen Afferenzen und deszendierenden Trakten. Der spinale SLG (spinaler Lokomotionsgenerator):Ib-Interneurone\"\iLokomotionsgenerator, spinaler:Ib-Interneurone\"\iLokomotionsgenerator (SLG) ist Schalter beider Wege, indem er die Aktivierung der Wege steuert: Wenn die Extensor-MN vom SLG während der Standphase der Lokomotion angesteuert werden, wird durch die Konvergenz im Weg 2 (zusätzliche Förderung der Ib-IN) in der Extensormuskulatur Kontraktionskraft erzeugt (positives Feedback). Die Übertragung im Weg 1, die eine Steigerung der Kontraktionskraft verhindern würde, wird in dieser Phase vom SLG über eine disynaptische Hemmung gesperrt.

Verhaltensreaktion ipsilaterale Beugereflex:ipsilateraler\"\iFlexion und gekreuzte Streckreflex, gekreuzter:extremitätenübergreifende spinale Systeme\"\iExtension. Bei einem schmerzhaften Reiz (Bilder 1/2) löst die Erregung von Nozizeptoren und nieder- sowie hochschwelligen Hautrezeptoren eine Beugung der ipsilateralen Extremität aus (Bild 3/4). Zur Sicherung des Standes wird gleichzeitig die kontralaterale Extremität extendiert (Bild 4). Die Wahrnehmung des Schmerzes erfolgt später (Bild 5), wenn die motorischen Reaktionen weitgehend abgeschlossen sind.

[5.20]

Flexions-Extensions-Flexions-Extensions-Verhalten\"\iVerhalten. Abhängig von der Reizstärke erfasst das Beugemuster Muskeln der ipsi- und kontralateralen Extremität. Afferenzen der Gruppen II, III und IV aktivieren im intermediären Gebiet der grauen Substanz große Gruppen von Interneuronen. Diese fördern auf der ipsilateralen Seite die motorischen Kerne zu den Flexoren (F) und hemmen die zu den Extensoren (E). Auf der kontralateralen Seite werden die Extensoren gefördert und die Flexoren mit dem System der reziproken Inhibition gehemmt. Die Übertragung in den spinalen polysynaptischen Wegen wird sehr effektiv durch deszendierende Trakte im dorsolateralen Funikulus kontrolliert, u.a. durch retikulospinale Systeme.

Kinematik und muskuläre Aktivität bei der Lokomotion des Menschen. a Kinematik des Gehen:Kinematik\"\iGangs bei moderater Geschwindigkeit. Ausgewählte Zeichnungen während eines Schrittes. b EMG-Aktivität der Mm. tibialis anterior und gastrocnemius medialis während eines Schrittes (Mittelwert von 6 Schritten). Ordinaten: EMG in μV; Abszisse: normierte Schrittdauer. c Veränderung des Sprunggelenkwinkels (obere Spur: Zunahme des Winkels – Dorsiflexion). Änderungen der Spannung in der Achillessehne mit einem Transducer gemessen und als relative Änderungen angegeben (untere Spur: Kraftzunahme nach oben). Die Kurven sind Mittelwerte der Standphasen von 18 Versuchspersonen. Abszisse: normierte Standphase mit markiertem Beginn und Ende.

[5.21, 5.22, 5.23]

SLG (spinaler Lokomotionsgenerator):Aufbau\"\iLokomotionsgenerator, spinaler:Aufbau\"\iAufbau des spinalen Lokomotionsgenerators zu einer Extremität und Steuerung seiner Aktivität durch deszendierende und afferente Systeme. a Der spinale Lokomotionsgenerator (SLG) besteht aus einem Extensor- und einem Flexorhalbzentrum (E, F), die den Rhythmus und das Muster zur Aktivierung der Extensor- und Flexormotoneurone (E-MN, F-MN) generieren (Rhythmogenese und Aktivitätsmuster). Die beiden Halbzentren hemmen sich gegenseitig (hemmende Interneurone, rot). Lokomotorische Systeme aus pontinen und mesenzephalen Regionen (grau, links oben) aktivieren den SLG. Die E- und F-Halbzentren projizieren auf spezifische Gruppen spinaler Interneurone (IN). b Die IN bilden eine den MN vorgelagerte Verarbeitungsstufe, in der Konvergenzen aus dem SLG, aus supraspinalen adaptiven Systemen (e) und von Reafferenzen aus den bewegten Extremitäten Gruppen von IN in der adäquaten zeitlichen und räumlichen Zusammensetzung auswählen. Sie projizieren auf die E-MN bzw. F-MN. c Diese setzen die interneuronalen und deszendierenden adaptiven Signale (e) in eine rhythmisch alternierende Aktivierung der Extensoren und Flexoren der Extremität um (Umsetzung Ausgangssignal). d Durch die Bewegung werden in der Extremität Muskel-, Gelenk- und Hautrezeptoren erregt (Bewegung schafft Reafferenz). Die Reafferenz:spinaler Lokomotionsgenerator\"\iReafferenz projiziert auf die Ebenen der IN und der beiden Halbzentren des SLG. Ia-Afferenzen haben eine monosynaptische Verschaltung mit den homonymen und heteronymen MN. e Adaptive Systeme (u.a. kortikospinales System; vestibulospinales System) projizieren auf die MN, die IN und in den SLG. Sie passen das lokomotorische Muster in den Bewegungskontext ein.

Projektion der lokomotorischen Halbzentren und der Reafferenz aus der Extensor- und Flexormuskulatur des Sprunggelenks auf die korrespondierenden E-MN und F-MN während der Standphase:spinaler Lokomotionsgenerator\"\iStandphase. Die Darstellung spezifiziert die Verschaltungen auf der Ebene der Auswahl von Interneuronen (IN) in Abb. 5.52 für die Situation am Sprunggelenk. Die Extensor- und Flexorhalbzentren des SLG (E-Zentrum, F-Zentrum) sind praktisch identisch aufgebaut, in der Standphase ist das E-Zentrum aktiv und hemmt das F-Zentrum (Weg 1, die Projektionen aus dem F-Zentrum sind grau dargestellt). a Nutzung der Ia-Inhibition aus den physiologischen Extensoren für die reziproke Hemmung der antagonistischen F-MN. Die E-MN werden aus dem E-Zentrum direkt (2) und disynaptisch (3) über aktivierende IN erregt. Die Ia-IN werden von Ia-Afferenzen der Extensormuskulatur (4), von Kollateralen der Projektion des E-Zentrums auf die E-MN (2) sowie von Axonen der adaptiven Systeme (5) erregt. Sie hemmen die F-MN. Die Konvergenz auf die Ia-IN passt die reziproke Hemmung der F-MN an die Kontraktion der Extensormuskulatur an (2), an die Reafferenz aus der Muskulatur (4) sowie an das strategische Bewegungsziel (5). b Aktivierende Reafferenz aus der Muskulatur zur Erzeugung von Kontraktionskraft in den Extensoren. Die E-MN werden vom E-Zentrum über (2) und (3) erregt. Dieses Extensionsprogramm wird über eine Reafferenzschleife positiv verstärkt (4b), die von den Ib-Afferenzen und den statischen Längenrezeptoren der Muskelspindeln (Gruppe-II) ausgeht. In (4a) konvergiert die Ib-Afferenz auf die IN (3), die monosynaptisch auf die E-MN projizieren. Dadurch entsteht ein positives Feedback, das die Aktivierung der E-MN weiter fördert. In (4b) projiziert die Reafferenz auf das E-Zentrum. Die räumliche Summation in dem Zentrum erhöht die Zahl der Neurone, die nach (2) und (3) projizieren, was die Kontraktion der Extensoren verstärkt. Die disynaptische autogene Hemmung der E-MN von den Ib-Afferenzen (4c) wird in der Standphase über (5) abgeschaltet: Die in der Standphase vorherrschende Extensoraktivität fördert die in (5) eingeschalteten hemmenden IN, die ihrerseits die Ib-IN der autogenen Hemmung hyperpolarisieren. Die Projektion über die monosynaptischen Ia-Afferenzen auf die E-MN (Weg 6) wird in den Motoneuronen nicht wirksam, da die Übertragung in diesem Weg durch eine präsynaptische Inhibition kontrolliert wird.

Antizipatorisches posturales Bewegungsprogramm:posturales\"\iProgramm. Auf ein Tonsignal hin (rechte Bildhälfte, blauer Pfeil) zieht ein stehender Proband an einem Handgriff, der per Seilzug mit einem Gewicht (ca. 7 kg) verbunden ist. Um den stabilen Stand zu gewährleisten, werden die Extensoren des Sprunggelenks bereits etwa 60 ms früher (grüner Pfeil) als der M. biceps brachii aktiviert, der den Ellenbogen beugt und Zug auf das Seil ausübt (roter Pfeil); EMG = elektromyografische Ableitungen, rechts rektifizierte und integrierte EMG-Signale eines Probanden.

[5.24]

Standkorrektur\"\iKörperhaltung:Standkorrektur\"\iStandkorrektur durch ein reaktives posturales ProgrammBewegungsprogramm:posturales. Ein Proband steht auf einer Plattform, die unerwartet ruckartig nach hinten verschoben wird (schwarzer Pfeil). Rechts sind EMG-Ableitungen der Aktivität verschiedener Muskeln dargestellt. Als Reaktion auf die Störung des Standes (Beginn der EMG-Ableitung) kontrahieren nach 100 ms von distal ausgehend nacheinander die Sprunggelenk-, Hüftgelenk- und Rumpfextensoren (G-, H-, P-Muskelgruppen). Q = M. quadriceps femoris, T = M. tibialis anterior, P = paraspinale Muskeln, H = Hüftgelenkextensoren, G = M. gastrocnemius.

Beeinflussung des Muskeltonus:Hirnstammeinfluss\"\iHirnstamm:Muskeltonus\"\iMuskeltonus durch Kerngebiete des Hirnstamms. Pontine und medulläre Anteile der Formatio reticularis (rot) stellen auf spinaler Ebene (grün) ein Gleichgewicht zwischen tonisch fördernden und hemmenden Einflüssen auf die Motoneurone der Extensoren her. Eine Dezerebrierung erhöht den Extensortonus, da die Förderung der extensorhemmenden medullären Formatio reticularis durch den Kortex unterbrochen ist, während aszendierende Bahnen die pontine Formatio reticularis weiterhin aktivieren. Eine zusätzliche Läsion des Zerebellums (blau) enthemmt die Vestibulariskerne, die die Extensor, physiologischer:Hirnstammeinfluss\"\iExtensoren erregen, und verstärkt so die Dezerebrierungsstarre\"\iDezerebrierungsstarre.

Asymmetrisch tonischer Nackenreflex, tonischer\"\iNackenreflex. Posturale Programme sind in Willkürbewegungen eingebunden. Die Drehung des Kopfes des Baseballspielers beeinflusst die Haltung der Extremitäten, die auf der Gesichtsseite gestreckt werden.

Basalganglien:Eingangssystem\"\iEingangssystem und Basalganglien:Ausgangssysteme\"\iAusgangssysteme der Basalganglien-Kerne. a Den Eingangskern der Basalganglien bildet das Striatum:Basalganglien\"\iStriatum (dunkelgrau, bestehend aus Putamen:Basalganglien\"\iPutamen und Nucleus Nucleus:caudatus, Basalganglien\"\icaudatus). Seine Afferenzen kommen aus fast allen Gebieten des zerebralen Kortex sowie der Substantia Substantia:nigra, Basalganglien\"\inigra, Pars compacta (SNc) und vom Thalamus. b Die Ausgangskerne der Basalganglien (hellgrau) bilden eine funktionelle Einheit aus Substantia nigra, Pars reticularis (SNr) und Globus Globus pallidus, Basalganglien\"\ipallidus, Pars interna (GPi). Ihr hauptsächliches Zielgebiet sind die ventroanterioren und ventrolateralen Thalamuskerne. Die Thalamusneurone ihrerseits projizieren auf prämotorische und präfrontale Kortexareale (Abb. 5.26).

Interne Basalganglien:interne Verschaltung\"\iVerschaltungen der Basalganglien. Der direkte Weg (Striatum – Globus pallidus, Pars interna / Substantia nigra, Pars reticulata [GPi/SNr]) und der indirekte Weg (Striatum – Globus pallidus, Pars externa [GPe] – Nucleus subthalamicus [STN] – GPi/SNr) haben einen gegensätzlichen Effekt auf die Aktivität der Thalamusneurone. GPi und SNr bilden eine Funktionseinheit (illustriert durch die Verbindungslinie), sind aber morphologisch getrennt. Die Projektionen aus der SNc auf das Striatum setzen kontinuierlich Dopamin:Basalganglien\"\iDopamin frei, welches den direkten Weg stimuliert (über D1-Rezeptoren) und den indirekten Weg inhibiert (über D2-Rezeptoren). Die Transmitter und ihre Wirkung sind durch die jeweilige Linienfarbe und Form codiert (blau GABA:Basalganglien\"\iGABA, rot Glutamat:Basalganglien\"\iGlutamat, grün Dopamin). Die striatalen Neurone schütten zusätzlich zu GABA die Kotransmitter Enkephalin (D2-Weg) bzw. Substanz P (D1-Weg) aus.

Disinhibition des Thalamus:Disinhibition\"\iDisinhibition:Thalamus\"\iBasalganglien:Thalamussteuerung\"\iThalamus durch die Basalganglienaktivität über den direkten Projektionsweg. Die einzelnen Abbildungen zeigen extrazelluläre Ableitungen einzelner Neurone (Ordinate: Frequenz; Abszisse: Zeit) des Striatums (links oben), der Substantia nigra, Pars reticulata (SNr, links unten) und des Thalamus, die durch hemmende Verschaltungen miteinander verbunden sind (die Farben der Kerne entsprechen den Transmittern, Abb. 5.59). Die Pfeile in den Ableitungen markieren eine Glutamatinjektion in das Striatum, entsprechend einer Aktivierung der striatalen Neurone durch den Kortex. Die Aktivierung der GABAergen striatalen Neurone hemmt die SNr-Neurone vollständig (Entladungspause). Dadurch entfällt die Hemmung auf die nachgeschalteten Thalamusneurone (Disinhibition), was in diesem Kern eine erhöhte Aktivität generiert. Diese wird auf den Kortex übertragen (nicht illustriert, Verschaltung in Abb. 5.59). Im Ruhezustand weisen die Neurone der SNr (keine Aktivität in striatalen Neuronen, Zeitperiode links vom Pfeil) eine tonische Aktivität mit einer hohen Frequenz auf. Diese tonische Aktivität hemmt die Thalamusneurone, die in dieser Phase (links vom Pfeil) im konkreten Fall schon aktiv sind (u.a. durch die Aktivierung von spinothalamischen Systemen).

Koordinierte Aktivierung synergistisch-antagonistischer Muskelgruppen durch die Basalganglien:funktionelle Bedeutung\"\iBasalganglien. a Versuchsaufbau: Der Winkel des Ellenbogengelenks wird mit einem Potenziometer erfasst und der Person auf einem Oszilloskop gezeigt. Die Versuchsperson soll den Ellenbogen um 10° beugen. Das EMG der Ellenbogenflexoren (Bizeps) und der extensoren (Trizeps) wird abgeleitet. b Bei einer gesunden Versuchsperson verläuft das EMG-Muster der antagonistischen Muskeln triphasisch. Dies ist typisch für Zielbewegungen in der Willkürmotorik. Die Beugung wird eingeleitet von einer kurzen Aktivierung des M. bicepsMusculus:biceps (1). Es schließt sich eine Aktivierung des M. Musculus:triceps, Basalganglienfunktion\"\itriceps an (2), die den Beschleunigungsimpuls des M. biceps abbremst. Danach wird der M. biceps erneut aktiviert (3) und führt das Gelenk zur Zielposition. Die Registrierung der Gelenkstellung (untere Kurve) zeigt, dass der Ellenbogen ohne Ruckeln und ohne Korrektur seine Zielstellung erreicht. c Bei einem Patienten mit einer BG-Erkrankung (Morbus Parkinson) zeigt die Registrierung des Ellenbogenwinkels, dass der Patient die Bewegung nicht kontrolliert durchführen kann und das Ziel der Bewegung nicht erreicht wird. Im EMG ist das charakteristische triphasische Aktivierungsmuster (1–3) der gesunden Versuchsperson verloren. Es sind stattdessen Kokontraktionen zwischen den antagonistischen Muskelgruppen und fortdauernde Aktvierungen zu beobachten. Das pathologische Bewegungsprogramm kann die Koordination zwischen den auf das Gelenk wirkenden Muskelgruppen nicht hinreichend gewährleisten.

[5.25]

Dysfunktion im indirekten Projektionsweg bei Ballismus\"\iBallismus und Morbus Morbus:Huntington\"\iChorea Huntington\"\iHuntington führen zur Hyperkinesie. a Ballismus: Die Degeneration des Nucleus subthalamicus (STN) ist durch die Färbung des Kerns (vgl. Abb. 5.59) und eine unterbrochene Einrahmung angezeigt. Die fortschreitende Degeneration der STN-Neurone – und damit des indirekten Wegs (D2) – führt zu einer abnehmenden Aktivierung der inhibitorischen Ausgangskerne (unterbrochene Verbindung). Dadurch wird die auf den Thalamus einwirkende, tonische Hemmung reduziert (unterbrochene Verbindungen). Diese pathologische Thalamus-Disinhibition resultiert in einer gesteigerten Aktivierung von Kortexarealen (Verstärkung der Verbindung), was die hyperkinetische Symptomatik zur Folge hat. b Morbus Huntington: Die präferenzielle Degeneration der GABA/Enkephalin ausschüttenden striatalen Projektionsneurone, die in den indirekten Weg projizieren (D2), ist durch die Färbung des Kerns (vgl. Abb. 5.59) und eine unterbrochene Einrahmung angezeigt. Die GPe-Neurone werden weniger stark gehemmt, also disinhibiert (unterbrochene Verbindung). Sie sind aktiver und üben eine verstärkte Hemmung auf die Neurone des STN aus (Verstärkung der Verbindung). In Folge setzen die STN-Neurone weniger Glutamat frei, sodass die Aktivität der Basalganglien-Ausgangskerne (GPi/SNr) reduziert ist (unterbrochene Verbindung). Die Hemmung auf den Thalamus nimmt damit ab und die motorischen Kortexareale werden entsprechend verstärkt aktiviert (Verstärkung der Verbindung), was zur hyperkinetischen Symptomatik führt.

Die Degeneration dopaminerger Neurone beim Morbus Hypokinesie, Morbus Parkinson\"\iParkinsonMorbus:Parkinson führt zur Hypokinesie. Die Degeneration der dopaminergen Neurone der SNc ist durch die Färbung und eine unterbrochene Einrahmung dieses Kerns angezeigt (vgl. Abb. 5.59). Die fortschreitende Degeneration und damit der zunehmende striatale Dopaminmangel (unterbrochene Verbindungen zum Striatum) führt dazu, dass einerseits die striatalen GABA/Enkephalin ausschüttenden Neurone – und damit der indirekte Weg – weniger stark über D2-Rezeptoren gehemmt werden (verstärkte Verbindung zu GPe), und andererseits die striatalen GABA/Substanz P ausschüttenden Neurone – und damit der direkte Weg – weniger stark über D1-Rezeptoren stimuliert werden (unterbrochene Verbindung zu Gpi/SNr). Beide Effekte resultieren synergistisch in einer verstärkten Aktivierung der BG-Ausgangskerne (GPi/SNr) bei Dopaminmangel. Dadurch ist die tonische GABAerge Hemmung der thalamischen Zielneurone erhöht (Verstärkung der Verbindung). In Folge ist die Aktivierung der motorkortikalen Neurone reduziert (unterbrochene Verbindung) – es kommt zur hypokinetischen Symptomatik.

Zerebellum:Eingangssysteme\"\iKleinhirn:Eingangssysteme\"\iEingangssysteme des Kleinhirns. Das Moosfaser-Moosfaser(system)\"\i und das Kletterfaser(system)\"\iKletterfasersystem aktivieren die Kleinhirnkerne und die Purkinje-Zellen. a Golgi-Darstellung der zerebellaren Afferenzen. Leitungsrichtung der Aktionspotenziale sind durch Pfeile angezeigt. b Grundsätzliche Verschaltungsmuster der zerebellaren Afferenzen und der Purkinje-Zellen (Schema). Erregende Projektionen sind grün dargestellt, hemmende rot.

Projektion der Purkinje-ZellenPurkinje-Zelle:Kleinhirn in die Kleinhirnkerne. Das Zerebellum wird durch diese Projektion in verschiedene Gebiete eingeteilt. Linke Hälfte: anatomische Einteilung des Zerebellums in Vermis; Hemisphären, intermediäre Zone; Hemisphären, laterale Zone; Flocculus; Nodulus. Rechte Hälfte: Projektion der Purkinje-Zellen: aus Vermis (und dem medialen Anteil des Lobus flocculonodularis) in den Nucleus Nucleus:fastigii\"\ifastigii; aus Flocculus und Nodulus in den Nucleus vestibularis Nucleus:vestibularis lateralis\"\ilateralis; aus der intermediären Zone der Hemisphären in den Nucleus Nucleus:globosus\"\iglobosus und Nucleus Nucleus:emboliformis\"\iemboliformis (Nucleus interpositus); aus der lateralen Zone der Hemisphären in den Nucleus Nucleus:dentatus\"\identatus.

Funktionelle Zerebellum:funktionelle Einteilung\"\iKleinhirn:funktionelle Einteilung\"\iEinteilung des Kleinhirns nach den Verschaltungen in Vestibulozerebellum\"\iVestibulozerebellum, Spinozerebellum\"\iSpinozerebellum und Zerebrozerebellum\"\iZerebrozerebellum. Die efferenten Projektionen aus diesen Gebieten (Pfeile) werden den großen motorischen Systemen und den entsprechenden Funktionsabläufen zugeordnet. Vestibulozerebellum: Projektion zu den Vestibulariskernen, Gleichgewicht und Augenbewegung. Spinozerebellum: Projektion zu den lateralen und medialen deszendierenden Systemen, Durchführung von Bewegungen; Zerebrozerebellum: Projektion zum prämotorischen und primären motorischen Kortex, Planung und Programmierung der Bewegung.

[5.26]

Hemmende Interneurone:Kleinhirn\"\iInterneurone des KleinhirnkortexKleinhirn:KortexZerebellum:Kortex bauen räumliche und zeitliche Kontraste auf. a Verschaltung der Korb-Korbzelle:Verschaltung\"\i, Stern-Sternzelle:Verschaltung\"\i und Golgi-Golgi-Zelle:Verschaltung\"\iZellen. b Die Korb- und Sternzellen verstärken den räumlichen Kontrast. Blick auf die Oberfläche des Zerebellums. Die parallelen Scheiben stellen die sagittal angeordneten Purkinje-Zellen dar, das symbolisierte Parallelfaserbündel (1) ist im rechten Winkel dazu in der Frontalebene angeordnet. Ein Parallelfaserstrahl erregt die in und an ihm lokalisierten Purkinje-Purkinje-Zelle:Verschaltung\"\iZellen. Die benachbart liegenden Purkinje-Zellen werden mit abgeschwächter Intensität aktiviert (2), die Korb- und Sternzellen hemmen die geringer erregten Purkinje-Zellen (3).

[5.27, 5.28]

Wesentliche efferente Projektionen aus Vestibulozerebellum:Projektionen\"\iVestibulozerebellum, Spinozerebellum:Projektionen\"\iSpinozerebellum und Zerebrozerebellum:Projektionen\"\iZerebrozerebellum. a Projektionen des Vestibulozerebellums. Das Labyrinth projiziert parallel zum Vestibulozerebellum und in die Vestibulariskerne. b Projektionen des Spinozerebellums. Die Projektion aus dem Vermis (links) beeinflusst über den Nucleus Nucleus:fastigii\"\ifastigii die Muskulatur zum Stamm und zu den proximalen Teilen der Extremitäten. Die Projektion aus der Zona intermedia der Hemisphären (rechts) beeinflusst über den Nucleus interpositus die Muskulatur zu den distalen Extremitäten. c Projektionen des Zerebrozerebellums.

Motorisches Lernen:motorisches\"\iLernen ist an eine unversehrte Zerebellum:motorisches Lernen\"\iKleinhirn:motorisches Lernen\"\iKleinhirnfunktion geknüpft. a Die Versuchsperson trägt eine Prismenbrille, die den optischen Weg nach rechts ablenkt. Sie blickt direkt auf das Ziel, auf das sie den Pfeil richtet. Da der optische Weg um 15° nach rechts abgelenkt ist, ist der Blick um 15° nach links gerichtet, um das Ziel zu sehen. Entsprechend ist das Gesicht hinter der Brille nach links versetzt. Normalerweise ist die Wurfrichtung in Richtung der Sehachse. Hier ist sie durch den Lernvorgang um 15° nach rechts abgelenkt auf den Betrachter zu, der die Position des Ziels symbolisiert. b Die Dart-Würfe einer Kontrollperson. Die Würfe 1–12 (Abszisse) treffen mit geringem Abstand (Ordinate, in cm) in das Ziel. Nach Aufsetzen der Prismenbrille (Pfeil nach oben) wird der Pfeil links am Ziel vorbeigeworfen (Würfe 13–16). Mit zunehmender Wurfzahl wird der Abstand zum Ziel immer kleiner. Nach Absetzen der Prismenbrille (Pfeil nach unten) wird der Pfeil entsprechend nach rechts am Ziel vorbeigeworfen. c Die Dart-Würfe eines Patienten mit gestörter Kleinhirnfunktion (oliväre Hypertrophie:oliväre\"\iHypertrophie). Nach Aufsetzen der Prismenbrille (Pfeil nach oben) wird der Pfeil konstant um den gleichen Betrag links am Ziel vorbeigeworfen. Es findet kein Lernen statt. Nach Absetzen der Prismenbrille (Pfeil nach unten) trifft der Pfeil sofort wieder ins Ziel.

Beteiligung des Kletterfaser-Moosfaser(system):motorisches Lernen\"\i und Moosfaser(system):motorisches Lernen\"\iMoosfaserkanals beim motorischen Lernen. In der oberen Spur ist jeweils der Handgelenkwinkel eines Affen registriert, der die Hand von einer Extensionsposition aus flektiert. Die untere Spur zeigt die Aktivität einer extrazellulär abgeleiteten Purkinje-Purkinje-Zelle:motorisches Lernen\"\iZelle während dieser Bewegung. Die „einfache“ Antwort der Zelle (einzelne Aktionspotenziale) geht auf die Aktivität des Moosfaserkanals zurück, die „komplexe“ Antwort (hochfrequente Salve von mehreren Aktionspotenzialen) auf die Aktivität des Kletterfaserkanals. a Kontrollversuch, Flexion des Handgelenks. Einfache Antworten der Purkinje-Zelle treten häufig auf, komplexe Antworten nur vereinzelt. b Störung der Bewegung durch Gewichtsbelastung. Die komplexen Antworten treten häufiger auf, die einfachen Antworten seltener. c Nach einiger Zeit verbessert sich die Durchführung der Bewegung. Gleichzeitig sinkt die Zahl der komplexen Antworten auf das Kontrollniveau ab, die Häufigkeit der Moosfaserantworten ist im Vergleich zu a sogar noch erniedrigt.

[5.29]

Charakteristika von Skelett-, Herz- und glatter Muskulatur.Muskelfaser:HerzMuskelfaser:glatteMuskelfaser:Skelettmuskel

Tab. 5.1
Charakteristikum Skelettmuskelfaser Herzmuskelfaser Glatte Muskelfaser
Dicke 40–100 μm 10–20 μm 5–10 μm
Länge bis 20 cm 100–150 μm 30–200 μm
Kern viele Kerne, membranständig ein Kern, zentral ein Kern, zentral
Anordnung der kontraktilen Elemente parallel, Bildung von Sarkomeren parallel, Bildung von Sarkomeren gitterartiges Netzwerk, keine Sarkomeren
nervale Versorgung somatisches Nervensystem vegetatives Nervensystem vegetatives Nervensystem
Erregungsübertragung von Zelle zu Zelle nein über Gap Junctions über Gap Junctions

Proteinzusammensetzung im Skelettmuskel.Z-Scheibe:<03B1>-AktininZ-Scheibe:<03B1>-AktininZ-Scheibe:TitinZ-Scheibe:TitinZ-Scheibe:NebulinZ-Scheibe:NebulinTitinTitinSkelettmuskulatur:StrukturproteineSkelettmuskulatur:StrukturproteineSkelettmuskulatur:RegulatorproteineSkelettmuskulatur:RegulatorproteineSkelettmuskulatur:kontraktile ProteineSkelettmuskulatur:kontraktile ProteineNebulinNebulinMyomesinMyomesinDystrophinDystrophinC-ProteinC-Protein<03B1>-Aktinin<03B1>-AktininMyosin:SkelettmuskulaturAktin:SkelettmuskulaturTropomyosin:SkelettmuskulaturTroponin:Skelettmuskulatur

[5.2]

Tab. 5.2
Protein % des Gesamtproteins Molekulargewicht [kDa] Untereinheiten [kDa] Funktion
Kontraktile Proteine
Myosin 44 510 2 × 233 (schwere Ketten)22 und 18 (leichte Ketten) Hauptkomponenten der dicken Filamente; diese reagieren mit Aktin, hydrolysieren ATP und entwickeln dabei mechanische Kraft
Aktin 22 42 Hauptkomponente der dünnen Filamente, die bei Kontraktion und Relaxation an Myosinfilamenten vorbeigleiten
Regulatorproteine
Tropomyosin 5 64 2 × 32 stabförmiges Protein, das sich längs an die Aktinfilamente anlagert
Troponin 5 78 30 (TnT)30 (TnI)18 (TnC) kugelförmige Proteine, die in regelmäßigen Abständen entlang den Aktinfilamenten angeordnet sind
Strukturproteine
Titin 9 3.000–3.700 sehr großes Protein, das die dicken Filamente mit den Z-Scheiben verbindet (sog. 3. Filament) und für die passive Steifigkeit verantwortlich ist
Nebulin 3 600 langgestrecktes, nicht dehnbares Protein, das an die Z-Scheiben angeheftet und entlang den Aktinfilamenten verläuft
α-Aktinin 1 190 2 × 95 verbindet Aktinfilamente in der Region der Z-Scheiben miteinander
Myomesin 1 185 verbindet in der M-Linie dicke Filamente
C-Protein 1 140 bindet in der M-Linie Myosin in Streifenform
Dystrophin 0,002 430 stabilisiert die Muskelzellmembran, verbindet Proteine der Muskelzellmembran mit Aktinfilamenten

Geschwindigkeitsfaktoren für die Kontraktion und Relaxation quergestreifter Muskulatur.

Tab. 5.3
Kontraktion Relaxation
  • Koppelung zwischen T-System und sarkoplasmatischem Retikulum

  • Ca2+-Freisetzung aus dem sarkoplasmatischen Retikulum

  • Ca2+-Diffusion zu den Myofilamenten

  • Ca2+-Bindung an Troponin C

  • Querbrückenmechanismus

  • Ca2+-Wiederaufnahme ins sarkoplasmatische Retikulum

  • Lösen der Ca2+-Bindung von Troponin C

  • Lösen der Querbrücken

  • Ca2+-Transport über das Sarkolemm

Muskelrelaxanzien.MuskelrelaxanzienMuskelrelaxanzien:nichtdepolarisierende\bMuskelrelaxanzien:depolarisierende\bCurareCholinesterasehemmer, neuromuskuläre Endplatte

Tab. 5.4
Typ Prinzip Eigenschaften
Nichtdepolarisierende Muskelrelaxanzien
Typ Curare größere Affinität als ACh zum ACh-Rezeptor, dadurch kompetitive Verdrängung des ACh vom Rezeptor; keine Öffnung der Ionenkanäle, d.h. kein vermehrter Einstrom von Na+ und Ausstrom von K+ („elektrolytneutral“)
  • Curare ist eine Mischung pflanzlicher Toxine und wird von den südamerikanischen Indianern zur Jagd benutzt; die wirksame Substanz ist das d-tubo-Curarin; wird das Opfer getroffen, tritt augenblicklich eine Muskelrelaxation mit Atemstillstand ein

  • Antidot: Cholinesterasehemmer steigern die ACh-Konzentration im synaptischen Spalt, wodurch Curare wieder verdrängt wird

Depolarisierende Muskelrelaxanzien
Typ Succinylcholin größere Affinität als ACh zum ACh-Rezeptor; die Rezeptorkanäle werden längere Zeit geöffnet, zudem wird Succinylcholin durch die Cholinesterase nur langsam abgebaut; Folge: Dauerdepolarisation der Endplatte mit Inaktivierung der potenzialgesteuerten Natriumkanäle
  • „nicht elektrolytneutral“, d.h. Gefahr der Hyponatriämie und Hyperkaliämie

  • Anwendung nur bei Kurznarkosen

Typ Eserin, Neostigmin Cholinesterasehemmer, die den Abbau von ACh verzögern; Folge: Dauerdepolarisation
  • Nebenwirkungen wie bei Relaxanzien vom Succinylcholintyp

  • Antidot bei Curare und Behandlung der Myasthenia gravis

Vergleich zwischen Endplatten- und Muskelaktionspotenzial.Muskelaktionspotenzial:Vergleich mit EndplattenpotenzialEndplattenpotenzialAcetylcholinrezeptor:Endplattenpotenzial

Tab. 5.5
Kriterium Endplattenpotenzial Muskelaktionspotenzial
Auslösung unspezifischer Kationenkanal des Acetylcholinrezeptors EPP aktiviert spannungsgesteuerte Natrium- und Kaliumkanäle
Amplitude 50 mV 130 mV
Dauer 5–20 ms 10 ms
Ausbreitung elektrotonisch Fortleitung über das Sarkolemm und das T-System

Typen der Skelettmuskeln mit Eigenschaften der motorischen Einheiten und der Skelettmuskelfasern; S(I)= langsame Zuckungsfasern, FR(IIA)= schnelle und langsam ermüdbare Zuckungsfasern, FF(IIB)= schnelle, aber schnell ermüdbare Zuckungsfasern.Skelettmuskelfaser:TypenSkelettmuskelfaser:TypenPhosphorylase, MuskelfasertypenPhosphorylase, MuskelfasertypenZuckungsfaser:TypenEinheit:motorische

Tab. 5.6
S(I) FR(IIA) FF(IIB)
Motorische Einheiten
Kontraktionsform langsame Zuckung schnelle Zuckung schnelle Zuckung
tetanische Kraftentwicklung [mN] 10–130 50–550 300–1.300
Anstieg der Einzelzuckung [ms] 58–110 30–55 20–47
tetanische Fusionsfrequenz [Hz] 10–20 50–200
Axonleitgeschwindigkeit [m/s] 75–99 84–113 85–114
Ermüdbarkeit gering mittel rasch
Skelettmuskelfasern
Farbe rot rosa/rot weiß
Kapillarversorgung dicht dicht gering
Stoffwechsel oxidativ glykolytisch und oxidativ glykolytisch
Gehalt an Mitochondrien reichlich reichlich gering
Phosphorylaseaktivität niedrig hoch hoch
Myoglobingehalt hoch hoch gering
Laktatdehydrogenaseaktivität niedrig mittel oder hoch hoch
Succinatdehydrogenaseaktivität hoch mittel niedrig

Propriozeptive Systeme der Muskulatur.Propriozeption:MuskulaturMuskulatur:propriozeptive Systeme

Tab. 5.7
Typ Rezeptor Axondurchmesser Adäquater Reiz
Ia primärer Spindelrezeptor 12–20 μm, myelinisiert Muskellänge und Änderungsgeschwindigkeit der Länge
Ib Golgi-Sehnenorgan 12–20 μm, myelinisiert Muskelspannung, Kontraktionskraft
II sekundärer Spindelrezeptor 6–12 μm, myelinisiert Muskellänge
II freie Muskelafferenzen 6–12 μm, myelinisiert tiefe Druckempfindung
III freie Nervenendigungen 2–6 μm, myelinisiert Schmerz, Temperatur, chemische Reize
IV freie Nervenendigungen 0,5–2 μm, nichtmyelinisiert Schmerz, Temperatur, chemische Reize

Motorisches System

  • 5.1

    Knochen162

    • 5.1.1

      Funktion und Bauprinzip162

    • 5.1.2

      Osteoblasten und Osteozyten163

    • 5.1.3

      Humorale Kontrolle der Knochenbildung164

    • 5.1.4

      Stoff- und Signaltransport im Knochen166

    • 5.1.5

      Osteoklasten167

    • 5.1.6

      Anpassung an mechanische Belastungen168

  • 5.2

    Muskulatur169

    • 5.2.1

      Einteilung170

    • 5.2.2

      Quergestreifte Muskulatur170

    • 5.2.3

      Glatte Muskulatur189

  • 5.3

    Motorik: Ziel, Programm, sensorisches Feedback198

    • 5.3.1

      Bewegung: Handlungsantrieb, Strategie, Programm und Umsetzung198

    • 5.3.2

      Sensorische Afferenz199

    • 5.3.3

      Kortikale Aktivität vor Bewegungsbeginn200

  • 5.4

    Motorische Kortexgebiete201

    • 5.4.1

      Überblick201

    • 5.4.2

      Primär-motorischer Kortex201

    • 5.4.3

      Projektionssysteme der sensomotorischen Kortexgebiete202

    • 5.4.4

      Aktivität kortikaler Neurone204

    • 5.4.5

      Supplementär-motorische Area und prämotorischer Kortex205

  • 5.5

    Organisation des Rückenmarks207

    • 5.5.1

      Sensomotorische Integration und Reflexe208

    • 5.5.2

      Muskelrezeptoren210

    • 5.5.3

      Interneurone als Zentren der Integration214

    • 5.5.4

      Verarbeitungssystem der Muskelspindelafferenzen216

    • 5.5.5

      Verarbeitungssystem der Golgi-Sehnenorgane220

    • 5.5.6

      Extremitätenübergreifende spinale Systeme zur Organisation von Flexion und Extension222

  • 5.6

    Ortsveränderung des Körpers im Raum – Lokomotion225

    • 5.6.1

      Kinematik und muskuläre Aktivität der menschlichen Lokomotion225

    • 5.6.2

      Neuronale Systeme zur Generierung der Lokomotion225

    • 5.6.3

      Beteiligung spinaler Systeme an den verschiedenen Phasen der Lokomotion227

    • 5.6.4

      Rückenmarkquerschnitt: Ist Lokomotion erlernbar?229

  • 5.7

    Sicherung der Haltung als Bestandteil des Bewegungsprogramms229

    • 5.7.1

      Antizipatorische und reaktive posturale Programme230

    • 5.7.2

      Neuronale Organisation231

    • 5.7.3

      Halte- und Stellreflexe232

  • 5.8

    Basalganglien233

    • 5.8.1

      Funktionelle Neuroanatomie der Basalganglien233

    • 5.8.2

      Transmittersysteme der Basalganglien234

    • 5.8.3

      Steuerung der Thalamusaktivität durch Disinhibition235

    • 5.8.4

      Funktionelle Bedeutung der Basalganglien236

    • 5.8.5

      Pathophysiologie der Basalganglien236

  • 5.9

    Zerebellum240

    • 5.9.1

      Neuroanatomisches Substrat240

    • 5.9.2

      Verarbeitung neuronaler Information im Zerebellum242

    • 5.9.3

      Kompartimente des Kleinhirns243

    • 5.9.4

      Zerebellum und motorisches Lernen245

Zur Orientierung

System:motorisches\bDie Bewegung des Körpers im Raum, das Ergreifen und Nutzen von Gegenständen und die Sicherung der Körperhaltung gegenüber extern einwirkenden Kräften (z.B. Schwerkraft) ist eine Leistung des motorischen Systems. Das Nervensystem baut diese komplexen Funktionen in einen zielorientierten Verhaltenskontext ein; an der Durchführung sind motorische und sensorische Systeme, die Knochen und die Muskulatur beteiligt.

Die Gelenke des Skelettsystems sind die Hebel, mit denen sich der Körper bewegt. Gleichzeitig müssen sie für Stand und Haltung fixiert werden. Dabei passt der Knochen als Ansatz der Muskeln seine mechanische Belastbarkeit fortwährend durch An- und Abbau von Knochensubstanz (mineralisiertes Osteoid) an die angreifenden Kräfte an.

Muskeln sind die Motoren der Gelenke. Sie bestehen aus Zellen, die reich an kontraktilen Proteinen sind. Unter Energieverbrauch entwickeln sie bei hoher Kontraktionsgeschwindigkeit große Kräfte.

Die Muskeln werden von den Bewegungsprogrammen des Nervensystems aktiviert, die zur Durchführung von Bewegungen die Muskeln und Muskelgruppen der Gelenke koordinieren. Koordination und Timing fein abgestufter Muskelkontraktionen werden durch Üben erlernt, wir bewegen uns so gut, wie wir geübt haben.

Knochen

KnochenSystem:motorischesD. Bingmann, R. Köhling

Zur Orientierung

Knochen sind für die Formgebung des Körpers, den Schutz der inneren Organe sowie als Ansatz und Ursprung der Muskeln für die Fortbewegung des Körpers eine notwendige Voraussetzung. Sie werden von Osteoblasten, Osteozyten und Osteoklasten so auf- und umgebaut, dass sie sich ihren mechanischen Belastungen anpassen. Dazu ist ein komplexes Kommunikationssystem zwischen den Knochenzellen erforderlich. Sie werden darüber hinaus von Hormonen beeinflusst, die das Knochenwachstum kontrollieren und durch Änderungen der Einbau- und Freisetzungsrate von Kalzium u.a. zur Konstanz des Kalziumspiegels im Organismus beitragen.

Funktion und Bauprinzip

Aufgaben des Knochens
Knochen:AufgabenBei Würmern sind Haltungskontrolle und Fortbewegung auch ohne Skelettsystem – nur mit innervierten Muskeln – möglich. Muskeln entfalten ihre volle Wirksamkeit jedoch erst mithilfe eines Skelettsystems, in das die Kontraktionskräfte durch Sehnen eingeleitet werden. Durch das Zusammenwirken von Muskeln, Sehnen, knöchernen „Hebeln“ und Gelenken werden Kraftentfaltungen sowie Bewegungsausmaße und Geschwindigkeiten erreicht, die erheblich über denen isolierter Muskeln liegen. Neben diesen Aufgaben hat das Skelettsystem formgebende und formstabilisierende Funktionen, die Voraussetzung für die Entwicklung massereicher Lebewesen sind. Schließlich schützt der Knochen verletzliche Organe in Schädel, Brustkorb und Becken.
Alle genannten Aufgaben können die Knochen nur erfüllen, wenn sie so stabil sind, dass sie die deformierenden Kräfte, die sich aus den Muskelkontraktionen, aber auch aus der Gravitation ergeben, auffangen. Da diese Kräfte zu Dehnung, Stauchung, Biegung und Torsion führen können, muss der Knochen diesen Belastungsformen standhalten.
Knochenbau
Knochen haben einen hohen Volumenanteil an Hohlräumen und Knochenbälkchen (TrabekelTrabekeln), deren Verlauf oft die Hauptbelastungsrichtungen widerspiegelt. Mit dieser Leichtbauweise, die u.a. den Energieverbrauch bei Beschleunigung knöcherner Strukturen klein hält, erreicht der Knochen eine hohe mechanische Stabilität, KnochenStabilität. Dazu trägt auch die Zusammensetzung der extrazellulären Knochensubstanz bei, die verschiedenen Belastungsformen angepasst ist und deren Zusammensetzung an Verbundwerkstoffe (z.B. Stahlbeton) erinnert (Abb. 5.1).
Zusammensetzung der extrazellulären Matrix
Matrix, extrazelluläre:KnochenKalziumphosphateKalziumphosphat, KnochenZwei Drittel der extrazellulären Matrix (Interzellularsubstanz) bestehen aus KalziumhydroxylapatitKalziumhydroxylapatit (Ca5[PO4]3OH) und anderen Kalziumphosphaten. Diese Mineralien, die überwiegend als Kristalle vorliegen, verleihen dem Knochen eine hohe Kompressionsfestigkeit. Gleichzeitig sind sie das größte Kalziumreservoir, aus dem der Organismus über längere Zeit ohne sofort erkennbaren Stabilitätsverlust Kalziumionen mobilisieren kann. Dies geschieht unter der Kontrolle der „osteotropen“ Hormone Parathormon:KnochenParathormon und Kalzitonin:KnochenKalzitonin immer dann, wenn der Blutkalziumspiegel unter einen kritischen Wert abzusinken droht – z.B., wenn im Darm zu wenig Kalzium resorbiert wird oder über die Niere zu viel Kalzium verloren geht (s.a. Kap. 19.2.9).
Organische SubstanzenSubstanz:organische, KnochenEin Drittel der Matrix besteht aus organischen Substanzen, die sich zu 90% aus Typ-I-Typ-I-Kollagen, KnochenKollagen – dem der Knochen vor allem seine Zugfestigkeit verdankt – und zu 10% aus verschiedenen Proteinen zusammensetzen. Diese Proteine:KnochenProteine sind z.B.:
  • Proteoglykane, KnochenProteoglykane, die Kalziumionen, Kollagen, Peptidhormone und andere Proteine binden können

  • knochenspezifische Proteine wie OsteocalcinOsteocalcin, OsteonectinOsteonectin, OsteopontinOsteopontin, die zusammen mit der alkalischen Knochenphosphatase zu einer kontrollierten Mineralisierung des Knochens beitragen

InduktorsubstanzenInduktorsubstanzen, KnochenDie extrazelluläre Matrix enthält darüber hinaus Induktorsubstanzen (Zytokine, Knochenwachstumsfaktoren). Sie kontrollieren die Differenzierung und die Funktionen von Zellen im Knochen.

MERKE

Extrazelluläre Matrix = zwei Drittel Kalziumphosphate (ApraxieKompressionsfestigkeit), ein Drittel organische Substanzen (Zugfestigkeit), zusätzlich Induktorsubstanzen.

Osteoblasten und Osteozyten

OsteozytenOsteoblastenOsteoblasten sind sehr stoffwechselaktiv, enthalten viele Mitochondrien und ein ausgeprägtes raues endoplasmatisches Retikulum. Sie befinden sich zusammen mit ihren wenig differenzierten ruhenden Vorformen (Prä-Osteoblasten) vor allem in der Nähe von Blutgefäßen und bedecken die Oberflächen der von ihnen gebildeten, zunächst noch unverkalkten extrazellulären Matrix (Osteoblasten:OsteoidbildungOsteoid).
MatrixsyntheseOsteoblasten:MatrixsyntheseDie zahlreichen organischen Bestandteile des Osteoids werden in erster Linie von Osteoblasten gebildet. Osteoblasten synthetisieren und sezernieren unter erheblichem Verbrauch von Sauerstoff Typ-I-Kollagen – wofür sie Vitamin C benötigen – und viele weitere Matrixsubstanzen, die z.B. für die Mineralisierung oder für das Anheften von Osteoklasten wichtig sind.
BotenstoffeSchließlich bilden die Osteoblasten Botenstoffe, die die Vermehrung, Differenzierung und Funktion der Knochenzellen stimulieren. Zu diesen Botenstoffen gehören u.a.:
  • Prostaglandine

  • Interleukine

  • Transforming Growth Factor (TGF) β

  • Bone Morphogenetic Proteins (BMP)

  • Somatomedine (Insulin-Like Growth Factors I und II)

Ein Teil dieser Botenstoffe wird in inaktiver Form in die Knochenmatrix eingebaut. Wenn der Knochen später umgebaut wird (Remodeling) oder verletzt ist, werden diese Botenstoffe durch eiweißspaltende Enzyme aktiviert, die insbesondere aus Osteoklasten stammen.
MineralisierungKnochen:MineralisierungPyrophosphatverbindungen hemmen zunächst das Wachstum von Hydroxylapatitkristallen in der sezernierten Matrix. Erst nachdem sie durch Enzyme (alkalische Phosphatase) inaktiviert sind, wird die Grundsubstanz nach etwa 2 Tagen mineralisiert. Hierbei lagern sich Apatitkristalle an das Typ-I-Typ-I-Kollagen, KnochenKollagen und folgen so der Orientierung dieses knochentypischen Proteins. Mit der Mineralisierung der Matrixproteine werden 5–10% der Osteoblasten eingemauert und zu Osteozyten, während die übrigen Osteoblasten:KnochenmineralisierungOsteoblasten absterben.
Die Osteozyten haben im Vergleich zu den Osteoblasten weniger Mitochondrien und weniger endoplasmatisches Retikulum. Ihre Syntheseleistungen sind daher klein. Dennoch haben diese Zellen wichtige Aufgaben: Sie können Kalzium aus der Knochenmatrix mobilisieren und zur Regelung der Kalziumkonzentration im Organismus beitragen. Darüber verfügen sie über ausgedehnte Zellfortsätze, die dem Signal- und Stofftransport zwischen den Osteozyten dienen (Abb. 5.1) und wahrscheinlich die hohe Dehnungsempfindlichkeit des Knochens bedingen.

MERKE

Die Osteoblasten bilden Matrixproteine und kontrollieren deren Mineralisierung. Osteozyten sind in der Matrix eingemauerte Zellen mit geringer Syntheseleistung, die aber über ihre langen Fortsätze ein Zellnetz für Stoff- und Signaltransporte bilden.

Humorale Kontrolle der Knochenbildung

Kalziumregulation
Knochen:KalziumregulationKnochen:humorale KontrolleKalziumregulation, KnochenDie Osteoblasten reifen unter der Einwirkung von Parathormon:OsteoblastenParathormon aus der Nebenschilddrüse und Kalzitriol:OsteoblastenKalzitriol (1,25-Dihydroxycholecalciferol, Vitamin D3), dessen Hydroxylierung in Haut und Niere stattfindet (Kap. 19.2.9). Sie synthetisieren vermehrt Wachstumsfaktoren wie TGF-β, alkalische Knochenphosphatase (AP) und Osteocalcin. AP und Osteocalcin sind für den Mineralisierungsprozess im Knochen offensichtlich von großer Bedeutung. Sie gelangen aber auch in die Blutbahn und werden in der Klinik als Indikatoren für Veränderungen im Knochenstoffwechsel benutzt.Rachitis:KnochenbildungOsteomalazie:KnochenbildungHyperparathyreoidismus:Niereninsuffizienz

Klinik

Rachitis, OsteomalazieFehlt Kalzitriol, sind nicht nur die intestinale und renale Kalzium- und Phosphatresorption, sondern auch die Syntheseleistung von Osteoblasten reduziert und damit die Knochenneubildung gestört. Daraus entwickelt sich:

  • bei Kindern die Rachitis, die durch Knochenverformungen gekennzeichnet ist

  • bei Erwachsenen die Osteomalazie, bei der der Knochen bei normalem Volumen einen stark verminderten Anteil an mineralisierter Grundsubstanz besitzt

HyperparathyreoidismusIn der Niere wird 25-Hydroxycholecalciferol durch 1-Hydroxylierung in das biologisch aktive Kalzitriol umgewandelt. Kalzitriol hemmt u.a. die Ausschüttung von Parathormon aus den Nebenschilddrüsen (das seinerseits die Kalzitriolbildung in der Niere fördert). Fällt diese Hemmung z.B. bei chronisch Nierenkranken weg, wird mehr Parathormon ausgeschüttet, und es kann sich ein Hyperparathyreoidismus entwickeln. Bereits bei einer Halbierung der glomerulären Filtrationsrate (als Zeichen der verminderten Nierenfunktion) nimmt der Kalzitriolspiegel ab, während der Parathormonspiegel (> 1 nmol/l) steigt. Dabei sinkt die Kalziumresorption im Darm. Daraus ergeben sich Knochenveränderungen, die insbesondere bei Jugendlichen durch eine deutlich gesteigerte Aktivität der Osteoblasten und Osteoklasten gekennzeichnet sind. Störungen der Kalzifizierung eines oft irregulär aufgebauten Osteoids und vermehrte Knochenabbauzonen spiegeln einen gesteigerten Knochenumbau wider. Die Gabe von Kalzitriol, das in der erkrankten Niere nicht mehr in ausreichendem Umfang gebildet werden kann, hemmt die Parathormonausschüttung und normalisiert die Knochenhistologie.

Dieser Abschnitt wurde von C. Schulte, Medizinische Klinik der Universitätskliniken Essen, geprüft.

Steroidhormone
Osteoklasten:HyperparathyreoidismusOsteoblasten:HyperparathyreoidismusNiereninsuffizienz:Hyperparathyreoidismus\bSteroidhormone:KnochenbildungOsteoblasten verfügen auch über Rezeptoren für Glukokortikoide. Die Osteoblasten:GlukokortikoideGlukokortikoide:OsteoblastenBindung von Glukokortikoiden an den Knochen hemmt die Bildung von Kollagen und anderen Matrixproteinen sowie die Proliferation von Vorläuferzellen. Progesteron Progesteron:Osteoblastenbindet vermutlich an dieselben Rezeptoren wie die Glukokortikoide, ohne jedoch deren Wirkung zu induzieren. Damit wäre die Bindung von Glukokortikoiden an ihre Rezeptoren vermindert oder aufgehoben. Progesteron stimuliert darüber hinaus zusammen mit Östrogenen die Östrogene:OsteoblastenÖstrogene:Knochenwirkung\bOsteoblasten:ÖstrogeneKnochenneubildung. Östrogenwirkungen beruhen auf verschiedenen Mechanismen. Ein Teil der anabolen Effekte geht auf eine vermehrte Bildung der Wachstumsfaktoren IGF, TGF und BMP durch die Osteoblasten zurück. Zusätzlich hemmen Östrogene den programmierten Zelltod (Apoptose) von Apoptose:ÖstrogeneOsteoblasten und den Knochenabbau durch Osteoklasten (Östrogene:OsteoklastenOsteoklasten:ÖstrogeneKap. 5.1.3). Ein Teil der Wirkungen am Knochen wird von Tamoxifen Tamoxifen, Knochenwirkungausgeübt, das bei der hormonellen Behandlung von Patientinnen mit Brustkrebs eingesetzt wird, weil es im Tumorgewebe Östrogenwirkungen blockiert. Die gegensätzlichen Wirkungen von Tamoxifen im Knochen und im östrogensensitiven Tumorgewebe haben zur Entwicklung neuer Medikamente geführt, die im Knochen wie Östrogene wirken und den Knochenaufbau fördern, in anderen Geweben aber ohne Östrogenwirkung sind.
Andere Hormone
Schließlich stimulieren auch Wachstumshormone, die außerhalb des Knochens gebildet werden (somatotropes Hormon, Somatomedine = IGF), und Schilddrüsenhormone die Proliferation, Differenzierung und Syntheseleistungen von Knochenzellen (Kap. 19.2).

Klinik

OsteoporoseErhöhte Glukokortikoidspiegel, wie sie beim Morbus Cushing, aber auch bei Steroidtherapie auftreten, hemmen die Osteoidbildung, stimulieren die Knochenresorption (s.u.) und vermindern so die Knochengewebsmasse. Die Form des Knochens bleibt dabei unverändert. Diese Störung mindert die mechanische Belastbarkeit erheblich. Sie wird als Osteoporose bezeichnet. Besonders häufig tritt Osteoporose bei älteren Frauen auf. Offensichtlich tragen der postmenopausale Abfall der Östrogenkonzentration und der Ausfall von Progesteron wesentlich zu diesem Krankheitsbild bei.

Osteoporose:Glukokortikoide
Second-Messenger-Kaskaden
Glukokortikoide:OsteoporoseSecond Messenger:KnochenzellenSekretionsvorgänge von Knochenzellen werden z.B. ausgelöst, indem:
  • osteotrope Hormone wie Parathormon oder Botenstoffe an Membranrezeptoren binden

  • Dehnungsreize auf die Zelle einwirken

Je nach Auslöser wird der jeweilige Sekretionsvorgang durch Second-Messenger-Kaskaden vermittelt, die durch Erhöhungen der intrazellulären Kalziumkonzentration und/oder die Aktivierung von Phospholipasen, Adenylatcyclasen und Proteinkinasen eingeleitet werden (Abb. 5.2). Aus dem bereits bestehenden Aktivitätsniveau und der damit verbleibenden Aktivierbarkeit der betroffenen Signalkaskaden ergeben sich differenzierte intrazelluläre Signalmuster, die Voraussetzungen für spezifische Zellantworten sind.
Phospholipasen, AdenylatcyclasenKalziumsignale sind Folge von Signalkaskaden, an deren Beginn entweder PhospholipasenPhospholipase:C (PLC, PLA) oder Adenylatcyclasen Adenylatcyclase:Knochenaktiviert wurden. So wird die PLC z.B. durch Dehnungsreize stimuliert und baut innerhalb von Sekunden Phosphatidylinositoldiphosphat zu Inositoltrisphosphat (IP3) abInositoltrisphosphat:Phospholipase C, das wiederum Kalzium aus intrazellulären Kalziumspeichern (Calcisomen) freisetzt (Kap. 19.2.1). Kalziumsignale können aber auch direkt über die Aktivierung von dehnungsempfindlichen Kalziumkanälen in den Zellmembranen entstehen (Abb. 5.2).
ProteinkinasenParallel zu den Proteinkinase:KnochenKalziumsignalen werden u.a. Proteinkinasen (PKC, PKA) aktiviert, die durch Phosphorylierungen von Enzymen die Syntheseleistungen der Zellen beeinflussen.
KalziumkonzentrationSteigt die Kalziumkonzentration:Knochenintrazelluläre Kalziumkonzentration kritisch an, werden kalziumabhängige Kaliumkanäle geöffnet, die das Membranpotenzial in Richtung auf das Kaliumgleichgewichtspotenzial dieser Kaliumgleichgewichtspotenzial:KnochenzellenZellen (–70 bis –80 mV) verschieben. Solche wenige Millisekunden dauernden Hyperpolarisationen treten Hyperpolarisation:Knochenzellenoft in Serien auf und spiegeln Oszillationen intrazellulärer Kalziumkonzentrationen wider. Neben den Hyperpolarisationen können Aktionspotenziale auftreten. Sie entstehen vor allem durch transmembranöse Kalziumströme, die ebenfalls signifikant die intrazelluläre Kalziumkonzentration beeinflussen.

Stoff- und Signaltransport im Knochen

Konvektiver Transport im Knochen
Transport:konvektiver, KnochenKnochen:konvektiver TransportKnochendurchblutungDie Knochen:DurchblutungDurchblutung:KnochenZellen des Knochens müssen zahlreiche Aufgaben erfüllen, die einen intensiven Stoffwechsel verlangen, z.B. die Synthese, Sekretion, Mineralisierung und Resorption von Stoffen. Sauerstoff, Substrate und Metaboliten sowie Hormone müssen daher in zum Teil beträchtlichem Umfang transportiert werden. Dazu muss der Knochen gut durchblutet sein – z.B. fließen durch Röhrenknochen etwa 4–12 ml Blut/(100 g × min). So wird das ca. 7 kg schwere menschliche Skelettsystem mit mehreren 100 Millilitern Blut pro Minute versorgt.
Verteilung der DurchblutungDer größte Teil der Durchblutung (80%) entfällt auf die zellreichen Periost- und Endostschichten, die die äußeren und inneren Knochenoberflächen bekleiden. Ein kleinerer Teil der Knochendurchblutung (20%) fließt über Gefäße, die in der Kompakta von Röhrenknochen quer zur Längsachse des Knochens in Volkmann- und in Volkmann-Kanal:Knochendurchblutungden längs orientierten Havers-Kanälen Havers-Kanal:Knochendurchblutungverlaufen (Abb. 5.1). Sie versorgen die Osteoblasten und Osteozyten mit Sauerstoff und Substraten. Dass auch die wenigen eingemauerten, scheinbar ruhenden Osteozyten nur maximal 200 μm von den versorgenden Gefäßen entfernt sind, weist auf ihren nicht unwesentlichen Stoffwechsel und Energiebedarf hin.
Kontrolle der KnochendurchblutungDie Knochendurchblutung wird nerval, humoral und durch lokale Faktoren kontrolliert. So führt eine Stimulation adrenerger α-Rezeptoren zu einer Vasokonstriktion, die durch Acetylcholin und EDRF aufgehoben werden kann (Kap. 9.2.6).
SauerstoffverbrauchTrotz der Sauerstoffverbrauch:Knochenhohen Durchblutungsrate des Knochens beträgt der venöse Sauerstoffpartialdruck ca. 40 mmHg, was dem durchschnittlichen venösen PO2 entspricht. Hieraus und aus der Durchblutung von z.B. 5 ml/(100 g × min) lässt sich ein O2-Verbrauch des Knochens von ca. 0,2 ml/(100 g × min) errechnen. Ähnliche Werte wurden bei direkten Messungen des O2-Verbrauchs im Knochengewebe gefunden. Wenn man die Atmungskette in den oberflächlich gelegenen zellreichen Zellschichten vergiftet, geht der O2-Verbrauch um etwa 80% zurück. Dies zeigt, dass auch die eingemauerten Osteozyten stoffwechselaktiv sind.

Klinik

Blutungen bei FrakturenDie starke Knochendurchblutung macht verständlich, dass man bei einer Fraktur verbluten kann. Bei einer Oberschenkelfraktur ist z.B. mit einem Blutverlust von bis zu 2 Litern zu rechnen. Nach Knochenfrakturen kann die Durchblutung innerhalb weniger Tage auf ein Mehrfaches des Ausgangswerts ansteigen, um den für die Heilung erforderlichen Stoffwechsel zu ermöglichen. Der behandelnde Arzt darf daher die Knochendurchblutung durch Schrauben u.Ä. nicht so weit einschränken, dass der Heilungsprozess gefährdet ist.

Stofftransport im Knochenzellverband
ZellkontaktFraktur, BlutungStofftransport:KnochenKnochen:StofftransportTrotz ihrer Einmauerung (s.o.) behalten Osteozyten über Zellfortsätze und Gap Junctions Kontakt zu benachbarten Osteozyten und zu den aus Prä-Osteoblasten neu gebildeten Osteoblasten. Dadurch werden Zellen, die neben Kapillaren des Zentralkanals liegen, mit Zellen, die bis zu 200 μm vom Versorgungsgefäß entfernt sind, verbunden (Abb. 5.2).
Transport über Gap JunctionsDa in Gap Junctions:Knochenunmittelbarer Nähe der Knochenzellen die Mineralisierung der Knochenmatrix unterdrückt wird, befindet sich das zelluläre Netz in einem System aus Lakunen, in denen Zellleiber liegen, und aus Kanälchen, in denen sich Zellfortsätze mit ihren Kontaktstellen zu den Nachbarzellen befinden. Die extrazellulären Wege in den Lakunen und den Kanälchen sind lang, eng und gewunden. Da Diffusion in diesem Raum nicht für einen ausreichenden Stofftransport zu blutgefäßfernen Zellen sorgen kann, wird angenommen, dass ein intra- und interzellulärer Stofftransport über Gap Junctions stattfindet.
Signalleitung
Über Gap Signalleitung, KnochenJunctions werden auch bioelektrische und Second-Messenger-Signale geleitet (s.o.; Abb. 5.2). Solche Signale entstehen vor allem in Zellen, die in unmittelbarer Nähe von Blutgefäßen oder Nervenendigungen liegen, nach Bindung von Hormonen und Neurotransmittern sowie nach mechanischer Reizung.
Bioelektrische und Second-Messenger-Signale scheinen funktionell eng miteinander verknüpft zu sein. Es entstehen reizspezifische Signalmuster, die im zellulären Netz des Knochens auch nach lokaler Stimulation zu Reaktionen des gesamten Knochens führen.

Osteoklasten

MERKE

Osteoklasten bauen Knochengewebe ab.

Mit der OsteoklastenKnochenresorption erfüllen die Osteoklasten eine wichtige Funktion für den dauernden Knochenumbau (Abb. 5.1, Abb. 5.3). Darüber hinaus ist die Resorption von Knochen von vitaler Bedeutung, um eine adäquate Kalziumkonzentration im extrazellulären Raum des Organismus einzustellen.
Morphologie der Osteoklasten
MorphologieOsteoklasten:MorphologieOsteoklasten stammen von Monozytenvorläuferzellen ab. Sie sind leicht an Resorptionslakunen (Howship-Lakunen) zu erkennen, Howship-Lakunendie sie an der Knochenoberfläche geschaffen haben (Abb. 5.1c). Die Zellen sind in der Regel auffallend groß, vielkernig und reich an Mitochondrien – was auf ihren großen Energiebedarf hinweist – und enthalten außerdem viele Vakuolen und Lysosomen.
Ruffled Border, KlebezoneAuf der dem Ruffled BorderOsteoklasten:Ruffled BorderOsteoklasten:KlebezoneKnochen zugewandten Resorptionsseite ist die Zellmembran der aktiven Osteoklasten aufgefaltet (Ruffled Border), wodurch die sezernierende und resorbierende Oberfläche erheblich vergrößert wird. Der Resorptionsbereich wird gegenüber dem übrigen Extrazellulärraum durch einen ringförmigen Zellmembranabschnitt abgedichtet (Klebezone). In diesem Bereich geht der Osteoklast über Membranrezeptoren (Integrine) besonders enge Bindungen mit spezifischen Aminosäuresequenzen (-Arg-Gly-Asp-) von Matrixproteinen (Osteopontin, Fibronectin) ein, die durch Osteoblasten gebildet wurden. Diese Interaktion scheint ein wichtiges Signal für die Ausbildung der Klebezonen und der Ruffled-Border-Zonen zu sein.
Knochenabbau
Saures MilieuFür Knochen:Abbauden Knochenabbau müssen die Mineralkristalle zunächst im sauren Milieu (< pH 4) aufgelöst werden (Abb. 5.3). Die hierzu benötigten H+-Ionen werden durch die Dissoziation von Kohlensäure gewonnen. Kohlensäuredissoziation, KnochenabbauBei diesem Prozess spielt Carboanhydrase eine Carboanhydrase:Knochenabbauwichtige Rolle. Die entstandenen Protonen werden durch aktive Pumpen der gefalteten Membran in die Resorptionslakune transportiert. Die gebildeten Bikarbonationen verlassen die gegenüberliegende Membran im Austausch gegen Chloridionen und werden vom Blutstrom abtransportiert.
Lysosomale EnzymeOsteoklasten synthetisieren auch lysosomale Enzyme. Zu ihnen Enzym(e):lysosomale, Knochenzählen Phosphatasen (z.B. eine für Osteoklasten typische tartratresistente saure Phosphatase) und Phosphatase, saureProteasen (Kathepsine), die durch Exozytose in die Resorptionslakune gelangen. Nach Auflösung der Mineralphase werden die nun demaskierten Matrixproteine durch die sezernierten Enzyme gespalten. Die Abbauprodukte der Proteine werden anschließend durch Endozytose von den Osteoklasten aufgenommen und in sekundären Lysosomen weiter zerlegt.
Kalziumkonzentration im Osteoklasten und Kalziumabtransport
Der Abbau Osteoklasten:KalziumkonzentrationKalziumkonzentration:Osteoklastendes Knochens steigert die Kalziumkonzentration in der Lakune und führt dazu, dass mehr Kalziumionen in das Zytosol der Osteoklasten einströmen (Abb. 5.3). Die erhöhte intrazelluläre Kalziumkonzentration hat zur Folge, dass weniger Enzyme sezerniert werden, sich die Zellfortsätze zurückziehen und der weitere Kalziumeinstrom gehemmt wird – und zwar so lange, bis die Kalziumkonzentration wieder auf Werte um 10–7 mol/l gesunken ist. Auf der Seite, die der gefalteten Resorptionsmembran gegenüberliegt, werden Kalziumionen wahrscheinlich im Austausch gegen Natriumionen ins Interstitium und in den Blutstrom transportiert. Es wird auch diskutiert, dass Kalziumsignale in den Osteoklasten zu Öffnungen der Resorptionslakunen führen. Damit ermöglichen die Zellen einen parazellulären Transport ins freie Interstitium, aus dem die Ionen dann durch den Blutstrom abtransportiert werden.
Humorale Kontrolle der Osteoklasten
Da Osteoklasten:humorale KontrolleOsteoklasten Knochen 100-mal schneller abbauen können, als ihn Osteoblasten aufbauen, müssen sie effizient kontrolliert werden. Dies geschieht mit humoralen Signalen, die von endokrinen Drüsen und von Osteoblasten gebildet werden.
KalzitoninKalzitonin ist ein Kalzitonin:OsteoklastenkontrolleOligopeptid. Dieses Hormon kontrolliert die Aktivität der Osteoklasten. Es bindet an spezifische Rezeptoren und wirkt über die Aktivierung von G-Proteinen (Gq, Gs, Abb. 5.3). Es hemmt die Osteoklastenaktivität innerhalb weniger Minuten und senkt damit die Kalziumkonzentration im extrazellulären Raum.
Botenstoffe von OsteoblastenEine Steigerung der Osteoklastenzahl und aktivität wird vor allem durch Botenstoffe von Osteoblasten erreicht. Zu diesen Signalen zählen Prostaglandin E2Prostaglandin(e):E2 und ZytokineZytokine:Osteoklastenkontrolle (z.B. ein Tumornekrosefaktor α [RANKL] Tumornekrosefaktor (<03B1>):Osteoklastenkontrollesowie Osteoprotegerin, das die RANKL-Wirkung blockiert). Osteoblasten bilden diese Signale z.B. nach Bindung von Parathormon, das die Nebenschilddrüsen bei Absinken des Blutkalziumspiegels ausschütten. Die Osteoblastensignale steigern die Sekretion von Enzymen und H+-Ionen sowie die Motilität der Osteoklasten. Kalzium wird aus dem Knochen mobilisiert und so seine Konzentration im extrazellulären Raum und im Blut erhöht.
Zahlreiche Botenstoffe und Wachstumsfaktoren wurden von den Osteoblasten in inaktiver Form ins Osteoid eingebaut. Diese werden durch die Tätigkeit der Osteoklasten aktiviert und beeinflussen die Neubildung und Differenzierung sowohl der Osteoblasten als auch der Osteoklasten. Damit besteht eine komplexe Kommunikation zwischen Osteoblasten und Osteoklasten, die die Knochenauf- und Knochenabbauprozesse aufeinander abstimmt.
KalzitriolAuch Kalzitriol stimuliert die Osteoklastentätigkeit. Diese Wirkung wird wahrscheinlich ebenfalls über Osteoblasten parakrin vermittelt.

Anpassung an mechanische Belastungen

Knochen:AnpassungKnochenverformungenKnochen Knochen:Verformungenbricht, wenn sich die Länge belasteter Abschnitte um 1% verändert. Werden Knochenzellen um nur 0,1% verformt, löst diese geringe Dehnung bereits eine vermehrte Knochenbildung aus. Die mechanische Festigkeit des Knochens wird dadurch so weit gesteigert, dass er weiteren mechanischen Belastungen besser standhält. Umgekehrt sind Verformungen, die immer unter 0,5‰ bleiben, ein Signal, dass der Knochen „unnötig“ stabil ist. Daraufhin wird Knochen abgebaut. Diese Anpassung wird besonders bei Astronauten sichtbar. In der Schwerelosigkeit verliert der Oberschenkelknochen pro Monat durchschnittlich 2% seiner Knochenmasse, während der Oberarmknochen unter gleichen Bedingungen seine Knochenmasse kaum ändert. Die extreme Mechanosensitivität der Mechanosensitivität, KnochenzellenKnochenzellen ist nur mit der von Haarzellen im Innenohr vergleichbar. Es ist wahrscheinlich, dass Strukturen des Zytoskeletts der Knochenzellen wesentlich zu dieser hohen Empfindlichkeit beitragen. Sie nimmt allerdings im Alter ab. Daran ist bei Frauen nach dem Klimakterium der nun niedrige Östrogenspiegel beteiligt. Östrogene:KnochenwirkungBei Männern werden analoge altersabhängige Veränderungen beobachtet. Das bedeutet, dass das Ausmaß der Verformungen im Alter zunehmen muss, um eine Inaktivitätsosteoporose des Knochens zu vermeiden. Solche dann noch ausreichenden Belastungen zur Vermeidung von Osteoporose sind aber bei vielen älteren Menschen naturgemäß kaum zu erreichen.
Dehnungsempfindliche KationenkanäleWelcheKationenkanal:dehnungsabhängiger Strukturen neben dem Zytoskelett und welche Elementarmechanismen zu den Zellantworten auf mechanische Reize führen, ist noch nicht definitiv geklärt. Dehnungsempfindliche unspezifische Kationenkanäle in der Zellmembran scheinen aber wesentlich an der Mechanosensibilität beteiligt zu sein. Werden dehnungsempfindliche Knochenzellen um 2–3 ‰ gedehnt und damit stark gereizt, fließen Kalziumionen durch die dehnungsempfindlichen Kanäle und erhöhen die intrazelluläre Kalziumkonzentration. Dieses Kalziumsignal wird durch Phospholipase CPhospholipase:C und Inositoltrisphosphat (IP3) verstärkt. Bereits wenige Sekunden nach der Dehnung steigt der IP3-Spiegel an, und Kalzium wird aus intrazellulären Kalziumspeichern (Calcisomen) freigesetzt. Weitere Second-Messenger-Signale folgen (Second Messenger:KnochenanpassungAbb. 5.2). Die sich daraus ergebenden Änderungen der Second-Messenger-Konzentrationen und die aus den Ionenströmen resultierenden Schwankungen des Membranpotenzials teilen über Gap Junctions den Zellen im benachbarten Knochenabschnitt mit, dass sie ihre Knochensyntheseleistung erhöhen müssen. Da die hohe Dehnungsempfindlichkeit der Knochen bildenden Zellen bereits durch niedrige Konzentrationen von Parathormon noch weiter erhöht wird, erklärt sich über diesen Mechanismus bereits ein Teil der Knochen aufbauenden Wirkung dieses Hormons.
Osteoklasten haben ähnliche dehnungsempfindliche Kanäle. Auch in diesen Zellen gelangt Kalzium bereits bei minimaler Verformung in den intrazellulären Raum, führt aber hier zur Inaktivität der Zellen und damit dazu, dass weniger Knochen abgebaut wird (Abb. 5.3). Es sind also alle Knochenzellen beteiligt, wenn der Knochen bei Verformung stabilisiert werden muss.
SclerostinWeitere Faktoren, die die SclerostinMechanozeption der Knochen kontrollieren, bestimmen u.a., wie schnell Knochen bei fehlender Belastung abgebaut wird. Einer dieser Faktoren ist das Glykoprotein Sclerostin, das von Osteozyten freigesetztOsteozyten:Sclerostin wird und Wachstumsfaktoren wie BMP unterdrückt. Bei einem Defekt des Sclerostin-Gens (Van-Buchem-Syndrom) nimmt die Van-Buchem-SyndromKnochenmasse kontinuierlich zu.

MERKE

Auch lokal begrenzte Belastungen führen zu ausgedehnten Knochenreaktionen, die in der Regel die nötige Stabilität des Knochens sicherstellen.

ZUSAMMENFASSUNG

Morphologie

Osteoblasten bilden eine komplexe organische Grundsubstanz (Osteoid), die zu ca. 90% aus Typ-I-Kollagen, zu 5% aus Proteoglykanen und aus einer großen Zahl von Proteinen besteht, die das Knochenwachstum kontrollieren. Durch das Kollagen bekommt der Knochen eine hohe Zugfestigkeit. Aus der Anlagerung von Kalziumhydroxylapatit an Kollagen und Proteoglykane resultiert die hohe Kompressionsfestigkeit des Knochens. Mit der Bildung von Osteoid und dessen Mineralisierung mauern sich einige der Osteoblasten ein und überleben als Osteozyten in Lakunen, die mit kleinen Kanälen verbunden sind, in denen die Zellfortsätze untereinander durch Gap Junctions verbunden sind. Der Knochenaufbau von Osteoblasten wird durch Osteoklasten begrenzt, die mit ihren Enzymen Knochengewebe auflösen und Kalzium mobilisieren.

Regulation

Knochenbildung und abbau werden von Hormonen kontrolliert. Parathormon aus der Nebenschilddrüse fördert die Reifung von Osteoblasten. In höheren Parathormonkonzentrationen sezernieren die stimulierten Osteoblasten Botenstoffe, die die Tätigkeit der Osteoklasten anregen und die Blutkalziumkonzentration erhöhen. Antagonist des Parathormons ist das Kalzitonin aus der Schilddrüse, das die Mobilität und die Resorptionsleistungen der Osteoklasten reduziert und damit einen kritischen Anstieg der Blutkalziumkonzentration verhindert. Neben Parathormon und Kalzitonin hängt die Knochenbildung entscheidend von Kalzitriol ab, das aus Vitamin D durch Hydroxylierung vor allem in der Niere gebildet wird. Kalzitriol hemmt die Parathormonausschüttung und fördert sowohl die Resorption von Kalzium im Darm als auch die Reifung von Osteoblasten. Zahlreiche weitere Hormone beeinflussen die Knochenbildung. Dazu zählen z.B. Östrogene, Wachstumshormone (STH und Somatomedine) und Schilddrüsenhormon. Auch Botenstoffe der Osteoblasten selbst sind an der Regulation des Knochenaufbaus beteiligt. Solche Signalstoffe (Prostaglandin E2, Zytokine) werden entweder aus diesen Zellen ausgeschleust – u.a. nach Stimulation durch Parathormon – oder sind im Osteoid eingebaut und werden bei der Aktivität von Osteoklasten freigelegt.

Gap Junctions

Um eine harmonische Knochenbildung zu erreichen, ist ein ausgedehntes Kommunikationssystem zwischen Knochenzellen erforderlich. Daher sind Osteoblasten untereinander sowie Osteoblasten und Osteozyten über Gap Junctions miteinander verbunden. Im Fall der Osteozyten sind dazu ausgedehnte Zellfortsätze notwendig, die aus den Lakunen in Canaliculi ziehen. Über Gap Junctions können die Zellen so intrazelluläre Signale austauschen, die bei Dehnung der Zellen sowie nach Stimulation mit Hormonen entstehen. Dieses Netz kann auch benutzt werden, um im Knochen Nährstoffe von Versorgungsgefäßen zu gefäßfernen Zellen zu transportieren und Stoffwechselschlacken auf umgekehrtem Weg zu entsorgen.

Belastungsanpassung

Damit Knochen auch für überdurchschnittliche Belastungen die nötige Stabilität erreichen, müssen die Knochenzellen in der Lage sein, auch kleinste Verformungen des Knochens zu erfassen (bereits bei Verformungen um 5–10 ‰ bricht der Knochen). Bei Längenänderungen von Knochenzellen um 1–2 ‰ bilden die so stimulierten Zellen verstärkt Knochen. Fehlen solche mechanischen Reize, bauen Knochenzellen umgekehrt Knochen ab, und es entsteht eine Inaktivitätsosteoporose, die häufig bei alten Menschen beobachtet wird.

Muskulatur

Zur Orientierung

Die Muskulatur ist unser größtes Organsystem. Bei einem 70 kg schweren Menschen beträgt ihr Gewicht etwa 30 kg.

Die ca. 400 Skelettmuskeln stehen unter präziser Kontrolle des peripheren und zentralen Nervensystems, wirken im Rahmen der Stützmotorik der Erdanziehungskraft entgegen und leisten im Rahmen der Zielmotorik gerichtete mechanische Bewegungs- und Haltearbeit (z.B. Gehen, Schreiben, Sprechen). Fällt die quergestreifte Muskulatur aus, macht dies den Menschen zu einem Pflegefall.

Glatte Muskelzellen sind wichtiger Bestandteil aller Organe und dienen z.B. in den Gefäßen der Regulation des Blutdrucks (Kap. 9.2.6), in den Bronchien der Einstellung des Luftströmungswiderstandes (Kap. 10.4), im Magen-Darm-Kanal (Kap. 14) und Urogenitaltrakt (Kap. 11) der Aufnahme von Nahrungsmitteln und Ausscheidung von Stoffen, die bei der Verdauung und beim Stoffwechsel anfallen (Kap. 15). Fällt die glatte Muskulatur aus, z.B. im Magen-Darm-Trakt oder in der Harnblase, erfordert dies ein rasches ärztliches Eingreifen. Muskeln bestehen aus hoch spezialisierten Zellen, deren wichtigste Eigenschaft die Kontraktilität ist, d.h. die Fähigkeit, sich zusammenzuziehen. Kontraktilität entsteht in allen Muskelzellen durch Interaktion zweier filamentärer Proteine, Aktin und Myosin.

Einteilung

J. HeschelerSystem:motorischesMuskulatur
Muskulatur:EinteilungHinsichtlich der Funktion unterscheidet man 3 Muskeltypen: Skelett-, Herz- und glatte Muskulatur (Tab. 5.1).
Quergestreifte MuskulaturHistologischMuskulatur:quergestreifte zeigen Skelett- und SkelettmuskulaturHerzmuskulatur alternierend Herzmuskulaturhelle und dunkle Banden, die als Streifung bezeichnet werden. Sie beruht auf der geordneten Anordnung der kontraktilen Filamente. Man spricht daher von quergestreifter Muskulatur. Die Herzmuskulatur unterscheidet sich von der Skelettmuskulatur u.a. durch die hohe elektrische Koppelung der einzelnen Zellen untereinander und durch die Fähigkeit, einen eigenen Rhythmus von Erregungen zu generieren. Die Kontraktionen der Skelettmuskulatur unterliegen dem Willen, die der Herzmuskulatur nicht.
Glatte MuskulaturInMuskulatur:glatte glatten Muskelzellen sind die kontraktilen Filamente ohne erkennbare Ordnung verteilt, die Muskelzellen kontrahieren wesentlich langsamer und unterliegen nicht dem Willen. Im Unterschied zur quergestreiften Muskulatur sind sie in ihren Steuerungsprozessen differenzierter und eng in die jeweilige Organfunktion eingebunden.Muskulatur:glatte

Klinik

Die glatte Muskulatur spielt in der klinischen Medizin eine viel größere Rolle als die Skelettmuskulatur, da Funktionsstörungen der glatten Muskulatur häufiger vorkommen als Störungen der Skelettmuskulatur und zu generalisierteren pathologischen Veränderungen führen. Eine pathologische Fehlfunktion glatter Muskeln, z.B. ein erhöhter Tonus, ist eine wesentliche Ursache vieler Zivilisationskrankheiten, u.a. bei Bluthochdruck, koronarer Herzkrankheit, Arteriosklerose, Asthma bronchiale und Krankheiten des Gastrointestinal- und Urogenitaltrakts (Inkontinenz). Kenntnisse über die Funktion der glatten Muskulatur sind daher wichtig, um die Ätiologie und Therapiemaßnahmen dieser Krankheiten verstehen zu können.

Quergestreifte Muskulatur

J. Hescheler
Bauprinzip und Funktion
Aufbau der quergestreiften Muskulatur
Skelettmuskulatur\bMuskulatur:quergestreifteMuskulatur:quergestreifteMuskelfaserSkelettmuskulatur:AufbauSkelettmuskelnMuskelfaser:Skelettmuskel bestehen aus Bündeln langer Fasern, die vorwiegend parallel angeordnet sind. Eine Muskelfaser ist die funktionelle Einheit des Muskels: die Skelettmuskelzelle. Sie hat eine schlauchförmige Gestalt, einen rundlich bis ovalen Querschnitt mit einem Durchmesser von 50–100 μm und eine Länge von bis zu 20 cm und mehr (z.B. M. longissimus). Jede Muskelzelle wird vom Axon einer motorischen Vorderhornzelle über die neuromotorische Endplatte (Synapse) direkt erregt.
Motorische EinheitEineMuskulatur:quergestreifteMuskelfaser:Skelettmuskel von einer Skelettmuskulatur:motorische EinheitEinheit:motorischeVorderhornzelle ausgehende Nervenfaser innerviert mehrere Muskelfasern. Das Vorderhornneuron und alle von ihm innervierten Skelettmuskelfasern sind als motorische Einheit definiert. Jedes Aktionspotenzial im Motoaxon der Vorderhornzelle löst eine Zuckung in allen Muskelfasern der motorischen Einheit aus. Je kleiner die motorische Einheit ist, desto feiner abstufbar ist die Kontraktion und desto geringer die Kraft. Die Größe motorischer Einheiten ist sehr variabel:
  • Die seitlichen geraden Augenmuskeln besitzen Augenmuskeln:motorische Einheitinsgesamt 1.740 motorische Einheiten mit je 13 Muskelfasern, die eine Maximalkraft von je 0,001 N haben.

  • Der 2-köpfige OberarmmuskelMusculus:biceps besitzt insgesamt 774 motorische Einheiten mit je 750 Muskelfasern pro Einheit, die eine Maximalkraft von je 0,5 N haben.

MERKE

Eine motorische Einheit besteht aus einer Vorderhornzelle und allen von ihr innervierten Skelettmuskelzellen.

SkelettmuskelzelleDie SkelettmuskelfaserMuskelfaser:SkelettmuskelSkelettmuskelzelle enthält zahlreiche Myofibrillen (Abb. 5.4) mit einer regelmäßigen Anordnung kontraktiler Myofilamente:
  • Myofibrillen: Sie bestehen Skelettmuskelfaser:MyofibrillenMyofibrille:Skelettmuskulaturaus den kontraktilen Proteinen Aktin und Myosin, den Regulatorproteinen Troponin und Tropomyosin und einer Reihe von Struktur- und Zytoskelettproteinen wie α-Aktinin, Nebulin und Titin. Die Filamente haben unterschiedliche optische Eigenschaften in Form aufeinander folgender dunkler und heller Banden und bilden so als charakteristisches Merkmal eine Querstreifung.

  • Myofilamente: Die dunklen A-Skelettmuskelfaser:MyofilamenteMyofilamenteBanden enthalten die dicken A-BandeMyosinfilamente, die hellen I-Banden die dünnen Aktinfilamente (AI-Bande = anisotrop = doppelbrechend im polarisierten Licht, I = isotrop = einfach brechend). Die beiden Filamentarten werden durch Stütz- und Verbindungsstrukturen im Register gehalten. In der Mitte der A-Banden liegt die M-Linie oder M-Bande, in der Mitte der M-LinieI-Banden die Z-Scheibe. Beidseits der M-Z-ScheibeLinie befindet sich die H-Zone, in der sich Myosin- und H-ZoneAktinfilamente nicht überlappen. Der zwischen 2 Z-Scheiben liegende Bereich wird Sarkomer genannt. Es handelt sich Sarkomerdabei um die kleinste kontraktile Einheit der Skelettmuskelzelle mit einer Länge von 2,2 μm im entspannten Zustand. In der kontrahierten Muskelzelle bleibt die Breite der gesamten A-Bande unverändert, während sich I-Bande und H-Zone je nach dem Kontraktionsgrad mehr oder minder stark verschmälern. Die elastischen Titinfilamente, die heute oft als das 3. Filament bezeichnet werden, erstrecken sich von der Z-Scheibe bis zum Myosin in der Sarkomermitte.

MERKE

Die Muskelfaser (= Muskelzelle) enthält Myofibrillen (von Tubuli umgebene Filamentbündel), und diese enthalten Myofilamente (Aktin- und Myosinmoleküle).

Aktin, Tropomyosin und Troponin (dünnes Filament)
Filament:dünnesAktinDas Troponin:SkelettmuskulaturTropomyosin:SkelettmuskulaturSkelettmuskelfaser:TroponinSkelettmuskelfaser:TropomyosinSkelettmuskelfaser:AktinAktin:SkelettmuskulaturAktinfilament setzt sich aus 2 Aktinfilamente:Aufbauperlenkettenartigen Strängen (F-Aktin) zusammen, die ihrerseits aus F-Aktinetwa 200 globulären Aktinmonomeren (G-Aktin) bestehen (Abb. 5.5a). BeideG-Aktin Stränge sind nach Art einer Doppelhelix umeinander gewunden. Jedes G-Monomer besitzt eine Bindungsstelle für einen Myosinkopf. Die an den Enden einer Myofibrille liegenden Aktinfilamente sind über Dystrophin an der Innenseite der Zellmembran befestigt, sodass die erzeugte Kontraktionskraft über die Membran nach außen auf bindegewebige Strukturen übertragen werden kann (Abb. 5.11).
Tropomyosin, TroponinJedem Aktinfilament sind die beiden Proteine Tropomyosin und Troponin assoziiert. Auf einer Länge von jeweils 7 Aktinmonomeren ist 1 Tropomyosinmolekül dem F-Aktin so angelagert, dass es in einer Furche des Aktinfilaments zu liegen kommt. In Abständen von ca. 40 nm sind an den Aktinfilamenten Troponinmoleküle angelagert. Sie bestehen aus 3 Untereinheiten:
  • Troponin T (TnT) stellt die Verbindung Troponin:Tzum Tropomyosin her.

  • Troponin I (TnI) hemmt die Bindung von Troponin:IMyosin an Aktin.

  • Troponin C (TnC) bindet Kalziumionen.

Myosin (dickes Filament)
Troponin:CFilament:dickesMyosinmolekülSkelettmuskelfaser:MyosinMyosin:SkelettmuskulaturMyosin ist ein langgestrecktes Protein, an dessen einem Ende jeweils 2 Köpfe sitzen (Abb. 5.5b). Jedes Myosinmolekül stellt ein Dimer aus je einer schweren und 2 leichten Ketten dar. Die schwere Kette besteht aus einem C-terminalen stabförmigen α-helikalen Teil (verantwortlich für die Dimerisation der Myosinmoleküle, also ihre Bindung untereinander) und einem N-terminalen globulären Kopf (verantwortlich für die Bindung mit Aktin und mit ATPase-Aktivität ausgestattet). Die flexible Kopf-Hals-Region des N-terminalen Endes bindet ferner die 2 unterschiedlichen leichten Ketten (die sog. essenzielle leichte Kette, MLC-1, und die regulatorische leichte Kette, MLC-2). Die MLC-2 wird ähnlich wie in der glatten Muskulatur bei einem Ca2+-Konzentrationsanstieg (s. Kontraktionszyklus) durch die Myosin-Leichtketten-Kinase (MLCK) Ca2+- Myosin-Leichtketten-Kinase:MyosinMLCK (Myosin-Leichtketten-Kinase):Myosinund Calmodulin-abhängig phosphoryliert; eine spezifische Myosin-Leichtketten-Phosphatase (MLCP) kann Myosin-Leichtketten-Phosphatase:MyosinMLCP (Myosin-Leichtketten-Phosphatase):Myosindiese Phosphorylierung rückgängig machen. Anders als im glatten Muskel (Kap. 5.2.3) bewirkt die Aktivierung der MLCK jedoch nicht die Kontraktion an sich, sondern sorgt über eine Phosphorylierung der MLC-2 und des Myosinkopfes nur für eine effizientere Kontraktion. Die α-helikalen stabförmigen Segmente zweier schwerer Ketten winden sich umeinander („supercoil“) und bilden einen ca. 130 nm langen Schwanz. Eine elastische Region im Myosinkopf, die sog. Konverterdomäne, steht im Konverterdomänekrafterzeugenden Zustand des Myosinmotors unter Spannung und erzeugt die Muskelkraft.
MyosinfilamentDie Myosinmoleküle sind zu Bündeln zusammengelagert und bilden das Myosinfilament. Mit Ausnahme des Mittelteils haben die Myosinfilamente Ausläufer in Form der Myosinköpfe. 300–400 Myosindimere bilden ein typisches bipolares Aggregat, das dicke Filament (Abb. 5.5c). Die zentrale Region des dicken Filaments besteht aus sich überlappenden Myosinschwänzen. Die terminalen Regionen sind von unterschiedlicher Länge, und die Myosinköpfe entspringen an der Oberfläche helikal angeordnet in 14 nm langen Intervallen (Abb. 5.5d).
MeromyosinDie funktionellen MeromyosinDomänen des Myosins können durch Proteasen getrennt werden. Chymotrypsin zerschneidet dieChymotrypsin:Meromyosin schwere Myosinkette an einer Scharnierregion und bildet schweres Meromyosin („heavy meromyosin“, HMM), das beide Köpfe und einen Teil des Schwanzes enthält, sowie stabförmiges leichtes Meromyosin („light meromyosin“, LMM). Die weitere Behandlung des schweren Meromyosins mit Papain zerstört den Schwanz und setzt 2 Fragmente mit jeweils einer leichten Kette (LK-1, LK-2) frei.
ATPase-AktivitätMyosin ist eine ATPase, deren Aktivität in Abwesenheit von Aktin niedrig ist, d.h., ATP wird im Myosinköpfchen in ADP und Phosphat gespalten (Hydrolyse). Nach Zusatz von Aktinfilamenten steigt die ATP-Hydrolyse auf das ca. 200-Fache an, sodass jedes Myosinmolekül 5–10 ATP-Moleküle pro Sekunde hydrolysiert.
Strukturproteine
Akzessorische Skelettmuskulatur:Strukturproteine\bProteine stabilisieren die Architektur der Myofibrillen und tragen zur Elastizität bei (Tab. 5.2). Die bemerkenswerte Geschwindigkeit und die Kraft der Muskelkontraktion basieren auf der exakten Anordnung der Myofibrillen, die auch bei Bewegung in einer optimalen Distanz zueinander gehalten werden. Die präzise Organisation der Myofibrillen wird durch Myofibrille:StrukturproteineStrukturproteine aufrechterhalten (Abb. 5.4).
α-Aktinin, MyomesinAktinfilamente <03B1>-Aktininsind mit ihren freien Enden an MyomesinZ-Scheiben verankert, wo sieZ-Scheibe:<03B1>-Aktinin in einem rechtwinkligen Maschenwerk durch andere Proteine fixiert werden. α-Aktinin ist dabei eines der Proteine, das Aktin am besten bindet. Eine ähnliche Funktion erfüllt das Myomesin für Myosin, das im Bereich der M-Linie für die hexagonale Anordnung sorgt.
TitinTitin ist ein außerordentlich Titin\bgroßes Protein (3.000–3.700 kDa), das ca. 10% der gesamten Proteinmasse des quergestreiften Muskels ausmacht. Ein 80 kg schwerer Mensch enthält etwa 0,5 kg dieses Proteins. Im Bereich der A-Bande bindet es entlang des dicken Filaments und ist funktionell steif, in der I-Bande ist es dagegen elastisch. Die Länge des Titins der I-Bande bestimmt deshalb die Steifigkeit und damit den Verlauf der Ruhedehnungskurve eines quergestreiften Muskels. Es verbindet außerdem die dicken Filamente mit den Z-Streifen (Abb. 5.4).
L-System, T-System, Triaden
L-SystemJede MyofibrilleL-System istSkelettmuskelfaser:L-System Myofibrille:L-Systemmanschettenartig von abgeschlossenen Röhrchensystemen umgeben, die etagenweise angeordnet sind (Abb. 5.4). Die Röhrchen (L-System) verlaufen longitudinal, d.h. parallel zur Myofibrille. Jedes L-System besitzt 2 quer zur Myofibrille verlaufende Terminalzisternen, die Ca2+-Ionen speichern. Das L-System ist eine besondere Differenzierungsform des glatten endoplasmatischen Retikulums und wird als sarkoplasmatisches Retikulum (SR) bezeichnet.Retikulum:sarkoplasmatisches
T-System, TriadenAls weitere T-SystemSkelettmuskelfaser:T-SystemSkelettmuskelfaser:Triadespezifische TriadeEinrichtung besitzt die Skelettmuskelzelle das transversale Röhrchensystem (T-System). Die T-Röhrchen sind Einstülpungen des Sarkolemms, ziehen also von der Faseroberfläche in die Tiefe der Muskelfaser. Sie sind quer zur Längsachse angeordnet und stehen mit dem Extrazellulärraum in Verbindung. Die T-Tubuli liegen dabei zwischen den Terminalzisternen der angrenzenden L-Systeme, sodass 3 parallele Hohlstrukturen in unmittelbarer Nachbarschaft zueinander liegen: der T-Tubulus und die beiden Terminalzisternen der angrenzenden L-Systeme. Diese Struktur wird Triade genannt. Die Terminalzisternen sind von den Membranen des T-Systems nur 16 nm entfernt.
Kontraktion der quergestreiften Muskulatur
Mechanismus der Kontraktion
Muskulatur:quergestreifteSkelettmuskulatur:KontraktionMuskulatur:quergestreifteFilament-Gleit-TheorieDie Muskelverkürzung Skelettmuskulatur:Kontraktion\bFilament-Gleit-Theorieberuht darauf, dass Aktin- und Myosinfilamente innerhalb eines Sarkomers aneinander vorbeigleiten („Filament-Gleit-Theorie“ von Andrew F. Huxley). Wenn sich ein Muskel kontrahiert oder passiv auf unterschiedliche Sarkomerlängen gedehnt wird, bleibt die Breite der A-Bande konstant. Auch A-Bande:Muskelkontraktiondie Länge der einzelnen Myosin- und Aktinfilamente bleibt bei Kontraktion und Relaxation konstant. Die I-Banden ändern dagegen I-Bande:Muskelkontraktionihre Länge.
Myosin-Aktin-QuerbrückenDie Myosin-Aktin-QuerbrückenKontraktionskraft hängt von der Zahl der aktiven Querbrücken und daher von der Überlappung zwischen Aktin- und Myosinfilamenten ab (Abb. 5.6): Wird ein Muskel über eine Sarkomerlänge von mehr als 2,25 μm gedehnt, können immer weniger Myosinköpfe mit Aktin interagieren und die Kontraktionskraft nimmt ab. Vermindert sich die Sarkomerlänge auf weniger als 1,65 μm, sinkt die Kraftentwicklung ebenfalls, u.a. weil die Myosinfilamente an die Z-Scheiben anstoßen und Z-Scheibe:Muskelkontraktionsich die Aktinfilamente überlappen (Abb. 5.6).

MERKE

Die krafterzeugenden Elemente des Muskels sind die Myosin-Aktin-Querbrücken.

KontraktionszyklusZunächstMuskulatur:quergestreifte bindet ATP an Skelettmuskulatur:KontraktionszyklusdenKontraktionszyklus ATP (Adenosintriphosphat):KontraktionszyklusMyosinkopf (Abb. 5.7, unten) und wird dort zu ADP und Phosphat (Pi) hydrolysiert, wobei die Hydrolyseprodukte am Myosin gebunden bleiben. Wenn nun die zytosolische Ca2+-Konzentration steigt, bindet unter Vermittelung von Troponin/Tropomyosin (s.uTroponin:Kontraktionszyklus.) der Myosinkopf an das benachbarte Aktinfilament und setzt gleichzeitig Phosphat frei. Anschließend kippt der Myosinkopf von 90° auf 45° um und bewegt dadurch Aktin um ca. 10 nm weiter, wodurch eine Kontraktion entsteht. Gleichzeitig wird ADP freigesetzt. Das Ergebnis dieses Schrittes ist ein sog. Rigor-Komplex mit einer festen Aktin-Myosin-Bindung. Eine erneute Bindung von ATP am Myosinkopf vermindert die Affinität zum Aktin, wodurch sich der Myosinkopf vom Aktinfilament löst („Weichmacherfunktion“ des ATP).

Klinik

Rigor und TotenstarreWenn in einem Muskel der Vorrat an energiereichen Phosphaten (ATP und Kreatinphosphat) erschöpft ist, wird er steif und kann nicht mehr gedehnt werden. Man nennt diesen Zustand Rigor. Auch die Totenstarre beruht auf einem Mangel an ATP bei gleichzeitig hoher zytosolischer freier Ca2+-Konzentration.

TotenstarreKraftentwicklungATP (Adenosintriphosphat):TotenstarreDieMuskulatur:quergestreifte in Abb. 5.7 Skelettmuskulatur:Kraftentwicklungdargestellte Hypothese beschreibt einen ruderschlagähnlichen Zyklus in der Reihenfolge Anheftung, Kraftentwicklung und Loslösen der Querbrücken, während gleichzeitig ein Molekül ATP hydrolysiert wird. Wahrscheinlich wechseln die Querbrücken jedoch von einer schwachen zu einer starken Bindungskonfiguration, nachdem ATP hydrolysiert wird und noch bevor Pi freigesetzt wird. Kraft entsteht dadurch, dass die angehefteten Querbrücken durch Freisetzung von Pi eine krafterzeugende Konformationsänderung vollziehen. Der Zyklus von Anheften und Loslassen der Querbrücken findet evtl. mehrere Male statt, während ein Molekül ATP hydrolysiert wird. Es wird angenommen, dass Ca2+ den Übergang in den starken Bindungszustand regelt und damit die Geschwindigkeit der Pi-Freisetzung kontrolliert.
Aktin-Myosin-InteraktionDie Wechselwirkung Myosin-Aktin-InteraktioneinesAktin-Myosin-Interaktion einzelnen Myosinmoleküls mit einem Aktinfilament erlaubt es, Kräfte und Filamentverschiebungen direkt zu beobachten. Gleichzeitig kann der zeitliche Verlauf der Interaktion einer einzelnen Querbrücke mit Aktin direkt gemessen werden (Abb. 5.8). Die Bindung von Myosin an Aktin vollzieht sich dabei in einem sprunghaften Schritt (vgl. sprunghafte Änderung der Leitfähigkeit eines Ionenkanals, gemessen mit der Patch-Clamp-Technik, Kap. 3.1.2). Überlagert wird das Ereignis von der Brown'schen Molekularbewegung. Die Konformationsänderung des Myosinmoleküls wirkt in vitro mit einer Kraft von 3–4 pN auf das Aktinfilament. Die Bewegung des Myosins beträgt dabei im Mittel 11 nm.
Elektromechanische Koppelung
Skelettmuskulatur:Kontraktion Koppelung:elektromechanische

MERKE

Unter elektromechanischer Koppelung fasst man alle Prozesse zusammen, die daran beteiligt sind, die elektrische Membranerregung in eine Kontraktion umzusetzen. Um eine Kontraktion auszulösen, muss die zytosolische Ca2+-Konzentration geregelt ansteigen. Ca2+ ist der „Messenger“ der elektromechanischen Koppelung.

KalziumfreisetzungKalzium:elektromechanische KoppelungEine membranständige Ca2+-ATPase pumpt Ca2+-Ionen vom Sarkoplasma der Muskelzelle in die Terminalzisternen des sarkoplasmatischen Retikulums (SR). Entsteht nach Innervation durch das α-Motoneuron am Sarkolemm der Muskelzelle ein Aktionspotenzial (s.u.), wird dies auch in die Tiefe der T-Systeme fortgeleitet (Abb. 5.9). Das Aktionspotenzial ändert dort die Konfiguration spannungsempfindlicher Kalziumkanalproteine, der DHP-RezeptorenKalziumkanal:elektromechanische Koppelung (DHP = DHP-Rezeptor:SkelettmuskulaturDihydropyridin). Die Konfigurationsänderung wiederum aktiviert Ryanodinrezeptoren im SR und öffnet Ryanodinrezeptor:Skelettmuskulatur, elektromechanische Koppelungdamit Kanäle, die Ca2+-Ionen entsprechend ihrem Konzentrationsgradienten aus dem SR ins Zytosol freisetzen. Die Kalziumkonzentration im Zytosol steigt von ca. 10–7 auf 10–5 mol/l, wodurch der Querbrückenmechanismus und damit die Kontraktion ausgelöst wird.
Vergleich mit der HerzmuskulaturAn der Muskelzelle aktiviert der DHP-Rezeptor den DHP-Rezeptor:HerzmuskulaturRyanodinrezeptor durch direkte Ryanodinrezeptor:Herzmuskulatur, elektromechanische KoppelungProtein-Protein-Interaktion. Am Herzmuskel werden dagegen spannungsabhängige Kalziumkanäle (DHP-Rezeptoren) durch eine Depolarisation geöffnet, und Ca2+ strömt ein. Durch Binden von Ca2+ – und nicht durch Protein-Protein-Interaktion – wird die Öffnung von Kalziumkanälen des SR (Ryanodinrezeptor) induziert, wodurch die zytosolische Ca2+-Konzentration ansteigt. Der Protein-Protein-Interaktion des Skelettmuskels steht also die Ca2+-induzierte Ca2+-Freisetzung des Herzmuskels gegenüber (Kap. 9.2).

MERKE

Intrazelluläres Ca2+ ist der Trigger der Myosin-Aktin-Interaktion.

KontraktionVon den Untereinheiten Skelettmuskulatur:KontraktionKontraktion:elektromechanische Koppelungdes Troponinkomplexes (s.o.) ist Troponin C der KalziumsensorTroponin:elektromechanische Koppelung, während Troponin I der eigentliche Schalter im Kontraktionsprozess des Sarkomers ist. Sind alle Ca2+-Bindungsstellen von TnC besetzt, ändert sich die Konformation des Troponinkomplexes: Troponin I verlässt seine inhibitorische Position auf dem Aktinfilament und Troponin T leitet dies an Tropomyosin weiter. TropomyosinTropomyosin:elektromechanische Koppelung wird auf den Aktinfilamenten verlagert (Abb. 5.10), sodass eine Region der Aktinmonomere freigelegt wird, an die Myosinköpfe binden können: Die Myosin-ATPase-Aktivität wird aktiviert und eine Kontraktion ausgelöst. Bei Erschlaffung werden die myosinaktivierenden Stellen durch Tropomyosin blockiert. Diese Vorgänge verlaufen in quergestreiften Zuckungsfasern außerordentlich rasch. Schon innerhalb von etwa 5 ms nach Stimulation eines Muskels ist das zytosolische Ca2+ angestiegen, und das Tropomyosin hat seine Position verändert, die Myosinköpfe heften bereits nach etwa 7 ms an das Aktin, und Spannung wird nach etwa 10 ms erzeugt.
RelaxationWenn die zytosolische Skelettmuskulatur:RelaxationRelaxation:elektromechanische KoppelungCa2+-Konzentration abnimmt, relaxiert der Muskel wieder (Tab. 5.3). Die Ca2+-Konzentration wird auf 2 Wegen reduziert (Abb. 5.9):
  • Ca2+-Pumpen im SR transportieren Ca2+ aus dem Zytosol in das Lumen des SR.

  • Ca2+-Pumpen im Sarkolemm transportieren Ca2+ aus dem Zytosol in die extrazelluläre Flüssigkeit.

Einer dieser Ca2+-Transporter ist eine ATP-abhängige Kalziumpumpe, die nach einem ähnlichen Mechanismus arbeitet wie die des SR. Der andere Transporter ist ein Na+/Ca2+-Austauscher, der die Energie des Gradienten für Na+-Ionen über das Sarkolemm nutzt, um Ca2+ zu transportieren. Der Gradient für die Na+-Ionen wird durch die Na+/K+-ATPase erzeugt.
Elektrophysiologie des Skelettmuskels
Neuromuskuläre Endplatte
Muskulatur:quergestreifteMorphologieKurz Skelettmuskulatur:neuromuskuläre EndplatteSkelettmuskulatur:ElektrophysiologieEndplatte, neuromuskuläre\bvor Erreichen eines Skelettmuskels zweigt sich das Axon des innervierenden α-Motoneurons in mehrere Äste auf und versorgt jede Muskelfaser mit einer motorischen Endplatte (Abb. 5.11). Die Äste des α-Motoneurons bilden einen <03B1>-Motoneuron:neuromuskuläre Endplattetraubenförmigen Endbaum (Telodendron) und sind von marklosen Gliazellen (Teloglia) umhüllt. Die Endkolben des Telodendrons bilden die präsynaptischen Elemente. Sie liegen in muldenartigen Vertiefungen der Muskelzelle, enthalten Mitochondrien und zahlreiche Vesikel mit dem Transmitter Acetylcholin (ACh). Die Acetylcholin:neuromuskuläre Endplattepostsynaptische Membran ist das Sarkolemm der Muskelfaser, die im Bereich der Kontakte mit den Endkolben in Falten gelegt ist (subneuraler Faltenapparat), welche die postsynaptische Oberfläche erheblich vergrößern.
TransmitterfreisetzungBeiTransmitter:Freisetzung Depolarisation des Motoneurons der Vorderhornzelle werden potenzialgesteuerte neuronale Kalziumkanäle geöffnet, über die Kalziumkanal:neuromuskuläre EndplatteCa2+ in die präsynaptische Endigung strömt. Es triggert das Verschmelzen der synaptischen Vesikel mit der präsynaptischen Membran, und ACh wird in den synaptischen Spalt freigesetzt (Kap. 3.4.2). Jede aktive Zone liegt einer postsynaptischen Falte gegenüber. Am Rande dieser Falten befinden sich die nikotinischen ACh-RezeptorenAcetylcholinrezeptor:nikotinischer (Abb. 5.11) mit einer Dichte von etwa 10.000 Rezeptoren pro μm2.

MERKE

Jeder präsynaptische Endkolben des Telodendrons umfasst:

  • synaptische Vesikel, die den Transmitter ACh enthalten

  • eine spezialisierte Membran zur Transmitterfreisetzung

  • potenzialgesteuerte neuronale Kalziumkanäle, die bei Depolarisation einen Ca2+-Einstrom bewirkeln, der wiederum die Ca2+-abhängige Transmitterfreisetzung steuert

Die ACh-Konzentration im synaptischen Spalt wird rasch gesenkt (Kap. 3.4.2), indem ACh einerseits durch eine Acetylcholinesterase hydrolytisch gespalten wird und andererseits aus dem synaptischen Spalt herausdiffundiert.
Endplatten- und AktionspotenzialACh diffundiert zur Endplatte, neuromuskuläre:AktionspotenzialAktionspotenzial:neuromuskuläre Endplatte\bpostsynaptischen Membran und bindet dort an die spezifischen nikotinischen ACh-Rezeptoren, die im selben Protein einen Kationenkanal enthalten (rezeptor- oder ligandengesteuerte Kationenkanäle). Durch die Bindung kommt es zu einem Na+-Einstrom und K+-Ausstrom, was zu einer Depolarisation führt. Es entsteht ein Endplattenpotenzial, das sich elektrotonisch ausbreitet und ein Aktionspotenzial auslösen kann (s.u.).

Klinik

Blockade der neuromuskulären ErregungsübertragungDie Erregungsübertragung kann prä- (Blockade der ACh-Freisetzung) oder postsynaptisch (Blockade der neuromuskulären Endplatte) blockiert werden:

  • Präsynaptische Blockade: Das Gift der Botulinus-Bakterien (Vorkommen in verdorbenem rohem Fleisch und Konserven) blockiert die präsynaptische ACh-Freisetzung. Frühsymptom ist die Schwächung des Augenmuskels, die zu herabhängenden Augenlidern (Ptosis) führt. Unter experimentellen Bedingungen kann die ACh-Freisetzung auch durch den Entzug von Ca2+ und den Zusatz von Mg2+ verhindert werden.

  • Postsynaptische Blockade: Pharmaka, die die neuromuskuläre Endplatte blockieren (Muskelrelaxanzien), schalten unwillkürliche, reflektorische Muskelkontraktionen während einer Operation aus (Tab. 5.4). Die am ZNS wirkenden Anästhetika können somit sehr niedrig dosiert werden, sodass sie nur noch das Bewusstsein und die Schmerzempfindung unterdrücken. Ihre Nebenwirkungen auf die Herz-Kreislauf-Funktion werden erheblich vermindert. Allerdings muss der Patient künstlich beatmet werden, da die Muskelrelaxanzien auch die neuromuskuläre Erregungsübertragung in der Atemmuskulatur blockieren. Man unterscheidet nichtdepolarisierende Muskelrelaxanzien (Typ Curare), die die nikotinischen ACh-Rezeptoren kompetitiv blockieren, ohne ein Aktionspotenzial auszulösen (s.u.), von depolarisierenden Relaxanzien (Typ Succinylcholin) und Cholinesterasehemmern (Typ Neostigmin), die zu einer lang andauernden Depolarisation der Endplatte führen. Die Wirkungen der Muskelrelaxanzien sind reversibel, es ist aber auch eine irreversible Blockade möglich, z.B. durch das Schlangengift Bungarotoxin (bindet irreversibel an den ACh-Rezeptor), durch das Insektizid E605 (irreversible Hemmung der Cholinesterase) oder durch „Kampfgase“.

Endplattenpotenzial
Erregungsübertragung:neuromuskuläreBakterien:BotulinustoxinAcetylcholinrezeptor:nikotinischerMuskelrelaxanzien:nichtdepolarisierendeMuskelrelaxanzien:depolarisierendeCholinesterasehemmer, neuromuskuläre Endplatte\bBungarotoxinPotenzialentstehungACh Endplattenpotenzial:Entstehungbindet postsynaptisch an den nikotinischen ionotropen ACh-RezeptorAcetylcholinrezeptor:nikotinischer (5 Untereinheiten, selektive Aktivierung durch Nikotin, Kap. 3.4.2). Ionotrop bedeutet, dass bei Bindung der dem Rezeptor-Protein-Komplex innewohnende (intrinsische) Ionenkanal öffnet. Dieser rezeptorgesteuerte Ionenkanal lässt verschiedene Kationen passieren. Es bildet sich eine depolarisierende Membranpotenzialänderung, das Endplattenpotenzial, EPP (Abb. 5.12). Sein Anstieg dauert 1–2 ms, der Abfall 5–20 ms, seine Amplitude beträgt ca. 50 mV (Tab. 5.5).
Elektrotonische AusbreitungWird das EPP in verschiedenen Endplattenpotenzial:AusbreitungAbständen von der Endplatte registriert, ist seine Amplitude umso kleiner und sein Anstieg und Abfall umso langsamer, je weiter die Ableitstelle vom Zentrum der Endplatte entfernt liegt. Dies ist ein eindeutiges Zeichen für eine elektrotonische Ausbreitung des EPP vom Ort seiner Entstehung, dem subsynaptischen Faltenapparat.
MiniaturendplattenpotenzialeDarüber hinaus können in der Miniaturendplattenpotenzialunerregten Muskelfaser in unmittelbarer Umgebung der Endplatte bei intrazellulärer Messung kurze und in unregelmäßigen Zeitabständen auftretende Depolarisationen beobachtet werden. Im Zeitverlauf ähneln sie dem EPP, haben jedoch eine wesentlich kleinere Amplitude (1–2 mV, Abb. 5.12). Ob diese Miniaturendplattenpotenziale (mEPP) eine physiologische Relevanz haben, ist ungeklärt. Ein mEPP beruht auf der spontanen Freisetzung einer kleinen Menge (Quantum, möglicherweise identisch mit dem Inhalt eines Vesikels) von ACh, während das überschwellige Endplattenpotenzial dem simultanen Auftreten vieler mEPP entspricht.
Muskelaktionspotenzial
Das elektrotonisch Muskelaktionspotenzialfortgeleitete EPP aktiviert Aktionspotenzial:neuromuskuläre Endplattespannungsgesteuerte Natrium-Natriumkanal:spannungsabhängiger und KaliumkanäleKaliumkanal:spannungsabhängiger, die sich in der gesamten Muskelmembran außerhalb der Endplattenregion befinden. Dadurch wird ein Muskelaktionspotenzial ausgelöst (Abb. 5.12, Tab. 5.5), dessen Amplitude erheblich größer ist (ca. 130 mV) als die des EPP. Beim Skelettmuskel dauert das Aktionspotenzial ca. 10 ms (Abb. 5.12, Abb. 5.20). Es ist somit länger als das des peripheren Nervs (ca. 1 ms) und kürzer als das des Herzens (ca. 200 ms). Das Muskelaktionspotenzial wird kontinuierlich über das gesamte Sarkolemm und das T-System fortgeleitet und T-System:Muskelaktionspotenzialaktiviert die spannungsgesteuerten DHP-Rezeptoren (s.o.).Acetylcholinrezeptor:nikotinischerKaliumkonzentration:extrazelluläre
DHP-Rezeptor:Muskelaktionspotenzial

Klinik

Eine krankhafte Muskelfunktion kann auf Störungen der Erregungsprozesse, des kontraktilen Apparats bzw. der Muskelzelle zurückgeführt werden (Abb. 5.11).

Myasthenia gravisKardinalsymptome dieser erworbenen Autoimmunerkrankung sind die Muskelschwäche und eine krankhafte Ermüdbarkeit unter Muskelarbeit, die sich in Ruhe bessert. An der postsynaptischen Membran werden Immunkomplexe (IgG und Komplement) abgelagert, es sind zu wenige nikotinische Ach-Rezeptoren vorhanden und zirkulierende Antikörper gegen den Ach-Rezeptor nachweisbar.

Hypokaliämische periodische ParalysePeriodische oder paroxysmale Lähmungen sind Folge einer gestörten elektrischen Membranstabilität. Es treten Lähmungsattacken auf (erstmals 6.–20. Lebensjahr, werden dann zunächst häufiger und heftiger, schwächen sich ab und bleiben im höheren Lebensalter aus), die durch kohlenhydratreiche Mahlzeiten oder Ruhe nach körperlicher Belastung ausgelöst werden können. Kohlenhydrate aktivieren über eine Insulinausschüttung die Na+/K+-ATPase der Zellmembran, die dann Kaliumionen in den Intrazellulärraum der Muskelfaser transportiert. Die dadurch bedingte Senkung der extrazellulären Kaliumkonzentration hyperpolarisiert bei normalen Muskelfasern die Membran, bei Patienten mit hypokaliämischer periodischer Paralyse wird sie jedoch depolarisiert. Ursächliches Gen ist die α1-Untereinheit des DHP-Rezeptors.

Myotonia congenitaDie Muskulatur relaxiert nur verzögert, was die Patienten als Steifigkeit empfinden. Auch bei dieser Erkrankung ist die elektrische Membranstabilität der Muskelfaser gestört, wobei die Ursache eine verminderte Membranleitfähigkeit für Chloridionen ist. Dadurch reagieren die Muskelfasern auf kurze nervale Reize mit lang andauernden Aktionspotenzialsalven.

Paramyotonia congenitaAuch diese Erkrankung geht mit einer verzögerten Muskelerschlaffung einher. Sie ist selten und häufiger autosomal rezessiv als autosomal dominant vererbt. Ursache ist eine Störung im Bereich der Natriumkanäle des Sarkolemms.

Maligne HyperthermieSie ist eine seltene, aber gefürchtete Narkosekomplikation. Die Symptomatik kann grundsätzlich von jedem Inhalationsnarkotikum ausgelöst werden. Die Körperkerntemperatur steigt bis über 43 °C an. Es kommt zu einer massiven aeroben und anaeroben Stoffwechselsteigerung mit Hyperkapnie (PCO2 bis über 100 mmHg), Laktatanstieg und einer entsprechend schweren Azidose. Die Patienten sind tachykard und tachypnoisch, der Puls ist arrhythmisch. Typisch sind auch Kontrakturen, insbesondere der Masseterspasmus als Frühzeichen. Der Erkrankung liegt ein Defekt des Ryanodinrezeptors zugrunde, sodass unter der Einwirkung bestimmter Narkosemittel die Schwelle für die Freisetzung von Ca2+-Ionen aus dem SR sinkt und vermehrt Ca2+ ins Myoplasma freigesetzt wird. Die erhöhte Kalziumkonzentration aktiviert die Myosin-ATPase, die durch Spaltung von ATP den Kontraktionszyklus unterhält. Folge sind Kontrakturen und hoher Energieverbrauch sowie Wärmeproduktion.

Duchenne-DystrophieMuskeldystrophien gehen mit einem fortschreitenden Abbau quergestreifter Muskulatur einher, d.h., die Muskulatur wird zunehmend atrophisch. Jenseits des 20. Lebensjahrs entwickelt sich eine lebensbegrenzende dilatative Kardiomyopathie mit verminderter Auswurffraktion und Herzrhythmusstörungen. Erschwerend wirkt die restriktive Ventilationsstörung durch Schwächung der Atemmuskulatur. Die Lebenserwartung ist meist unter 25 Jahren. Ursache dieser X-chromosomal rezessiv vererbten Erkrankung ist das Fehlen oder der hochgradige Mangel des Dystrophinproteins (Tab. 5.2), d.h., es werden keine oder nur kurze Dystrophinfragmente gebildet, sodass ein unvollständiges sarkomerisches Zytoskelett entsteht und die Muskelfaser in ihrer mechanischen Funktion gestört ist.

Glykogenose V McArdleBei dieser autosomal vererbten Erkrankung ist der innerhalb der Muskelzelle stattfindende Stoffwechsel gestört. Kardinalsymptom ist eine Belastungsintoleranz mit Muskelschmerzen, rascher Ermüdung und Steifigkeit. Die Beschwerden setzen meist im Jugendalter ein. Grundsätzlich kann jeder Muskel betroffen sein. So kann es z.B. beim Kauen in der Kaumuskulatur oder beim Gehen in den Beinen zu Schmerzen kommen. Ursache ist ein Mangel an Muskelphosphorylase, die normalerweise die äußeren Ketten des Glykogens um ein Glukosemolekül verkürzt. Daher ist zu wenig Glukose verfügbar, und es entsteht ein Energiedefizit bei Kurzzeitbelastung.

Elektromyografie

MERKE

Bei der Elektromyografie (EMG) werden extrazelluläre elektrische Potenziale aus der Skelettmuskulatur registriert.

Ryanodinrezeptor:maligne HyperthermieMuskelphosphorylaseMuskeldystrophieLaktat:maligne HyperthermieKardiomyopathie, Duchenne-DystrophieHyperkapnie:maligne HyperthermieGlykogenose V McArdleGlukose:Glykogenose V McArdleDuchenne-DystrophieAzidose:maligne HyperthermieOberflächenelektrodenDie ElektromyografiePotenzialregistrierung ist durch Oberflächenelektrode, ElektromyografieElektroden möglich, die auf der Hautoberfläche angebracht werden. Sie erlauben jedoch keine exakte Untersuchung einzelner motorischer Einheiten, keine Differenzierung zwischen eng benachbarten Muskeln und keine Ableitung aus tiefer gelegenen Muskeln. Oberflächenelektroden benutzt man daher vor allem zur Untersuchung der Leitungsgeschwindigkeit von Aktionspotenzialen, bei Reflexstudien (Hoffmann-Reflex, M-Welle und H-Welle) und bei der Aufzeichnung der Erregungsmuster mehrerer Muskeln während gezielter Bewegungsabläufe, um die intramuskuläre Koordination einzuschätzen (kinesiologische Untersuchungen).
NadelelektrodenFür klinische Untersuchungen werden Nadelelektrode, Elektromyografiekonzentrische Nadelelektroden (Abb. 5.12) verwendet. Sie bestehen aus einem feinen Platindraht, der von einer Isolationsschicht umgeben und in eine Kanüle mit einem Außendurchmesser < 1 mm eingelassen ist. Die Kanülen werden durch die Haut in den zu untersuchenden Muskel gestochen – die Spitze der eingestochenen Nadelelektrode liegt dann extrazellulär zu den Muskelfasern. Der Draht dient als differente, der Kanülenschaft als indifferente Elektrode. Die Amplituden der extrazellulär registrierten Potenziale sind deutlich kleiner als die Amplituden intrazellulär registrierter Muskelaktionspotenziale (Abb. 5.12).

MERKE

Beim EMG liegen im Ableitbereich der Nadelelektrode in der Regel 15–20 Muskelfasern einer motorischen Einheit. Gleichzeitig können 5–10 verschiedene motorische Einheiten erfasst werden. Daher stellen die abgeleiteten Potenziale in der Regel Summenaktionspotenzial:ElektromyografieElektromyografie:SummenaktionspotenzialSummenaktionspotenziale dar. Den unregelmäßig auftretenden Miniaturendplattenpotenzialen (s.o.) entspricht im Elektromyogramm eine unruhige Null-Linie, die als EndplattenrauschenEndplattenrauschen bezeichnet wird.

MuskeltonusIm tiefen Schlaf lassen sich von den Skelettmuskeln keine MuskeltonusAktionspotenziale ableiten. Im Wachzustand finden sich aber auch beim liegenden und erst recht beim sitzenden oder stehenden Menschen fortdauernd asynchron auftretende Aktionspotenziale in zahlreichen Muskeln, vor allem in solchen, die der Aufrechterhaltung der normalen Gelenkstellung des Körpers dienen: Bewegungen sind dabei nicht sichtbar, nur die Haltung wird verstärkt. Dieser aktive Spannungszustand der Muskulatur wird als Tonus bezeichnet. Bei geistiger Arbeit und affektiver Erregung nimmt dieser Tonus reflektorisch zu (was im EMG deutlich erkennbar ist), und der Energieumsatz ist erhöht.
MuskelkontraktionBei willkürlicher Kontraktion des Muskels steigt mit Muskelkontraktionzunehmender Muskelkraft einerseits die Entladungsfrequenz an jeder einzelnen motorischen Einheit, andererseits die Rekrutierung von mehr motorischen Einheiten. Dabei überlagern sich die Summenaktionspotenziale zu einem Interferenzmuster.
GelenkbewegungEine Bewegung auf Interferenzmuster, ElektromyografieeineElektromyografie:Interferenzmuster neue Gelenkstellung entsteht durch die Elektromyografie:Gelenkbewegungabgestimmte Aktion synergistischer bzw. antagonistischer Muskelgruppen (Abb. 5.13). Zuerst nimmt die EMG-Aktivität der Antagonisten ab (Spur 4), wodurch das Gelenk für die neue Bewegungsrichtung freigegeben wird. Daran schließt sich die Aktivierung der Agonisten an (Spur 5). Ein starker Aktivierungsimpuls startet die Bewegung zur neuen Position (Spur 1; Zunahme von Beschleunigung, Spur 3, und Geschwindigkeit, Spur 2). Die Agonistenaktivierung geht nach dem Impuls zurück, wodurch zuerst die Beschleunigung und dann die Bewegungsgeschwindigkeit abnimmt. Diese Abnahme der Agonistenaktivierung wird unterstützt durch eine Aktivierung der Antagonisten, die ein Überschießen über die Zielposition hinaus verhindert. Das genaue Erreichen der Zielposition wird von einer erneuten Agonistenaktivierung realisiert. Das glatte Bewegungsprofil zur neuen Position (Spur 1) entsteht also durch eine komplexe Aktivierung und Deaktivierung aller Muskeln, die das betreffende Gelenk umspannen. Charakteristisch dafür ist ein triphasisches Aktivierungsmuster im EMG der entsprechenden Elektromyografie:triphasisches AktivierungsmusterMuskelgruppen (Aktivierungsmuster:triphasischesAgonist-Antagonist-Agonist).Einheit:motorische

Klinik

Myogene oder neurogene StörungErkrankungen der Muskeln können oft nur schwer von Erkrankungen der Nerven unterschieden werden. Neurophysiologische Untersuchungen wie die Elektroneurografie und das EMG werden angewandt, um zu untersuchen, ob das neuromuskuläre System zentral, peripher, an Nerv, Synapse oder Muskel, an Axon oder Myelinscheide geschädigt ist, und ob die Erkrankung akut, chronisch oder rezidivierend ist. Dabei kann die EMG-Analyse der Potenzialkonfiguration einzelner motorischer Einheiten sowie die Auswertung des Interferenzmusters der Summenaktionspotenziale bei der Differenzialdiagnose wichtige Hinweise liefern.

MyopathieBei einer Myopathie verringern sich sowohl die Zahl der Muskelfasern pro motorischer Einheit als auch die Zahl motorischer Einheiten. Daher haben die Aktionspotenziale motorischer Einheiten häufig eine verminderte Amplitude, eine verkürzte Dauer einzelner Anteile der Summenaktionspotenziale und eine vermehrte Polyphasie. Vermehrte Polyphasie bedeutet, dass die Potenziale anstelle der normalen di- oder triphasischen Konfiguration (Abb. 5.12) eine größere Zahl von Durchgängen durch die Null-Linie des EMG zeigen. Um eine bestimmte Muskelkraft bei Willkürinnervation zu erreichen, muss ein myopathisch erkrankter Muskel mehr motorische Einheiten rekrutieren als ein gesunder Muskel, da die Kraftentwicklung der Einzeleinheit durch die Myopathie reduziert ist. Daher tritt ein Interferenzmuster schon bei relativ geringer Kraftentwicklung auf.

NeuropathieKomplexer sind die Verhältnisse bei einer Neuropathie, da der Muskel völlig denerviert, teilweise denerviert oder bereits wieder reinnerviert sein kann. So kann die oben beschriebene Konfiguration der Aktionspotenziale bei einer Myopathie durchaus auch für eine frische Reinnervation sprechen.

Alle genannten Zeichen sind also allein weder absolut kennzeichnend noch obligat für Myopathien oder Neuropathien!

Muskelfasertypen
Einteilung
Skelettmuskelfaser:MyopathieMyopathie, ElektromyografieElektromyografie:MyopathieNeuropathie:ElektromyografieFür die Elektromyografie:Neuropathieunterschiedlichen Aufgaben der Skelettmuskulatur gibt es verschiedene Typen von Muskelfasern (Tab. 5.6, Abb. 5.14):Skelettmuskulatur:Muskelfasertypen
  • Typ-S-Fasern („Skelettmuskelfaser:Typenslow“), auch Gruppe-I-Einheiten genannt, entwickeln bei Einzelzuckungen und tetanischen Kontraktionen eine geringe Kontraktionskraft. Der Kraftanstieg ist langsam. Die Kontraktionskraft kann über lange Zeit aufrechterhalten werden, da die Muskelfasern aufgrund ihrer Enzymausstattung einen aeroben Stoffwechsel besitzen.

  • Typ-FR-Fasern („fast, fatigue-resistant“), auch als Gruppe-IIA-Fasern bezeichnet, entwickeln bei Einzelzuckungen und tetanischen Kontraktionen eine mittlere Kontraktionskraft. Sie kontrahieren sehr schnell, die Kontraktionskraft kann aber auch über lange Zeit aufrechterhalten werden, da in den FR-Muskelfasern aerober und anaerober Stoffwechsel parallel exprimiert sind.

  • Typ-FF-Fasern („fast, fast-fatigable“), auch Gruppe-IIB-Fasern genannt, entwickeln bei Einzelzuckungen und tetanischen Kontraktionen eine hohe Kontraktionskraft. Der Kraftanstieg ist sehr schnell. Bei lang anhaltenden Kontraktionen ermüden sie jedoch rasch, da sie nur einen niedrigen aeroben Stoffwechsel aufweisen.

Das ZNS aktiviert die unterschiedlichen motorischen Einheiten gezielt, und zwar bewegungsabhängig und aufgabenspezifisch (Tab. 5.6). Bei Kontraktionen, die nur eine geringe Kraft erfordern (z.B. Stehen), werden nur die Typ-S-Fasern (und einige Typ-FR-Fasern) aktiviert. Für höhere Kontraktionskräfte (z.B. Gehen, Laufen) wird ein größerer Anteil vom Typ FR in Aktion gebracht. Bei Bewegungen mit hoher Kontraktionskraft werden zusätzlich Fasern vom Typ FF mobilisiert.
Unterschiede
Funktionelle UnterschiedeLangsame und schnelle Muskelfasern unterscheiden sich in mehreren Punkten:
  • Die Geschwindigkeit der Kraftentwicklung sowohl am Anfang als auch am Ende einer Kontraktion ist bei den schnellen Fasern um den Faktor 2–4 schneller.

  • Die intrazelluläre KalziumkonzentrationKalziumkonzentration:intrazelluläre steigt bei den schnellen Fasern ungefähr 3-mal schneller an.

  • Die Aufstrichgeschwindigkeit des Aktionspotenzials, d.h. die Depolarisation, ist bei den schnellen Fasern schneller.

ATP-BedarfDieATP (Adenosintriphosphat):Bedarf unterschiedliche Verkürzungsgeschwindigkeit schneller und langsamer Muskelfasern spiegelt sich sowohl in der Aktin-Myosin-ATPase-Aktivität als auch in der Querbrückenkinetik. Eine höhere Geschwindigkeit der Kontraktion erfordert eine größere Geschwindigkeit des Filamentgleitens, d.h. der Anheftung und des Loslassens der Querbrücken und der ATP-Spaltung. Schnelle Muskeln arbeiten daher nicht mehr ökonomisch, wenn sie Haltearbeit verrichten müssen: ATP wird dann schneller gespalten, als es benötigt wird. Entsprechend ist auch die Wärmeproduktion bei gleicher Spannungsentwicklung z.B. beim M. extensor digitorum longus 3-mal größer als beim M. soleus.

MERKE

Energieproduktion und Geschwindigkeit der Kontraktion sind miteinander korreliert, da die Kontraktionsgeschwindigkeit von der Aktin-Myosin-ATPase-Aktivität abhängt.

Die maximale isometrische Kraft bei der tetanischen Kontraktion (s.u.) ist jedoch bei schnellen und langsamen Muskelfasern gleich (ca. 19–21 N/cm2).
Muskelmechanik
Kontraktionsformen

MERKE

Bei einem überschwelligen Reiz verkürzt sich die quergestreifte MuskulaturMuskulatur:quergestreifte oder entwickelt eine Spannung, wenn sie an der Verkürzung gehindert wird. Dieser Vorgang wird als MuskelzuckungMuskelzuckung bezeichnet.

Skelettmuskulatur:Kontraktion
Fünf verschiedene Arten von Skelettmuskulatur:MechanikMuskel:MechanikMuskelzuckungen können unterschieden werden (Abb. 5.15):
  • Isotonische Muskelzuckung: Ein Muskel zuckt isotonisch, wenn er sich bei Muskelzuckung:isotonische\bunveränderter Spannung, also z.B. bei Belastung durch ein frei zu hebendes Gewicht, verkürzen kann.

  • Isometrische Muskelzuckung: Ein Muskel arbeitet isometrisch, wenn er an Muskelzuckung:isometrische\bden Enden festgehalten wird, also bei unveränderter Länge nur Spannung entwickelt.

  • Auxotonische Muskelzuckung: Unter natürlichen Bedingungen arbeitet ein Muskel Muskelzuckung:auxotonischeweder isotonisch noch isometrisch, sondern ändert gleichzeitig seine Länge und seine Spannung. Er vollführt eine auxotonische Kontraktion.

  • Unterstützungszuckung: Wenn ein zu hebendes Gewicht nicht frei am Skelettmuskulatur:UnterstützungszuckungMuskel hängt, sondern auf einer Unterlage ruht, wird der Muskel zunächst isometrisch arbeiten. Erst dann, wenn er das Gewicht durch die entwickelte Spannung heben kann, wird er sich isotonisch verkürzen. Man spricht in diesem Fall von einer Unterstützungszuckung. In dieser Weise arbeitet z.B. die Muskulatur der Herzkammern: Sie kontrahiert sich zunächst isometrisch und kann sich erst verkürzen, wenn die von ihr erzeugte Spannung groß genug ist, um den diastolischen Druck in der Aorta bzw. in der A. pulmonalis zu überwinden und das Blut auszuwerfen (Kap. 9.2.3).

  • Anschlagszuckung: Gewissermaßen das Gegenstück zur Skelettmuskulatur:AnschlagszuckungUnterstützungszuckung ist die Anschlagszuckung: Ein frei am Muskel hängendes Gewicht wird zunächst isotonisch gehoben, bis es an einem Anschlag festgehalten wird, sodass die weitere Kontraktion isometrisch erfolgt.

Abhängigkeit der Kontraktionskraft von der Muskellänge
Muskel:KontraktionskraftSkelettmuskel:KontraktionskraftMuskulatur:quergestreifteRuhedehnungskurveDer ruhende Muskel zeigtHerzmuskulatur:Kontraktionskraft ein typisches Ruhedehnungskurve:SkelettmuskelMuskel:Ruhedehnungskurvemechanisches Skelettmuskulatur:RuhedehnungskurveVerhalten bei Änderungen seiner Länge (Abb. 5.15): Wird ein isolierter Muskel mit Gewichten belastet, d.h. gedehnt, nimmt seine Länge erst stärker, dann schwächer zu (Ruhedehnungskurve). L0 ist die Basislänge ohne dehnende Kraft.

MERKE

Die Ruhedehnungskurve gibt die passive Dehnbarkeit:SkelettmuskelDehnbarkeit des ruhenden Muskels wieder: Mit zunehmender Dehnung des Muskels muss eine immer größere Kraft aufgewendet werden, um ihn noch weiter dehnen zu können.

Der Dehnungswiderstand des Gesamtmuskels ist überwiegend durch elastische Elemente bedingt (Titin, Sarkolemm und Bindegewebe), die parallel bzw. in Serie zu den kontraktilen Fibrillen angeordnet sind. Elastische Elemente, die mit den krafterzeugenden kontraktilen Elementen in Serie liegen (die Sehnenansätze der Muskelfasern), sind für die Ruheelastizität von geringer Bedeutung.
Die Elastizität des Muskels folgt also nicht dem Hooke-Gesetz, welches einen linearen Zusammenhang zwischen Spannung und Dehnung bei elastischer Beanspruchung (z.B. einer mechanischen Feder) beschreibt. Der Elastizitätsmodul (das Verhältnis aus Kraft und Längenzunahme) steigt mit zunehmender Dehnung an.
ArbeitsdiagrammVon jedem Punkt der Ruhedehnungskurve aus kann man den Muskel eine isometrische oder eine isotonische Einzelzuckung ausführen lassen (Abb. 5.15). Eine maximale isotonische Kontraktion vom Punkt R1 der Ruhedehnungskurve führt zum Punkt It, eine maximale isometrische Kontraktion zum Punkt Im. Führt man den gleichen Versuch für mehrere Punkte der Ruhedehnungskurve aus, ergibt die Verbindung der gefundenen Punkte It die Kurve der isotonischen Maxima und die Verbindung der Punkte Im die Kurve der isometrischen Maxima.Maxima:isotonische
Bei der Unterstützungszuckung kontrahiert der Muskel Maxima:isometrischezunächst isometrisch, bis er ein bestimmtes Gewicht (z.B. Punkt U1) zu heben vermag, und verkürzt sich dann isotonisch weiter bis zum Punkt U2. Bei der Anschlagszuckung verkürzt sich der Muskel zunächst ohne Änderung der Spannung (z.B. bis zum Punkt A1). Am Punkt A1 wird die Bewegung durch einen Anschlag gehemmt, und der Muskel spannt sich nun isometrisch weiter bis zum Punkt A2. Für jeden Punkt der Ruhedehnungskurve ergeben sich auf diese Weise eine Kurve der Unterstützungszuckungen und eine Kurve der Anschlagszuckungen, je nachdem, wie groß man das Unterstützungsgewicht wählt bzw. wie weit man die Verkürzung bis zum Anschlag erlaubt.
GesamtkraftDie Differenz zwischen der entwickelten Gesamtspannung und der passiv erzeugten Spannung ist gleich der aktiv entwickelten Kraft des Muskels. Die Gesamtkraft eines Muskels ist proportional zu seiner Größe und wird am besten ausgedrückt als Kraft pro Muskelquerschnittsfläche. Die aktiv entwickelte Kraft ist somit proportional zur Zahl der aktiven Querbrücken, die interagieren können. Bei der Länge L0 entwickelt ein Muskel ein Maximum an aktiver Kraft. Es ist davon auszugehen, dass bei der Länge L0 die Sarkomerlänge etwa 2,2 μm beträgt (s.a. Abb. 5.6). Wie bei einzelnen Muskelfasern sinkt die aktiv entwickelte Kraft bei der Kontraktion des gesamten Muskels bei Längen oberhalb und unterhalb von L0 steil ab.
KalziumsensitivitätDie Muskulatur:quergestreifteKalziumsensitivität nimmt mit der Muskeldehnung zu. Diese Abhängigkeit der Kalziumsensitivität, MuskelKalziumsensitivität von der Muskellänge ist am Herzmuskel so ausgeprägt, dass der Frank-Starling-Mechanismus hauptsächlich darauf beruht (Kap. 9.1). Es ist jedoch davon auszugehen, dass analog zum Herzen auch am Skelettmuskel die Kalziumsensitivität bei Muskeldehnung zunimmt und dass Troponin C als ein Längensensor wirkt.
Abhängigkeit der Kontraktionskraft von der Erregungsfrequenz
Muskel:KontraktionskraftSkelettmuskel:KontraktionskraftSuperpositionFolgt auf einen einzelnen übermaximalen Reiz vor Superposition, Skelettmuskulaturdem Ende derSkelettmuskulatur:Superposition Muskelrelaxation ein zweiter Reiz, setzt sich die nächste Kontraktion auf die vorangegangene auf und erreicht einen höheren Gipfel, d.h. eine noch stärkere Muskelverkürzung: Es kommt zur Superposition oder Summation der Zuckungen (Abb. 5.16).

MERKE

Bei einer Serie von Reizen stellt sich durch Superposition von Einzelzuckungen eine Dauerkontraktion ein.

Tetanische Kontraktion, FusionsfrequenzDurch Superposition von Einzelzuckungen entsteht Kontraktion:tetanischeFusionsfrequenz, Skelettmuskulatureine unvollständige tetanische Kontraktion. Wird die Reizfrequenz weiter erhöht, erreicht der Muskel schließlich einen Zustand, bei welchem keine Einzelzuckungen mehr erkennbar sind (vollständige tetanische Kontraktion). Diejenige Reizfrequenz, die gerade eine vollständige tetanische Kontraktion auslöst, nennt man Fusionsfrequenz. Die Höhe der tetanischen Fusionsfrequenz hängt vom Typ der Skelettmuskeln ab (Tab. 5.6). Bei Innervation des Muskels in situ betragen die Frequenzen der Aktionspotenziale in den α-Motoneuronen jedoch nur selten mehr als 25 Hz. Obwohl diese Erregungsfrequenzen nur unvollständige tetanische Kontraktionen auslösen, führen die Skelettmuskeln „glatte“ Kontraktionen aus, weil die verschiedenen motorischen Einheiten eines Muskels asynchron erregt werden.

MERKE

Fusionsfrequenz ist diejenige Reizfrequenz, die gerade eine vollständige tetanische Kontraktion auslöst.

Abhängigkeit der Kontraktionskraft von der Verkürzungsgeschwindigkeit
Muskel:KontraktionskraftSkelettmuskel:KontraktionskraftVerkürzungsgeschwindigkeitJe weniger der Muskel be-„lastet“ wird (im Skelettmuskulatur:VerkürzungsgeschwindigkeitHerzmuskulatur:VerkürzungsgeschwindigkeitSinne des Tragens einer Last), desto schneller kann er kontrahieren. Diese – zunächst sehr einfach klingende – Beziehung zwischen der Verkürzungsgeschwindigkeit und der Größe der Last eines Muskels verläuft aber nicht linear, sondern in Form einer Hyperbel (Hill-Hyperbel, Abb. 5.17). Ein Muskel verkürzt sich also relativ schnell, Hill-Hyperbelwenn er eine kleine Last trägt, also nur wenig Kraft aufbringen muss; dagegen verkürzt er sich überproportional langsam, wenn er viel Kraft für ein schweres Gewicht aufbringen muss. Bei einer Verkürzungsgeschwindigkeit von null ist der Punkt der maximalen isometrischen Kraft Fmax erreicht.
Ein maximal isometrisch kontrahierter Muskel kann einer noch größeren Kraft widerstehen, bevor er mit zunehmender Geschwindigkeit verlängert wird (Abb. 5.17). Die Kraft, mit der die Querbrücken bei maximaler isometrischer Kontraktion anheften, ist größer als die Kraft, die während einer Kontraktion mit Verkürzung entwickelt werden kann. Der Muskel kann mit dem 1,6-Fachen von Fmax belastet werden, bevor sich die Querbrücken lösen und der Muskel rasch länger wird (Abb. 5.17). Diese Tatsache ist physiologisch wichtig, wenn sich der Muskel kontrahiert, um eine Körperbewegung abzubremsen, z.B. wenn man bergab geht.
WirkungsgradEin Muskel arbeitet dann mit dem größten Wirkungsgrad:SkelettmuskulaturWirkungsgrad:HerzmuskulaturHerzmuskulatur:Wirkungsgradmechanischen Skelettmuskulatur:WirkungsgradWirkungsgrad, wenn er optimal belastet wird. Dies zeigt die Abhängigkeit der Leistung des Muskels von der Last bzw. Kraft (gestrichelte Linie in Abb. 5.17). Die Leistung oder die Arbeit pro Zeit ist das Produkt aus Kraft und Geschwindigkeit. Die maximale Leistung ist bei einer Last von ca. 0,3 Fmax möglich.
Ineffiziente Kontraktionen sind oft physiologisch wichtig, wenn entweder hohe Geschwindigkeiten oder maximale Kräfte entwickelt werden müssen. Bei der Tätigkeit des Muskels im Organismus wird ein mechanischer Wirkungsgrad von ca. 30% erreicht. Der größte Teil der bei körperlicher Arbeit verbrauchten Energie wird somit in Form von Wärme freigesetzt (Kap. 15.2).
Regulation der Kontraktionskraft
Die Herzmuskulatur:KontraktionskraftSteuerung der Kontraktionskraft ist Skelettmuskulatur:Kontraktionskraft, Steuerungeiner der entscheidenden Parameter, der zur Bewegung führt. Im Skelettmuskel wird die Kontraktionskraft durch folgende Mechanismen variiert:
  • Frequenzcodierung: Die Erregungsfrequenz der einzelnen motorischen Einheiten wird variiert. Bei tetanischer Erregung steigt die Kontraktionskraft auf mehr als das Doppelte der Kraftentwicklung bei Einzelerregung (Abb. 5.16), wodurch der Spielraum für die Regulation, vor allem aber die feine Abstufung der Kontraktionskraft gegeben ist. Der Kraftanstieg beruht dabei nicht darauf, dass Kalzium stärker ansteigt, sondern darauf, dass die hohe Kalziumkonzentration im Tetanus längere Zeit auf die Myofilamente einwirken kann.

  • Rekrutierung: Eine unterschiedliche Zahl motorischer Einheiten innerhalb eines Muskels wird gleichzeitig erregt. Jede Einheit hat dabei ihre eigene Rekrutierungsschwelle. Bei steigender Kontraktionskraft ist die Rekrutierungsabfolge relativ stereotyp von zuerst S- über FR- nach FF-Fasern. Die Kontraktionskraft kann dabei nicht sehr fein abgestuft werden (immer nur als Vielfaches von motorischen Einheiten), ist dafür aber um das 5–10-Fache steigerbar.

Muskeln mit einem kleinen Innervationsverhältnis (äußere Augenmuskeln, Finger) steuern ihre Kontraktionskraft vorwiegend über die Frequenzcodierung, Muskeln mit einem großen Innervationsverhältnis (rumpfnahe Extremitätenmuskeln) vorwiegend über die Rekrutierung. Beide Phänomene können mithilfe des EMG untersucht werden (s.o.).
Energiehaushalt
ATP-Umsatz
ATP (Adenosintriphosphat):BedarfRuheverbrauchIm ruhenden Muskel wird ATPMuskel:Energiehaushalt Skelettmuskulatur:EnergiehaushaltMuskulatur:Energiehaushaltfür die Funktion der Muskulatur:ATP-Umsatzverschiedenen Ionenpumpen und für Syntheseleistungen benötigt. Dieser Ruhe-ATP-Verbrauch ist jedoch nur ein kleiner Teil des ATP-Umsatzes bei Kontraktion.
Verbrauch bei KontraktionDer ATP-Umsatz im Skelettmuskel wird bestimmt von der Last, dieMuskelkontraktion:Energiebedarf am Muskel angreift, und vom Typ des Myosin-Isoenzyms:
  • Bei isometrischer Kontraktion ist die Frequenz des Querbrückenzyklus Muskelkontraktion:isometrischeniedrig. Sie wird Muskelzuckung:isometrischeweiter reduziert, wenn ein Muskel gleichzeitig gedehnt wird. Diese Situation wird auch als negative Arbeit bezeichnet. Eine derartige Dehnung während der Kontraktion geschieht immer dann, wenn die Muskulatur die Geschwindigkeit des Körpers abbremst (z.B. Treppengehen abwärts). Bei isotonischen Kontraktionen steigt die Frequenz der Querbrückenzyklen Muskelzuckung:isotonischeund damit der Muskelkontraktion:isotonischeATP-Verbrauch proportional zur mechanischen Leistung des Muskels. Dabei sind insbesondere hohe Geschwindigkeiten bei geringer Last mit einem extrem hohen ATP-Verbrauch verbunden.

  • Die Verkürzungsgeschwindigkeit ist letztlich durch die Art der Myosin-Isoenzyme limitiert. Schnelle Fasern mit einem Myosin-Isoenzym mit hoher ATP-Hydrolyse-Rate verbrauchen mehr Energie als langsame Fasern.

ATP-Bildung und Substratverbrauch
Mechanismen der ATP-BildungDie MechanismenATP (Adenosintriphosphat):MuskulaturMuskulatur:ATP-Bildung der ATP-BildungSkelettmuskulatur:ATP-Bildung sind im Skelettmuskel die gleichen wie in allen anderen Körperzellen. Allerdings gibt es große Unterschiede in der relativen Bedeutung der einzelnen Mechanismen zwischen verschiedenen Muskeltypen. Folgende Besonderheiten zur ATP-Bildung im Muskel sind zu beachten (s.a. Kap. 20.3.1):
  • Die Bildung von ATP durch direkte Phosphorylierung von ADP aus Kreatinphosphat ist ein extrem schneller Vorgang. Die Kreatinphosphatkonzentration beträgt etwa 10–20 μmol/g Feuchtgewicht, was für nur wenige Kontraktionen ausreicht. In einer anderen Phosphorylierungsreaktion entsteht unter dem Einfluss der Adenylatkinase aus 2 Molekülen ADP je ein Molekül ATP und AMP.

  • Die anaerobe Glykolyse verläuft sehr rasch und gewährleistet vorübergehend eine Glykolyse:anaerobe, Muskulaturausreichende ATP-Produktion auch in sehr schnellen Muskeln. Sie ist während inadäquater O2-Versorgung immer von Bedeutung, z.B. bei Beginn der Arbeit, wenn im Muskel ein O2-Defizit herrscht.

  • Die oxidative Phosphorylierung von Fettsäuren und von Glykosylresten aus Phosphorylierung, oxidative:MuskulaturGlykogen ist die wichtigste Energiequelle im Muskel. Sie liefert Glykogen:ATP-Bildungkontinuierlich ATP bei adäquater Durchblutung. Da sie jedoch langsam abläuft, kann sie den maximalen ATP-Verbrauch schneller Muskeln nicht vollständig decken.

MERKE

Die Oxidation von Fettsäuren und von Glukose aus Glykogen, das im Muskel gespeichert ist, ist die wichtigste Energiequelle bei andauernder Muskelarbeit.

Abhängigkeit von der Art der ArbeitDie Frage, ob im Muskel vermehrt Fette oder Kohlenhydrate oxidiert werden, hängt von der Schwere und der Dauer der Arbeit ab und damit auch vom Typ der Muskelfasern:
  • Schwere körperliche Tätigkeiten oberhalb 75–80% des maximalen O2-Verbrauchs (mehr als 150 Watt) können überwiegend nur durch Oxidation von Glukose aus Muskelglykogen bestritten werden. Dementsprechend hängt die mögliche Maximaldauer dieser Arbeit von der Höhe der Glykogenkonzentration im Muskel zu Beginn der Arbeit ab. Im ruhenden Muskel beträgt die Glykogenkonzentration 50–100 μmol Glukoseeinheiten pro 1 g Muskel (feucht).

  • Viele Stunden dauernde Muskelarbeiten werden überwiegend durch Fettsäureoxidation bestritten. Entsprechend beträgt der respiratorische Quotient RQ mehrFettsäuren:ATP-Bildung als 0,9 bei schwerer und ca. 0,8 bei leichterer Muskelarbeit (Kap. 15.4.1).

Abhängigkeit vom SauerstoffEs dauert etwa 1–2 min nach Beginn einer Arbeit, bis die Muskeldurchblutung und damit der O2-Antransport dem Bedarf angepasst ist. Somit entsteht ein O2-Defizit (s.a. Kap. 20.4.1), währenddessen Energie durch den Abbau von ATP- und Kreatinphosphatreserven bzw. den Abbau von Glykogenreserven (wobei Laktat entsteht) bereitgestellt wird. In der Erholungsphase sinkt der O2-Verbrauch nicht sofort auf den Ruhewert, weil Sauerstoff u.a. zum Wiederaufbau der energiereichen Phosphate und zur Laktatumwandlung benötigt wird.
Koordination von Energiestoffwechsel und Kontraktion
In schnellen Zuckungsfasern vom glykolytischen Typ werden die Glykogenreserven innerhalb von Sekunden nach Beginn der Arbeit mobilisiert. Dies wird durch einen Anstieg der Ca2+-Konzentration im Myoplasma vermittelt, weil Ca2+ die Phosphorylasekinase stimuliert. Die Regulation gleicht der Kontraktionsauslösung durch Ca2+, obwohl die beteiligten Proteine, die Ca2+ binden, in beiden Fällen verschieden sind (Abb. 5.18).

MERKE

Die intrazelluläre Ca2+-Konzentration koordiniert in einer konzertierten Aktion unterschiedliche zelluläre Mechanismen der Skelettmuskelzellen wie Glykogenabbau und Aktin-Myosin-Querbrückenmechanismus.

Wärmeproduktion bei Muskelarbeit
Im Muskel werden ca. 70% der verbrauchten Skelettmuskulatur:Wärmeproduktionchemischen Energie in Muskulatur:WärmeproduktionWärme umgewandelt (s.a. Kap. 16.2). Dabei sind die folgenden Wärmearten zu unterscheiden:
  • Aktivierungswärme: Unabhängig von der mechanischen Leistung des Aktivierungswärme, SkelettmuskulaturMuskels entsteht durch die Wechselwirkung zwischen Aktin und Myosin zu Beginn jeder Arbeit die Aktivierungswärme.

  • Erhaltungswärme: Sie wird im Verlauf der Muskeltätigkeit durch Erhaltungswärme, Skelettmuskulaturden Querbrückenmechanismus mit ATP-Verbrauch fortlaufend gebildet.

  • Erholungswärme: Sie entsteht u.a. durch chemische Prozesse, die Erholungswärme, Skelettmuskulaturdafür sorgen, dass Energiespeicher wieder aufgefüllt werden. Dazu gehören z.B. die Synthese von Kreatinphosphat im Muskel und Glykogen in der Leber.

Milchsäurefreisetzung und Kalium

MERKE

Im arbeitenden Muskel wird Milchsäure produziert, wenn der O2-Bedarf den O2-Antransport infolge inadäquater Durchblutung, z.B. in der Phase des O2-Defizits, überschreitet.

AzidoseEntsprechend dem niedrigen pK-Wert von 3,9 wird Milchsäure sofort in das Azidose:SkelettmuskulaturLaktatanion und H+ gespalten. Es entsteht intrazellulär und, nach FreisetzungLaktat:Skelettmuskulatur, auch extrazellulär eine Azidose, wobei der arterielle pH-Wert auf ca. 7,0 absinken kann. Laktat- und insbesondere H+-Ionen werden – abhängig von der Höhe der Muskeldurchblutung – langsamer freigesetzt als gebildet. Die intrazelluläre Laktatkonzentration steigt daher während des O2-Defizits auf über 20 μmol/g.
Kalium-Netto-EffluxIm arbeitenden Muskel verursacht jedes Aktionspotenzial einen Na+-Einstrom und einen K+-Ausstrom (7–16 Kalium:Auswärtsstromnmol K+ pro g Muskel pro Aktionspotenzial). Obwohl die Aktivität der Na+/K+-ATPase durch den Anstieg des intrazellulären Na+ und des extrazellulären K+ gesteigert wird, kommt es zu einem K+-Netto-Efflux aus dem Muskel während der Arbeit. Im Interstitium des arbeitenden Muskels steigt dadurch die K+-KonzentrationKaliumkonzentration:extrazelluläre auf über 9 mmol/l und im arteriellen Blut auf 7–8 mmol/l. In den ruhenden Muskeln wird durch Katecholamine und Insulin die Na+/K+-ATPase stimuliert, was zur Senkung der hohen K+-Insulin:SkelettmuskulaturKonzentration bei Muskelarbeit beiträgt.
Die funktionelle Bedeutung des K+-Anstiegs im Interstitium des arbeitenden Skelettmuskels und im Blut für die Regulation der Muskeldurchblutung sowie von Atmung und Kreislauf bei Arbeit ist noch nicht eindeutig geklärt.
Muskelveränderungen
Muskelermüdung
Bei der Muskelermüdung liegt eine Skelettmuskulatur:VeränderungenreversibleMuskulatur:VeränderungenSkelettmuskel:Ermüdung Herabsetzung seiner Muskel:ErmüdungFunktionsfähigkeit vor. Als Gründe für eine Muskelermüdung kommen infrage:
  • eine Ermüdung des ZNS

  • K+-Ansammlungen im extrazellulären Raum

  • Phosphat- und Laktatanhäufung (intrazelluläre Azidose) in der Muskelzelle

  • Entleerung von intramuskulären Glykogenspeichern

  • Absinken des Blutglukoseespiegels

Physiologische Veränderungen der Muskulatur
HypertrophieDer Skelettmuskel passt seine Hypertrophie:SkelettmuskulaturLeistungsfähigkeit der Skelettmuskulatur:Hypertrophiejeweiligen Belastung an. Ein Krafttraining z.B. bewirkt im Einzelfall eine ausgeprägte Hypertrophie der Muskulatur. Das Dickenwachstum des Muskels kommt dabei durch eine Querschnittsvergrößerung der einzelnen Muskelfasern mit Vermehrung der Myofibrillen zustande.
HyperplasieTheoretisch könnte trainingsbedingt auch die Zahl der Skelettmuskulatur:HyperplasieHyperplasie:SkelettmuskulaturMuskelfasern zunehmen (Hyperplasie), was beim Menschen jedoch nur sehr selten nachgewiesen werden konnte.

Klinik

MuskelkaterUngewohnte Kraft- und Dauerleistungen mit Überschreiten der Belastungsgrenze können zum Muskelkater führen. Die Belastungsgrenze kann z.B. beim Treppabgehen und Bergabgehen überschritten werden, wenn die von außen angreifende Kraft größer ist als die entwickelte Muskelspannung. Die dabei auftretenden intramuskulären Kräfte liegen um etwa das 3-Fache über denen bei maximaler dynamischer Kontraktion wie z.B. beim Fahrradfahren oder Laufen, wo die aufgewendete Muskelspannung größer ist als die von außen angreifende Kraft. Diese hohen intramuskulären Kräfte führen dazu, dass die Z-Scheiben der Sarkomere zerreißen, was licht- und elektronenmikroskopisch nachweisbar ist. Das Zerreißen setzt die Kontraktionskraft herab, verursacht aber keine (!) Schmerzen. Erst wenn die zerstörten Strukturen abgebaut werden, Flüssigkeit in das Interstitium einströmt und bestimmte Substanzen freigesetzt werden (Histamin, Prostaglandine), werden Nozizeptoren im Skelettmuskel gereizt. Schmerzen beginnen dann innerhalb von 24 Stunden nach der Anstrengung und erreichen nach bis zu 72 Stunden ihr Maximum. Sie verschwinden spontan nach einigen Tagen bis spätestens einer Woche. Die betroffenen Muskeln sind steif, oft hart und geschwollen und werden als kraftlos empfunden.

Glatte Muskulatur

G. Pfitzer, Skelettmuskulatur:MuskelkaterJ. Z-Scheibe:MuskelkaterMuskelkaterHeschelerHistamin:Muskelkater
Bauprinzip und funktionelle Klassifikation
Aufbau der glatten Muskulatur
MuskelzelleDie Prostaglandin(e):MuskelkaterMuskulatur:glatteMuskulatur:glattespindelförmigen glatten Klassifikation:glatte MuskulaturMuskelzellen haben einen zentral gelegenen Kern. Ihr Durchmesser beträgt etwa 5 μm. Ihre Länge ist variabel und kann mehrere 100 μm betragen. Glatte Muskelzellen sind in eine Bindegewebsmatrix eingebettet, deren dehnbare elastischen Fasern und wenig dehnbaren Kollagenfasern die passiven elastischen Eigenschaften der glatten Muskulatur mitbestimmen.
MinisarkomereIn der glatten Muskulatur fehlt die für die Herz- und Skelettmuskulatur typische Minisarkomerreguläre Myofibrillenstruktur mit den durch die Z-Scheiben begrenzten Sarkomeren. Statt der Z-Scheiben findet man im Zellinneren „Dense Bodies“ und entlang des Sarkolemms „Dense Bands“, die beide das Z-Scheibenprotein α-Dense BodiesAktinin enhalten. Diese funktionellen Dense BandsÄquivalente der Z-Scheiben <03B1>-Aktinin:glatte Muskulaturverankern die dünnen Filamente, die zusammen mit den zwischen ihnen liegenden dicken Filamenten sog. Minisarkomere bilden. Da die Minisarkomere nicht streng parallel angeordnet sind, fehlt die Querstreifung (Abb. 5.19).
Dünne FilamenteDie sehr viel Filament:dünneslängeren dünnen Filamente bestehen wie in der quergestreiften Muskulatur aus filamentärem Aktin (F-Aktin) und Tropomyosin. Es fehlt ihnen aberAktinfilamente:glatte Muskulatur der F-Aktin:glatte MuskulaturAktin:glatte MuskulaturRegulatorkomplex Troponin. Stattdessen Tropomyosin:glatte Muskulaturfungiert Calmodulin als Kalziumsensor. Calmodulin ist ein kleines zytoplasmatisches Calmodulin:glatte MuskulaturProtein, das 4 Ca2+-Bindestellen hat und als (Ca2+)4-Calmodulin-Komplex die Myosin-Leichtketten-Kinase (MLCK) aktiviert (s.u.). An die MLCK (Myosin-Leichtketten-Kinase):glatte MuskulaturCalmodulin-Kalzium-KomplexAktinfilamente Myosin-Leichtketten-Kinase:glatte Muskulatursind außerdem die Proteine Caldesmon und Calponin gebunden. Insbesondere Caldesmon ist vermutlichCaldesmon an der Regulation der Kontraktion Calponinbeteiligt, wobei die physiologische Bedeutung noch nicht vollständig aufgeklärt ist.
Dicke FilamenteDie dicken Filament:dickesMyosinfilamente der glatten Muskulatur haben weder eine zentrale querbrückenfreie Zone Myosin:glatte Muskulaturnoch eine bipolare Orientierung der Myosinköpfe. Statt einer helikalen Anordnung sind die Myosinmoleküle bandförmig angeordnet. Die Myosinköpfe ragen aus den Filamenten mit einer seitenpolaren oder antiparallelen Orientierung heraus, d.h. sie sind auf den beiden Seiten der Filamente in entgegengesetzter Richtung orientiert (Abb. 5.19). Für die Regulation der Kontraktion ist die regulatorische leichte Kette (MLC) von Bedeutung, die sich im Hebelarmbereich der Myosinkopfdomäne befindet.
Intermediäre FilamenteDie intermediären Filamente, deren Durchmesser mit 10Filament:intermediäres, glatte Muskulatur nm zwischen dem der dicken Myosin- und dünnen Aktinfilamente liegt, bilden ein drittes Filamentsystem, das die Dense Bodies und Dense Bands miteinander vernetzt (Abb. 5.19). Sie bilden das Zytoskelett der glatten Zytoskelett:glatte MuskulaturMuskelzellen und bestehen aus Desmin, Vimentin und Filamin.
SR, CaveolaeDas sarkoplasmatischeDesmin Retikulum (VimentinSRRetikulum:sarkoplasmatisches) kann 7% des Zellvolumens Filaminausmachen und wie im Herz- und Skelettmuskel Ca2+ speichern. Im Bereich der Caveolae, Einstülpungen der Zellmembran, liegen u.a. die Rezeptoren für Neurotransmitter Caveolaeund Hormone und die von ihnen aktivierten G-Proteine wie auch Ionenkanäle in besonders hoher Dichte vor.

MERKE

Glatte Muskelzellen enthalten statt des Troponins der quergestreiften Muskulatur (Skelett- und Herzmuskelfasern) als kalziumbindendes Protein das Calmodulin. Die Myofilamente sind in Minisarkomeren organisiert.

Phänotyp glatter Muskelzellen
Die extrazelluläre Matrix der glatten Muskulatur wird durch die glatten Matrix, extrazelluläre:glatte MuskulaturMuskelzellen synthetisiert und sezerniert. Allerdings ist die Syntheserate der Matrixproteine in differenzierten glatten Muskelzellen gering. Dagegen ist die Expression der kontraktilen Proteine wie auch die Kontraktilität hoch. Man nennt diesen Phänotyp deshalb kontraktil. Embryonale glatte Muskelzellen sind dagegen wenig kontraktil, der Expressionsgrad der kontraktilen Proteine ist entsprechend niedrig. Dafür ist die Synthese- und Sekretionsrate von Proteinen der extrazelluären Matrix hoch. Da auch die Proliferationsrate hoch ist, nennt man diese unreifen glatten Muskelzellen sekretorisch-proliferativ. Glatte Muskelzellen sind nicht terminal differenziert. Daher kann sich der differenzierte, kontraktile Phänotyp insbesondere unter pathologischen Bedingungen, wie z.B. beim Bluthochdruck, der Arteriosklerose oder beim Asthma bronchiale in den sekretorischen Phänotyp umwandeln. Der Phänotypwechsel wird durch verschiedene Transkriptionsfaktoren reguliert.
Zellverbindungen
Glatte Muskelzellen sind untereinander sowohl mechanisch im Bereich der Dense Bands als auch elektrisch durch Gap Junctions (Kap. 3.4) verbunden. Anhand der elektrischen Koppelung Gap Junctions:glatte Muskulaturwerden 2 Typen von glatter Muskulatur unterschieden:
  • Multi-Unit-Typ: Die Muskelzellen sind stark vegetativ innerviert, während die Multi-Unit-Typelektrische Koppelung eher wenig entwickelt ist. Beispiele für diesen Typ sind die glatten Muskeln der Iris, des Ductus deferens und einige Arterien.

  • Single-Unit-Typ: Die Muskelzellen sind elektrisch gut gekoppelt. Ein Single-Unit-Single-Unit-TypZellverband kontrahiert bei Erregung praktisch gleichzeitig (funktionelles Synzytium). Dieser Typ findet sich in vielen Blutgefäßen, vorSynzytium, funktionelles:glatte Muskulatur allem aber in den Wänden der meisten viszeralen Organe. Die Harnblase wird beispielsweise durch die synchrone Aktivierung aller glatter Muskeln entleert.

Diese Einteilung reflektiert die Steuerung der Kontraktionskraft. Multi-Unit-Muskeln variieren die Kontraktionskraft neurogen analog zum Skelettmuskel, d.h., die einzelnen Myozyten bzw. kleinere funktionelle Einheiten werden direkt durch die vegetativen Nervenfasern erregt. Single-Unit-Muskeln sind spontan, d.h. myogen, aktiv. Ihre Kontraktionskraft wird aber durch das vegetative Nervensystem moduliert (s.u.). Allerdings können die meisten glatten Muskeln nicht streng dem einen oder anderen Typ zugeordnet werden, da die Innervationsdichte und die elektrische Koppelung recht unterschiedlich ausgeprägt ist.
Organtypische Kontraktionsformen
Die glatte Muskulatur ist Bestandteil der Wände der inneren Hohlorgane sowie der Blutgefäße und der Atemwege. Im Gastrointestinal- und Urogenitaltrakt bilden ihre rhythmische Kontraktionen die Grundlage für die Peristaltik, die für den den Weitertransport des jeweiligen Inhalts dieser Organe verantwortlich ist. Der Füllung beispielsweise des Magens oder der Harnblase darf jedoch kein zu großer Widerstand entgegensetzt werden, da es sonst zu einem Rückstau käme, wobei diese Organe durch die Bindegewebsmatrix vor einer Überdehnung geschützt werden. Im Gegensatz dazu muss in den Arterien durch Dauerkontraktionen verhindert werden, dass Änderungen des transmural wirkenden Drucks zu nennenswerten Änderungen des Gefäßdurchmessers und damit des Strömungswiderstands führen. Die glatte Muskulatur beantwortet diese ganz unterschiedlichen funktionellen Anforderungen mit 2 Klassen von Kontraktionsformen, die sich durch ihre Kontraktionsgeschwindigkeit, aber auch durch die Erregungs-Kontraktions-Koppelung unterscheiden (Abb. 5.20):
  • Phasische glatte Muskeln gehörenMuskulatur:glatte in der Regel dem Single-Unit-Typ an. Man findet sie vor allem im Gastrointestinal- und Urogenitaltrakt, aber auch in bestimmten Blutgefäßen wie der Portalvene. Sie kontrahieren und erschlaffen verhältnismäßig schnell und sind in der Regel nicht in der Lage, große Kräfte über eine lange Zeit aufrechtzuerhalten. Die Summation der Einzelzuckungen führt zu tetanischen Dauerkontraktionen, auch Spasmus genannt. Da die Dauer der Einzelzuckungen viel länger als im Skelettmuskel ist, ist die Tetanusfusionsfrequenz deutlich niedriger.

  • Tonische glatte Muskeln Muskulatur:glattekontrahieren und erschlaffen wesentlich langsamer. Sie sind darauf spezialisiert, ihre Spannung über lange Zeit und mit sehr geringem Energieaufwand aufrechtzuerhalten. Man findet diesen Typ in den großen Arterien und in den Sphinkteren des Gastrointestinal- und des Harntrakts. Aber auch tonisch kontrahierende glatte Muskeln müssen in der Lage sein, rasch ihren Spannungszustand zu ändern. Bespielsweise müssen die Sphinkteren kurzfristig erschlaffen, um den Inhalt des Gastrointestinal- und des Harntrakts passieren zu lassen.

Verantwortlich für die hohe Variabilität der glatten Muskulatur ist die organspezifische Expression von membranständigen Rezeptoren, Ionenkanälen und Proteinen des kontraktilen Apparats.
Erregungs-Kontraktions-Koppelung
Anders als die „klassischen“ erregbaren Zellen zeigen die glattenErregungs-Kontraktions-Koppelung Muskelzellen eine große Variabilität der elektrischen Signale (Abb. 5.20): Während die tonischen glatten Muskeln von Blutgefäßen beispielsweise kein Aktionspotenzial ausbilden, sondern über die Steady-State-Eigenschaften der Ionenkanäle die Zellmembran depolarisieren und so den Ca2+-Einstrom regulieren, haben die Aktionspotenziale der glatten Muskelzellen vom Single-Unit-Typ des Magen-Darm-Aktionspotenzial:glatte MuskulaturTrakts und der Blase eine regelmäßige oszillierende Form, die myogen von membranständigen Oszillatoren ausgeht (Abb. 5.20). Diese Oszillatoren bewirken in den Oszillator:glatte MuskulaturSchrittmacherzellen (Cajal-Zellen), ausgehend von einem RuhemembranpotenzialSchrittmacherzelle, glatte Muskulatur von 70 mV bis 40 mVCajal-Zelle:glatte Muskulatur, eine Spontandepolarisation, die Ruhemembranpotenzial:glatte Muskulaturelektrotonisch über Gap Junctions zu den glatten Muskelzellen weitergeleitet wird. Wird dort das Schwellenpotenzial erreicht, öffnen sich spannungsabhängige KalziumkanäleKalziumkanal:spannungsabhängiger und es kommt zu Ca2+-Aktionspotenzialen, sog „spikes“. (Abb. 5.20c). Die Frequenz der Aktionspotenziale wird durch spontane Schwankungen des Membranpotenzials der Cajal-Zellen im Sekunden- und Minutenzyklus („slow waves“), aber auch durch das vegetative Nervensystem moduliert. Mit Slow Waves, glatte Muskulatursteigender Aktionspotenzialfrequenz nimmt die Kontraktionskraft zu. Schließlich kommt es zur tetanischen Dauerkontraktion (sog. Spasmus). Die Rhythmen der „slow waves“ sind organspezifisch, man nennt sie Spasmus, glatte Muskulaturorganspezifische basale Rhythmen (BOR). Auch eine mechanische Dehnung der glatten Muskulatur Rhythmus:basaler organspezifischerkann durch Öffnung von dehnungsabhängigen KationenkanälenKationenkanal:dehnungsabhängiger die Frequenz der Aktionspotenziale erhöhen bzw. in Blutgefäßen eine Depolarisation bewirken und damit den Tonus erhöhen. Auf dieser durch Dehnung induzierten Vasokonstriktion beruht im Wesentlichen die Autoregulation der Organdurchblutung (myogener Tonus, sog. Bayliss-Effekt, Kap. 9.2.6).
Muskelmechanik
Abhängigkeit der Kontraktionskraft von der Muskellänge
Muskulatur:glatteWie in der Skelettmuskulatur beruht die Muskelmechanik, glatte MuskulaturKontraktion der Kontraktionskraft:glatte Muskulaturglatten Muskulatur auf dem Übereinandergleiten der Myosin- und Aktinfilamente, dem sog. Filament-Gleit-Mechanismus. Dieser wird durch die zyklische Bindung der Filament-Gleit-Mechanismus, glatte MuskulaturMyosinquerbrücken an das Aktinfilament (sog. Querbrückenmechanismus) angetrieben. Da der Überlappungsgrad der Filamente die entwickelte Kraft bestimmt, ist es nicht verwunderlich, dass auch in der glatten Muskulatur die aktiv entwickelte Kraft von der Muskelfaserlänge abhängt. Allerdings kann die glatte Muskulatur sehr viel mehr gedehnt werden als die Skelett- und Herzmuskulatur, bevor sie die Fähigkeit zur aktiven Kraftentwicklung verliert, und sie kann sich bezogen auf die Ausgangslänge erheblich mehr aktiv verkürzen. Diese Eigenschaft erlaubt, dass Hohlorgane, die als Speicher fungieren (z.B. Harnblase), während der Füllung sehr stark gedehnt werden können, ohne dass sie die Fähigkeit zur aktiven Kontraktion verlieren als Voraussetzung für ihre Entleerung. Verantwortlich für diese funktionellen Besonderheiten sind die längeren Aktin- und Myosinfilamente und die seitenpolare Anordnung der Myosinquerbrücken.
Kraft-Geschwindigkeits-Beziehung und Energetik der Kontraktion
Auch bei glatten Muskeln gibt es eine Kraft-Geschwindigkeits-Beziehung, glatte Muskulaturhyperbolische Muskulatur:Kraft-Geschwindigkeits-BeziehungAbhängigkeit der Verkürzungsgeschwindigkeit von der Last. Allerdings ist die maximale Verkürzungsgeschwindigkeit sehr Muskulatur:glatteviel niedriger als in der quergestreiften Muskulatur. Dies liegt an der sehr niedrigen ATPase-Aktivität der glattmuskulären Isoform des Myosins, die etwa 100- bis 500-mal niedriger ist als in der quergestreiften Muskulatur, da ADP vom Myosin sehr viel langsamer abdissoziiert und die Querbrücken viel länger im kraftgenerierenden Schritt verweilen.
Wegen der niedrigen ATPase-Aktivität verbraucht die glatte Muskulatur auch weniger Sauerstoff, d.h. sie kontrahiert äußerst ökonomisch und ist damit für unermüdliche Haltefunktionen bestens angepasst. Diese hohe Halteökonomie ist besonders ausgeprägt in der Gefäßmuskulatur. Diese kann nämlich während tonischer Dauerkontraktionen im „Latch“-Zustand (von engl. latch = einklinken) den Sauerstoffverbrauch noch weiter auf minimale Latch-ZustandWerte drosseln. Dies liegt vermutlich daran, dass die Querbrücken im Latch-Zustand durch einen noch nicht genau bekannten Mechanismus sehr lange am Aktin im kraftgenerierenden Schritt verweilen. Viele Haltefunktionen der glatten Muskulatur:glatteMuskulatur erfordern daher nur 1/100 bis 1/500 der Energie, die Skelettmuskeln bei vergleichbarem Dauertonus verbrauchen.

MERKE

Verglichen mit der Skelettmuskelfaser, Nervenfaser und Herzmuskelfaser ist das Ruhemembranpotenzial der glatten Muskelzellen (ca. 50 mV) bei den glatten Muskelzellen etwas positiver, die Amplitude der Depolarisationswellen und Aktionspotenziale kleiner und die De- und Repolarisation der Aktionspotenziale langsamer. Die Kontraktion wird wesentlich ökonomischer aufrecht erhalten.

Regulation der Kontraktion und Relaxation der glatten Muskulatur
Die Kontraktionskraft der glatten Muskulatur kann sehrRegulation:Kontraktion, glatte Muskulatur fein abgestuft werden. Selten ist die glatte Muskelkontraktion:glatte MuskulaturMuskulatur im Organismus völlig relaxiert oder maximal kontrahiert. Vielmehr wird der Tonus, ausgehend von einem mittleren Aktivierungsniveau, entweder gesteigert oder erniedrigt. Beispielsweise können sich Arterien – ausgehend von ihrem Ruhetonus – weiter verengen bzw. erweitern, wodurch die Organdurchblutung an den Stoffwechselbedarf angepasst werden kann. Daraus ist intuitiv ersichtlich, dass die Kontraktion nicht allein durch einen Kalziumschalter wie in der quergestreiften Muskulatur reguliert werden kann. Vielmehr wird die durch den Anstieg der zytoplasmatischen Ca2+-Konzentration ausgelöste Kontraktion durch ein Signalnetz aus miteinander interagierenden, aktivierenden und relaxierenden Signalkaskaden moduliert. Überwiegen die aktivierenden Signale, dann nimmt die Kontraktionskraft bezogen auf die zytosolische Ca2+-Konzentration zu (Ca2+-Sensitivierung), überwiegen die hemmenden Signale, dann nimmt sie ab (Ca2+-DesensitivierungKalziumsensitivierung). Der Übersicht halber werden im Folgenden zunächst die Ca2+-abhängigen Kalziumdesensitivierungund anschließend die Ca2+-unabhängigen Regulationsmechanismen besprochen.
Kalziumabhängige Regulation der Kontraktion
Muskelkontraktion:glatte MuskulaturMan unterscheidet 2 prinzipielle Mechanismen, die Muskelrelaxation, glatte Muskulatur:kalziumabhängige Regulationeinen Anstieg der zytosolischen Ca2+-Konzentration bewirken. Diese Mechanismen können nebeneinander vorkommen:
  • Elektromechanische KoppelungKoppelung:elektromechanische: Der Anstieg der zytosolischen Ca2+-Konzentration wird durch Aktionspotenziale (phasische glatte Muskeln) oder eine graduierte Membrandepolarisation (tonische glatte Muskeln) ausgelöst (Abb. 5.21).

  • Pharmakomechanische Koppelung: Neurotransmitter, zirkulierende Hormone und Koppelung:pharmakomechanische, glatte MuskulaturGewebehormone lösen über die Bindung an ihre membranständigen Rezeptoren oft ohne nennenswerte Änderung des Membranpotenzials eine Kontraktion aus (s.a. Abb. 5.20f), indem IP3-vermittelt Ca2+ aus intrazellulären Speichern freigesetzt wird (Abb. 5.21). IP3 wird als Folge der Bindung der Agonisten an ihre Rezeptoren (z.B. Noradrenalin an den α1-adrenergen Rezeptor oder Acetylcholin an den muskarinergen Rezeptor) und Aktivierung des G-Proteins Gq11 und der Phospholipase C aus Phospholipase:CPhosphoinositoldiphosphat (PIP2) freigesetzt. Typisch für die pharmakomechanische Koppelung ist, dass es außerdem zur Ca2+-Sensitivierung kommt (s.u.).

Regulation der intrazellulären Ca2+-KonzentrationKalziumkonzentration:intrazelluläreAnders als bei der Herz- und Skelettmuskulatur gibt es eine große, organspezifische Variabilität der Mechanismen, die den Ca2+-Haushalt der glatten Muskulatur regulieren:
  • Ionenkanäle, die für den Einstrom von Ca2+ in das Zytosol der glatten Muskelzelle verantwortlich sind (Abb. 5.21):

    • Spannungsgesteuerte KalziumkanäleKalziumkanal:spannungsabhängiger der Plasmamembran vom L- und T-Typ werden durch Membrandepolarisation bzw. Aktionspotenziale geöffnet: Ca2+ strömt aus dem Extra- in den Intrazellulärraum und die zytosolische Ca2+-Konzentration steigt.

    • Rezeptorgesteuerte unspezifische Kationenkanäle der Plasmamembran werden u.a. durch ACh, Kationenkanal:rezeptorgesteuerter, glatte MuskulaturNoradrenalin, Histamin, Serotonin und ATP geöffnet: Sie sind außer für Ca2+ auch für K+ und Na+ durchgängig.

    • Dehnungsabhängige KationenkanäleKationenkanal:dehnungsabhängiger lassen ebenfalls K+, Na+ und Ca2+ passieren.

    • 2 unterschiedliche Ca2+-permeable Kanäle des sarkoplasmatischen Retikulums, der IP3-Rezeptor (Kalziumkanal:glatte MuskulaturIP3R) und der Ryanodinrezeptor (RyR), werden durch Inositoltrisphosphat (IP3R) bzw. durch den Ca2+-Einstrom selbst (RyR, Ca2+-Inositoltrisphosphat:glatte Muskulaturinduzierte Ca2+-Freisetzung) aktiviert, wodurch Ca2+ aus dem sarkoplasmatischen Retikulum in das Zytosol freigesetzt wird.

    • Kaliumkanäle werden durch cAMP, cGMP, aber auch durch Ca2+ selbst aktiviert: Kaliumkanal:glatte MuskulaturDadurch wird die Plasmamembran hyperpolarisiert und spannungsabhängige Kalziumkanäle verschließen sich, sodass der Ca2+-Einstrom sinkt.

  • Transportprozesse, die Ca2+ aus dem Zytosol entfernen:

    • Ca2+-ATPasen des sarkoplasmatischen Retikulums und der Plasmamembran

    • Na+/Ca2+-Austauscher in der Plasmamembran, der Ca2+ sekundär aktiv in den Extrazellulärraum transportiert (und Na+ im Gegenzug nach intrazellulär)

Phosphorylierung der leichten Ketten der MyosinköpfeWenn die zytoplasmatische Ca2+-KonzentrationKalziumkonzentration:intrazelluläre über ihren Ruhewert von ≈10–7 mol/l ansteigt, bindet das freigesetzte Ca2+ an Calmodulin (CaM) unter Bildung des (Ca2+)4-CaM-Komplexes. Dieser aktiviert die Myosin-Leichtketten-Kinase (MLCK), die Phosphat Kalzium-Calmodulin-Komplexvon ATP auf die MLCK (Myosin-Leichtketten-Kinase):glatte Muskulaturregulatorischen Myosin-Leichtketten-Kinase:glatte Muskulaturleichten Ketten (MLC) der Myosinköpfe überträgt (Abb. 5.21). Die phosphorylierten Myosinköpfe können nun an Aktin binden, sodass unter ATP-Spaltung der Querbrückenmechanismus ablaufen kann und es zur Kontraktion kommt. Ein wesentlicher Unterschied zur quergestreiften Muskulatur ist also, dass die Myosinmoleküle der glatten Muskulatur durch Phosphorylierung aktiviert werden müssen. Die MLC werden durch eine spezifische Phosphatase dephosphoryliert. Diese besteht aus einer regulatorischen Untereinheit (MLCPreg) und einer katalytischen Untereinheit (MLCPcat). Da die MLCP permanent aktiv ist, laufen die Phosphorylierungs- und Dephosphorylierungsreaktionen kontinuierlich ab, solange die MLCK durch Ca2+ aktiviert ist. Das Ausmaß der MLC-Phosphorylierung und damit die Amplitude der Kraftentwicklung wird durch die relative Aktivität dieser beiden gegenläufigen Enzyme bestimmt (Abb. 5.21): Je höher die Ca2+-Konzentration im Zytosol ist, desto aktiver ist die MLCK relativ zur MLCP: Der Tonus steigt. Umgekehrt führt ein Abfall der zytosolischen Ca2+-Konzentration zu einer Aktivitätsminderung der MLCK, der Tonus sinkt.

MERKE

Die glatte Muskulatur wird durch die kalziumabhängige Phosphorylierung der regulatorischen leichten Ketten des Myosins (MLC) aktiviert.

RelaxationMan unterscheidet die passive von der aktiven Relaxation. In beiden Fällen sinkt die zytosolische Ca2+-Konzentration:
  • Bei der passiven Relaxation sinkt die intrazelluläre Ca2+-Konzentration, entweder weil Relaxation:passive, glatte Muskulaturdie Zellmembran repolarisiert wird und/oder weil die kontraktilen Agonisten von ihren Rezeptoren abdissoziieren, die dadurch inaktiviert werden. Ca2+ wird durch die o.g. Transportprozesse aus dem Zytosol gepumpt (Abb. 5.21). Die Abnahme der zytosolischen Ca2+-Konzentration hat zur Folge, dass der Ca2+-Calmodulin-MLCK-Holoenzymkomplex dissoziiert: Die MLCK ist wieder inaktiv, sodass die MLC nicht länger phosphoryliert werden. Die noch phosphorylierten MLC werden durch die MLCP dephosphoryliert, was die Voraussetzung für die Relaxation ist.

  • Unter der Einwirkung von relaxierenden Agonisten (z.B. Adrenalin oder ANP) bzw. von Stickstoffmonoxid (NO) (Kap. 9.2.6) wird eine sog. aktive Relaxation ausgelöst, die durch den Anstieg von zyklischem Relaxation:aktive, glatte MuskulaturAdenosinmonophosphat (cAMP) bzw. zyklischem Guanosinmonophosphat (cGMP) und Aktivierung der Proteinkinase A (PKA) bzw. Proteinkinase:AProteinkinase G (PKG) in den Proteinkinase:Gglatten Muskelzellen vermittelt wird. Sowohl cAMP als auch cGMP senken z.B. die zytosolische Ca2+-Konzentration und/oder inaktivieren den kontraktilen Mechanismus (Ca2+-Desensitivierung, s.u.). Die Abnahme der zytosolischen Ca2+-Konzentration beruht darauf, dass cAMP und cGMP die Wiederaufnahme von Ca2+ in das SR stimulieren. Sie senken außerdem indirekt den Ca2+-Einstrom über spannungsabhängige Kalziumkanäle, indem sie bestimmte Kaliumkanäle in der Plasmamembran aktivieren und im Falle des cGMP den IP3-Rezeptor hemmen (Abb. 5.21).

MERKE

Der glatte Muskel erschlafft, wenn die intrazelluläre, freie Ca2+-Konzentration abnimmt und die leichten Ketten der Myosinköpfe durch eine spezifische Phosphatase (MLCP) dephosphoryliert werden. Die zyklischen Nukleotide cAMP und cGMP relaxieren die glatte Muskulatur, indem sie sowohl die freie Ca2+-Konzentration senken als auch die Aktivität der MLCP steigern.

Kalziumunabhängige Regulation der Kontraktion und Relaxation
Muskelkontraktion:glatte MuskulaturDie Enzyme MLCK und MLCP werden durch eine Reihe Muskelrelaxation, glatte Muskulatur:kalziumunabhängige Regulationvon Signalkaskaden Ca2+-Enzym(e):Muskelkontraktionunabhängig reguliert. Die kalziumunabhängige Regulation der MLCK durch cAMP (Abb. 5.21) ist nach neueren Erkenntnissen vermutlich von untergeordneter Bedeutung. Von besonderer Bedeutung ist dagegen die Regulation der MLCP (Abb. 5.22).
Ca2+-SensitivierungBei der pharmakomechanischen Koppelung ist der Ca2+-Anstieg oft deutlich geringer als bei der elektromechanischen Koppelung. Dennoch ist die Kontraktion gleich groß oder noch größer. Dies liegt daran, dass kontraktile Agonisten über die o.g. Mechanismen nicht nur die intrazelluläre Ca2+-Konzentration erhöhen, sondern außerdem die MLCP hemmen. Diese Aktivitätsminderung der MLCP erfolgt im Wesentlichen über 2 Signalkaskaden, die durch Gαq/11 und Gα12/13 aktiviert werden (Abb. 5.22):
  • Rho/Rho-Kinase-Signalkaskade: Die Aktivierung des G-Proteins Rho und seines Rho/Rho-Kinase-SignalkaskadeEffektors, der Rho-Kinase (ROK), führt zur Phosphorylierung der regulatorischen Untereinheit der MLCP (MLCPreg) u.Rho-Kinasea. an Threonin 696. Vermutlich wirkt die phosphorylierte MLCPreg wie ein Pseudosubstrat und verhindert die Bindung der katalytischen Untereinheit der MLCP (MLCPcat) an ihr eigentliches Substrat, die phosphorylierten leichten Ketten (MLC), die dadurch nicht dephosphoryliert werden können.

  • Phospholipase-C-Proteinkinase-C-Signalkaskade: Die Proteinkinase C phosphoryliert Proteinkinase:Cund aktiviert einen Inhibitor der MLCP, das endogene Peptid CPI-17.

Beide Signalkaskaden werden nicht nur durch die Transmitter des vegetativen Nervensystems Noradrenalin und Acetylcholin, sondern auch durch eine Vielzahl von Hormonen wie z.B. Endothelin oder Angiotensin II aktiviert.
Ca2+-DesensitivierungHormone, die den cAMP- bzw. cGMP-Spiegel der Zelle erhöhen und die Proteinkinase A (PKA) bzw. die Proteinkinase G (PKG) aktivieren, können eine Relaxation sogar ohne Abnahme der intrazellulären Ca2+-Konzentration auslösen und zwar durch eine Aktivitätssteigerung der MLCP. Diese Aktivitätssteigerung ist durch verschiedene Mechanismen möglich, die zum Teil darauf beruhen, dass die Ca2+-sensitivierenden Signalkaskaden antagonisiert werden (Abb. 5.22):
  • PKA und PKG inaktivieren Rho und heben damit die Hemmwirkung des Rho/ROK-Weges auf.

  • PKA und PKG phosphorylieren die regulatorische Untereinheit der MLCP (MLCPreg) an Serin 695, wodurch die ROK-abhängige, inhibitorische Phosphorylierung an Threonin 696 blockiert und die Hemmung der MLCP aufgehoben wird.

  • PKA und PKG aktivieren durch Phosphorylierung einen endogenen peptidischen Aktivator der MLCP (Telokin).Muskulatur:glatte

Klinik

Erkrankungen der inneren Organe sind häufig mit Funktionsstörungen der glatten Muskulatur verbunden. Häufig ist die Kontraktilität gesteigert, und oft scheint eine gesteigerte Aktivität des Rho/ROK-Signalwegs dafür verantwortlich zu sein. In manchen Fällen ist die Kontraktilität auch reduziert. Häufig kommt es auch zu einem Wechsel des Phänotyps in Richtung des sekretorisch-proliferativen Phänotyps (sog. Remodeling). Die zur Behandlung eingesetzten Medikamente greifen an verschiedenen Stellen der Signaltransduktion ein.

Gastrointestinal- und HarntraktVerlegung der Gallengänge oder Harnleiter durch Steine führt zu äußerst schmerzhaften spastischen Kontraktionen der glatten Muskulatur (Gallenkolik oder Nierenkolik), die man u.a. mit relaxierenden Medikamenten behandelt. Dem sehr häufig vorkommenden, schmerzhaften Colon irritabile liegt möglicherweise eine Fehlfunktion der Schrittmacherzellen des Darmes zugrunde.

LungeBeim Asthma bronchiale liegt u.a. eine gesteigerte Reagibilität der glatten Muskulatur des Bronchialtrakts vor, für die eine Steigerung der Aktivität der Rho/ROK-Signalkaskade mitverantwortlich zu sein scheint. Im Asthmaanfall kann der Bronchospasmus durch die Inhalation von Medikamenten, die über die Aktivierung von β2-Adrenozeptoren und der Adenylylcyclase/cAMP/PKA-Signalkaskade die glatte Muskulatur erschlaffen, günstig beeinflusst werden.

KreislaufsystemBei der Behandlung des Bluthochdrucks werden u.a. Medikamente eingesetzt, die den Ca2+-Einstrom in die Zelle hemmen, sog. Kalziumkanalblocker, die Bildung von Angiotensin II aus Angiotensin I (sog. ACE-Inhibitoren) verhindern oder die Bindung von Angiotensin II an seinen Rezeptor (sog. AT1-Antagonisten) hemmen. Zur Behandlung des Angina-pectoris-Anfalls als Folge einer Verengung der Koronargeräße werden sog. Nitrate eingesetzt. Diese setzen NO frei, das die Guanylylcyclase aktiviert. Sie entlasten das Herz vor allem durch Senkung der Vor- und Nachlast. Für den pulmonalen Hochdruck wird neuerdings auch eine gesteigerte Aktivität der Rho/ROK-Signalkaskade verantwortlich gemacht. Dagegen findet man eine massive arterielle Hypotonie als Folge einer generalisierten Vasodilatation im septischen Schock, für die eine überschießende NO-Produktion verantwortlich gemacht wird.

ZUSAMMENFASSUNG

Molekulare Mechanismen der Kontraktion

Die quergestreiften Myofibrillen der Muskelfasern bestehen aus unzähligen hintereinandergeschalteten Sarkomeren, die ihrerseits aus anisotropen, dunklen A-Banden und hellen isotropen I-Banden bestehen. Letztere enthalten die sehr dünnen Aktinfilamente, die in den A-Banden mit den etwas dickeren Myosinfilamenten überlappen. Bei der Muskelverkürzung werden die dünnen Filamente an den dicken Myosinquerbrücken zur Sarkomermitte gerudert. Myosin ist ein molekularer Motor mit ATP als Muskelkraftstoff, der die Ruderbewegungen der Querbrücken antreibt. Myosin ist also eine ATPase, welche die bei der ATP-Hydrolyse frei werdende chemische Energie in mechanische Arbeit (Ruderschlag) und Wärme transformiert. Um die Querbrücken vom Myosin zu lösen, ist die Bindung von ATP nötig. Fehlt ATP, verfällt der Muskel in Totenstarre.

Regulation der Muskelkontraktion

Bei der elektromechanischen Koppelung laufen die Aktionspotenziale über das T-System in die Muskelfaser hinein und bewirken die Freisetzung von Ca2+-Ionen aus den terminalen Zisternen des sarkoplasmatischen Retikulums. Ca2+ bindet an Troponin und löst über Konformationsänderung im Troponin-Tropomyosin-Komplex eine Querbrückenrudertätigkeit sowie eine Aktivierung der Myosin-ATPase aus. Wird das Ca2+ durch die Kalziumpumpe wieder in das sarkoplasmatische Retikulum zurückgepumpt, hört die Querbrückentätigkeit auf, und der Muskel erschlafft. Bei repetitiver Reizung kommt es zur Summation der Einzelzuckungen und schließlich zum Tetanus. Die Muskelkraft wird durch das ZNS über 2 Mechanismen reguliert, nämlich durch Rekrutierung motorischer Einheiten und Steigerung der Erregungsrate der α-Motoneurone.

Muskelmechanik

Bei einer isometrischen Kontraktion entwickelt ein Muskel Kraft, ohne seine Länge zu ändern; verkürzt er sich bei der Kraftentwicklung, spricht man von auxotonischer Kontraktion. Die isometrische Kontraktionskraft hängt von der Vordehnung des Muskels bzw. von der Sarkomerlänge ab. Wird nämlich die Muskelfaser über die Optimallänge hinaus gedehnt, nehmen die Filamentüberlappung und die Muskelkraft ab. Beim ruhenden Muskel wird die Beziehung zwischen Kraft und Muskellänge durch die Ruhedehnungskurve beschrieben. Bei einer isotonischen Kontraktion verkürzt sich der Muskel bei konstanter Muskelspannung. Unterstützungskontraktion und Anschlagskontraktion stellen Kombinationen aus isometrischen und isotonischen Kontraktionen dar.

Pathophysiologie des muskulären Systems

Die Myasthenia gravis beruht auf dem Vorhandensein von Antikörpern gegen den Antikörper:AcetylcholinrezeptorAcetylcholinrezeptor:Myasthenia gravisAcetylcholinrezeptor:Antikörper\bAcetylcholinrezeptor. Im Bereich des Sarkolemms führen Defekte am DHP-Rezeptor zur hypokaliämischen periodischen Paralyse, Störungen im Bereich der Natriumkanäle zur Paramyotonia congenita und Defizite der Membranleitfähigkeit von Chloridkanälen zur Myotonia congenita. Im sarkoplasmatischen Retikulum führen Defekte des Ryanodinrezeptors zur malignen Hyperthermie. Ein Mangel des Dystrophinproteins bedingt die Duchenne-Dystrophie und ein Mangel an Muskelphosphorylase die Glykogenose Typ V (Morbus McArdle).

Glatter Muskel

Der glatten Muskulatur fehlt die für Herz- und Skelettmuskulatur so typische Querstreifung, denn die Aktin- und Myosinfilamente sind nicht regelmäßig angeordnet. Bei der Kontraktion verschieben sie sich sehr viel langsamer als bei der Skelettmuskulatur. Tonische glatte Muskeln sind deshalb besonders geeignet für unermüdliche Halteleistungen. Bei der Aktivierung des glatten Muskels strömen Ca2+-Ionen durch spannungsgesteuerte Kalziumkanäle der Zellmembran sowie – durch IP3 vermittelt – durch Kalziumkanäle aus dem sarkoplasmatischen Retikulum in das Myoplasma. Ca2+ bindet an Calmodulin, der Ca2+-Calmodulin-Komplex aktiviert die Myosin-Leichtketten-Kinase, die ihrerseits die leichten Ketten des Myosins phosphoryliert, sodass der glatte Muskel kontrahiert. Bei der Muskelrelaxation als Folge einer Beendigung der Stimulation oder des Anstiegs der cAMP- oder cGMP-Konzentration in der glatten Muskelzelle werden die Ca2+-Ionen durch den Na+/Ca2+-Austauscher sowie durch Kalziumpumpen der Zellmembran und des sarkoplasmatischen Retikulums aus dem Myoplasma entfernt und die leichten Ketten durch eine Myosin-Leichtketten-Phosphatase dephosphoryliert.
Funktionell gibt es 2 Muskeltypen: den Single-Unit-Typ, der myogene Aktivität aufweist, in der Regel phasisch/rhythmisch kontrahiert und vor allem im Gastrointestinal- und im Urogenitaltrakt vorkommt, und den Multi-Unit-Typ, dessen Aktivierung vor allem neurogen erfolgt und der für die tonischen Kontraktionen von Gefäßmuskeln und Sphinkteren verantwortlich ist.

Motorik: Ziel, Programm, sensorisches Feedback

NierenkolikGallenkolik:glatte MuskulaturColon irritabileAsthma bronchiale:glatte MuskulaturStickstoffmonoxid:glatte MuskulaturHypertonie:glatte MuskulaturNO (Stickstoffmonoxid):glatte MuskulaturSystem:motorischesM. Illert, J.-P. Kuhtz-Buschbeck

Zur Orientierung

Das Nervensystem entwickelt als eine seiner frühesten Leistungen die Fähigkeit, Bewegungen des Körpers zu organisieren. Die Aufrichtung des Körpers gegen die Schwerkraft und die Sicherung der aufrechten Haltung während einer Ortsveränderung sind integrale Bestandteile von Bewegungen.

Eine zielgerichtete Bewegung ist möglich, wenn die Strukturen des Nervensystems Zugriff auf den kontinuierlichen Strom afferenter sensorischer Informationen haben, die eine interne Repräsentation des Körpers und der Umwelt aufbauen. Die Leistung des Gehirns, als Folge eines Handlungsantriebs eine bestimmte Bewegung durchzuführen, und nicht eine andere, setzt zwingend eine enge Interaktion zwischen den motorischen und sensorischen Systemen voraus.

Die Motorik ist bei der Geburt unvollständig ausgebildet, sie muss durch aktives Üben allmählich erlernt werden. Der Lernprozess fokussiert auf die Koordination und den zeitlichen Einsatz von funktionellen Muskelgruppen. Lernen ist das Ergebnis von Feedback-Mechanismen, die über den Erfolg der Bewegung informieren. Lernen und Gebrauch sind untrennbar miteinander verbunden.

Bewegung: Handlungsantrieb, Strategie, Programm und Umsetzung

Am Beginn einer Bewegung steht der Handlungsantrieb. Er kann intern generiert sein oder sichFeedback:sensorischesMotorik:Bewegung aus externen Reizen entwickeln. Der HandlungsantriebHandlungsantrieb löst eine Kette von ineinandergreifenden neuronalen Prozessen aus, die sich formal in 3 Phasen unterteilen lassen (Abb. 5.23): Entschluss, Programmierung und Durchführung. Am Ende wird das Bewegungsziel erreicht sein und der Handlungsantrieb entfällt.
EntschlussDer Handlungsantrieb geht auf die Aktivität in kortikalen und subkortikalen Bewegung:EntschlussMotivationsarealen zurück; die limbischen Kortizes sind besonders wichtig. Auf den Handlungsantrieb reagierend, entwickelt das Gehirn eine Bewegungsstrategie (z.B. Gang zum Tisch und Griff nach einem Stück Brot bei Hunger). Dieser Prozess führt zum BewegungsstrategieEntschluss, eine Bewegung durchzuführen.
ProgrammierungDie geplante Bewegung besteht aus mehreren Komponenten: Bewegung:Programmierungeiner Bewegung des Körpers im RaumProgrammierung, Bewegung, dem Ergreifen eines Gegenstandes und der Aufrechterhaltung des Körpers bei der Positionsänderung seines Schwerpunkts im Raum. Die Programmierung setzt diese Komponenten in eine Abfolge neuronaler Signale um. Ein Programm ist damit die neuronale Repräsentation einer Bewegung. Es schreibt u.a. die zeitliche und räumliche Aktivierung der Muskelgruppen fest, die die Gelenke bewegen; es adjustiert die Haltung des Körpers und sichert die Position des Schwerpunkts; es priorisiert die Körperhaltung:BewegungsprogrammierungSinneskanäle zur Übertragung der zu erwartenden afferenten Informationen; es legt eine Kopie des Programms in zentrale Speicher ab (Efferenzkopie), vergleicht den tatsächlichen Bewegungsablauf mit dieser Kopie und errechnet daraus Korrektursignale.
An der Programmierung sind kortikale und subkortikale Systeme beteiligt (Abb. 5.24). Der Bewegungsentschluss wird über die supplementär-motorische Area (SMA)Areal:supplementär-motorisches und andere prämotorische Gebiete in die SMA (supplementär-motorische Area), Bewegungsentschlussmotorischen Kortizes eingespeist, die untereinander reziprok verschaltet sind. Von ihnen ausgehend bauen sich 2 große Programmierungsschleifen auf, die über subkortikale Kerngebiete und den Thalamus auf die Kortizes zurückprojizieren:
  • Schleife 1 hat ihren Ursprung in motorischen und somatosensorischen Kortizes, projiziert in die Basalganglien und von dort über den Thalamus zurück, überwiegend auf die SMA.

  • Schleife 2 projiziert vom Kortex über die Pons in das Kleinhirn und von dort über den Thalamus zu den motorischen Kortexgebieten zurück.

Die Übertragung im Thalamus wird von den Kortizes Bewegung:Programmierungkontrolliert. Den distinkten Thalamus:Bewegungsprogrammierunganatomischen Verschaltungen entspricht, dass jedes der genannten Systeme spezifische Aspekte der zu erstellenden Programme erarbeitet (zur Programmierung in den beiden Schleifen Kap. 5.8, Kap. 5.9).
Bewegungsdurchführung Dazu werden die in den Programmen spezifizierten Systeme in der festgelegten Abfolge und Bewegung:DurchführungStärke aktiviert. Deszendierende Trakte übertragen die programmierten Bewegungssignale aus dem Kortex auf die nachgeschalteten Neurone. Die Signale spezifizieren die Muskelgruppen, die in Aktion gebracht werden, und stellen die Stärke und die zeitliche Abfolge der Kontraktionen ein. Daraufhin werden die motorischen Einheiten des neuromuskulären Apparats aktiviert, die Gelenke ändern ihre Stellung, und der Körper führt die geplante Bewegung durch. Parallel optimieren die Bewegungssignale die Übertragung in den afferenten Systemen, die die Information über den Bewegungsverlauf zurückmelden.

Klinik

Motorische StörungenDer Tatsache, dass Handlungsentschluss, Bewegungsprogramm und Bewegungsdurchführung verschiedenen neuronalen Systemen zugeordnet sind, kommt für die Pathophysiologie der motorischen Störungen eine große Bedeutung zu. So gibt es Erkrankungen des ZNS, bei denen vorwiegend die Programmierung der Bewegungen gestört ist (z.B. bei Prozessen im Hemisphärenbereich des Zerebellums), während bei Erkrankungen in anderen Gebieten die Bewegungsdurchführung (z.B. Prozesse im motorischen Kortex) oder auch der Handlungsentwurf (z.B. Prozesse in Assoziationssystemen) betroffen sein können. Es ist offensichtlich, dass jeweils andere Symptomatiken auftreten.

MERKE

Handlungsantrieb, Programmierung und Bewegungssteuerung verlaufen ineinander verzahnt ab. Damit können die Bewegungen zum frühestmöglichen Zeitpunkt gestartet werden.

Kortex:motorischer

Sensorische Afferenz

Voraussetzung für den Zerebellum:BewegungsprogrammierungEntschluss, den Handlungsantrieb in Afferenz:sensorischeeine zielgerichtete Motorik:sensorische AfferenzStrategie umzusetzen, ist eine detaillierte Information des Nervensystems über die Umwelt und die Position des Körpers im Raum. Sie erfolgt über die Sinnessysteme, die ihre Information kontinuierlich in die verschiedenen Phasen der Strategiefindung, Programmierung und Umsetzung einer Bewegung einspeisen (Abb. 5.23).
Vier Funktionen werden dabei erfüllt:
  • Information über die Rahmenbedingungen: Die Information über die Umwelt und die Position des Körpers legt die Ausgangsbedingungen fest, innerhalb derer eine Handlungsstrategie definiert und die Bewegung programmiert werden kann.

  • Anpassung: Die Bewegung ändert die ursprünglichen Rahmenbedingungen. Die programmierenden Strukturen werden darüber informiert und passen das Programm an diese Veränderungen und an die Position des sich bewegenden Zieles an.

  • Reafferenz: Die Bewegung aktiviert Rezeptoren – jede Bewegung schafftBewegung:Reafferenz Afferenz. Die ReafferenzReafferenz:Motorik ist bewegungsspezifisch, und ihre Rückmeldung informiert das ZNS über den Fortgang und den Ablauf der Bewegung.

  • Bewegungskorrektur: Aus der Reafferenz werden Korrekturen für die Bewegungsdurchführung erarbeitet. Dazu Bewegung:Korrekturwird eine Kopie des zentralen Bewegungsprogramms, die Efferenzkopie, mit der Reafferenz verglichen. Unterschiede zwischen Reafferenz und Efferenzkopie deuten auf ein Abweichen der tatsächlichen von der geplanten Bewegung hin und erzeugen ein Korrektursignal. Solche Bewegungskorrekturen erfolgen auf allen programmierenden Ebenen.

Zur Sicherung dieser sensorischen Informationen stellt jedes Bewegungsprogramm parallel zur Ansteuerung der Effektoren die Übertragungscharakteristik der sensorischen Rückmeldung ein. Die Kontrolle und Steuerung der neuronalen Systeme, die die vom ZNS erwartete Reafferenz nach zentral übertragen, erfolgen über prä- und postsynaptische Mechanismen. Sie setzen sowohl am afferenten Eingang an (z.B. präsynaptische Hemmung afferenter Neurone, vgl. Kap. 3.4.4) wie auch an zentralen Schaltkernen (z.B. efferente Kontrolle der Verarbeitung in den Hinterstrangkernen, vgl. Kap. 4.1.3).

Klinik

Pathologische BewegungBleibt die Rückmeldung aus der Peripherie zu den übergeordneten Zentren aus, ist die Bewegungsdurchführung gestört. Dies äußert sich in pathologischen Bewegungsformen wie z.B. einem Tremor (unwillkürliches Zittern durch rasch aufeinander folgende rhythmische Kontraktionen antagonistischer Muskeln).

MERKE

Afferente, sensorische Informationen sind für die Planung, die Durchführung und den Erfolg einer zielgerichteten Bewegung entscheidend.

Kortikale Aktivität vor Bewegungsbeginn

Aktivität:kortikaleBei selbst Bewegung:pathologischeinitiierten Bewegungen lassen sich die neuronalen Prozesse, die bereits vorMotorik:kortikale Aktivität dem Start der Bewegung stattfinden (Bewegung:selbst initiierteEntschlussfindung, Strategieentwicklung, Programmierung), durch elektrophysiologische Methoden und bildgebende Verfahren darstellen. Im EEG sieht man über dem Kortex etwa eine Sekunde vor Bewegungsbeginn eine EEG (Elektroenzephalografie):Bereitschaftspotenzialnegative Spannungsschwankung, das sog. Bereitschaftspotenzial (Abb. 5.25a). Es ist Ausdruck der Aktivität des Kortex während der Entschluss- und BereitschaftspotenzialProgrammierungsphasen. Das Bereitschaftspotenzial dauert umso länger und ist umso größer, je komplexer die geplante motorische Aufgabe ist. Kurz vor Beginn der Bewegung ändert sich die Richtung der Potenzialänderung, was den Übergang von Programmerstellung zur Bewegungsdurchführung anzeigt. Die Potenzialschwankungen nach Bewegungsbeginn spiegeln die Bewegungsdurchführung:Bereitschaftspotenzialkortikale Projektion der durch die Bewegung aktivierten Rezeptoren wieder und sind über den sensorischen Kortizes am ausgeprägtesten.
Die funktionelle Magnetresonanztomografie (Magnetresonanztomografie:funktionellefMRT) kann kortikale Aktivität empfindlich nachweisen und spezifischen Gebieten zuordnen. Die Methode erfasst Zunahmen der Oxygenierung des Hämoglobins, die aktivitätsbedingte lokale Steigerungen der Durchblutung anzeigen (BOLD-Signal, „blood oxygen level dependent signal“). Das BOLD-Signal ist gegenüber der elektrischen BOLD-Signal:kortikale AktivitätAktivität der Neurone einige Sekunden verzögert. Messungen mit fMRT bei einer selbst initiierten Sequenz von Fingerbewegungen zeigen (Abb. 5.25b), dass die Aktivitätssignale der motorischen Kortizes in einer zeitlich-räumlichen Abfolge zunehmen: Zuerst steigen sie im rostralen Abschnitt der supplementär-motorischen Area (prä-SMA), Areal:supplementär-motorischesdann in kaudalen Teilen der SMA und anschließend im primär-motorischen Kortex. Das Intervall Kortex:primär-motorischerzwischen den Signalen der prä-SMA und des primär-motorischen Kortex beträgt etwa 2 Sekunden. Man geht davon aus, dass die prä-SMA an der Umsetzung des Bewegungsentschlusses in die Programmierung beteiligt ist, kaudale Teile der SMA am Übergang von der Programmierung zur Ausführung. Außer der SMA sind noch weitere Strukturen vor Bewegungsbeginn aktiv, die aber aus methodischen Gründen nicht in Abb. 5.25 erfasst wurden.

ZUSAMMENFASSUNG

Motorik ist ein zielgerichtetes Verhalten, das den Körper in der Umwelt bewegt und mit dieser interagiert. Die verschiedenen Komponenten der Motorik sind im ZNS unterschiedlich lokalisiert und einem ständigen Verarbeitungs- und Aktualisierungsprozess unterworfen.

Motorische Kortexgebiete

System:motorischesJ.-P. Kuhtz-Buschbeck, M. Illert

Zur Orientierung

Planung und Steuerung der Zielmotorik, die bewusste Wahrnehmung der Umwelt und die Festlegung der Motivationslage sind Prozesse, an denen der zerebrale Kortex wesentlich beteiligt ist. Schon eine einfache Handlung wie das Fangen eines Balls erfordert ein koordiniertes Zusammenwirken dieser Vorgänge. Dabei sind motorische und sensorische Kortexgebiete gemeinsam aktiv und steuern die Motorik im Verhaltenskontext.

Überblick

Neben dem Kortex:motorischerprimär-ZNS (zentrales Nervensystem):motorische Kortexgebietemotorischen Kortex (M1) sind 4 weitere motorische Kortexgebiete an der Planung und Durchführung von Willkürbewegungen beteiligt (Abb. 5.26), und zwar der ventrale (PMV) und der dorsale (PMD) laterale prämotorische Kortex, und die medial gelegenen zingulär-motorischen (ZMA) und supplementär-motorischen Areale (SMA). Die motorischen Kortexgebiete haben 3 gemeinsame Eigenschaften:
  • Aus jedem Areal entspringen kortikospinale Bahnen.

  • Jedes Gebiet enthält eine somatotopisch geordnete Repräsentation des Körpers.

  • Die fokale Stimulation jedes Areals löst Bewegungen aus.

Innerhalb ihrer eigenen Hemisphäre sind die genannten Kortexgebiete durch Assoziationsfasern verknüpft, mit den motorischen Kortizes der anderen Hirnhälfte durch Kommissurenfasern. Enge Verschaltungen zu den somatosensorischen und dem posterior-parietalen Kortizes sind die Basis für das Zusammenwirken von Motorik und Sensorik. Weitere Beziehungen bestehen zu den Basalganglien (Kap. 5.8) und dem Kleinhirn (Kap. 5.9), die an der Bewegungsprogrammierung teilnehmen. Das funktionell verwandte frontale Augenfeld (Area 8) wird im Kapitel zum visuellen System (Kap. 4.3) erörtert.

Primär-motorischer Kortex

Der primär-motorische Kortex (M1) liegt im Gyrus praecentralis direkt an der Zentralfurche. Etwa Kortex:primär-motorischer40% der kortikospinalen Efferenzen entspringen aus ihm. Bei elektrischer Reizung ist die Schwelle zur Auslösung von Bewegungen deutlich niedriger als in den anderen motorischen Kortexgebieten. Der M1 ist die wichtigste Ausgangsstation für die Durchführung eines Bewegungsprogramms. Nur er hat eine nennenswerte direkte monosynaptische Projektion zu den spinalenBewegung:primär-motorischer Kortex Motoneuronen, die für die Steuerung differenzierter Fingerbewegungen verantwortlich ist.
HomunkulusDieKortex:primär-motorischer somatotopische Repräsentation des Körpers ist im M1 am deutlichsten ausgeprägtHomunkulus:primär-motorischer Kortex (Abb. 5.27). Lokale Reizung löst Muskelkontraktionen auf der kontralateralen Seite der Körpers aus, da die kortikalen Efferenzen kreuzen. Die kontralaterale Körperhälfte ist so repräsentiert, dass Fuß und Bein medial vertreten sind, an der Mantelkante schließt sich die Rumpfmuskulatur an, weiter lateral folgen nacheinander Arm, Hand, Gesicht, Zunge Mantelkante, Homunkulusund Schlundregion. Der Homunkulus zeigt, dass die motorische Repräsentation verzerrt ist, da Hand- und Gesichtsbereich überproportional groß sind. Dies entspricht der Bedeutung, die Hand- und Gesichtsmotorik für den Menschen haben; auch bei anderen Spezies gibt es artspezifische Disproportionen. Die mimische Muskulatur der Stirnregion, Zungen-, Kau- und Schlundmuskeln sind im M1 bilateral repräsentiert, da kortikonukleäre Bahnen zu den ipsi- und kontralateralen Hirnnervenkernen ziehen. Die mimische Muskulatur der unteren Gesichtshälfte ist hingegen nur kontralateral repräsentiert.
Man darf sich die somatotopische Ordnung von M1 allerdings nicht so vorstellen, dass jeder Muskel nur einmal an einem einzigen Punkt vertreten ist. Beispielsweise sind innerhalb der Handregion einzelne Fingermuskeln mehrfach an verschiedenen Stellen repräsentiert. Solche Stellen mit gleicher Repräsentation gehören zu unterschiedlichen neuronalen Ensembles, die jeweils bestimmte Bewegungen programmieren.Arteria:cerebri

Klinik

Ischämischer SchlaganfallDie somatotopische Organisation führt zu typischen Symptomen nach Verschlüssen von Gefäßen (Infarkten), die den Kortex versorgen. Die sensomotorische Rinde lateral der Mantelkante und die sprachrelevanten Zentren der dominanten Hemisphäre werden von der A. cerebri media versorgt. Infarkte dieser Gebiete führen zu einer kontralateralen arm- und gesichtsbetonten („hängender Mundwinkel“) Hemiparese. Da der kraniale Teil des Kerns des N. facialis von beiden Hirnhälften innerviert wird, wird ein einseitiger Infarkt von der Gegenseite kompensiert, sodass Lidschluss und Stirnrunzeln möglich bleiben (zentrale Fazialisparese). Ist die sprachdominante Hemisphäre betroffen, entsteht meist eine Aphasie. Eine Schädigung des frontalen Augenfeldes führt zur Kopf- und Blickwendung zur Seite der Läsion (Déviation conjuguée, „der Patient blickt die Bescherung an“). Die A. cerebri anterior versorgt mediale Abschnitte der Hemisphären und den sensomotorischen Kortex medial der Mantelkante. Ein Verschluss dieses Gefäßes führt zu einer kontralateralen beinbetonten Lähmung.

Nervus:facialis

Projektionssysteme der sensomotorischen Kortexgebiete

Vor Arteria:cerebriSchlaganfall:ischämischerInfarkt:SchlaganfallHemiparese:arm- und gesichtsbetonteFazialisparese, zentraleAphasie:Schlaganfallallem Kortex:sensomotorischerPyramidenzellen Hemiparese:beinbetonteder Schichten V und III der sensomotorischen Kortexareale sind Ursprungsneurone der efferenten Bahnen, die als mächtiges Bündel von Axonen aus der weißen Substanz zu nachgeschalteten subkortikalen und spinalen Gebieten ziehen. Das Traktsystem verläuft durch die Capsula interna und teilt sich weiter auf (Abb. 5.28). In der Regel erreicht ein Axon über Kollateralen mehrere Kerngebiete (Divergenz); „private“ Projektionen zu einem einzigen Ziel sind die Ausnahme. Kortikothalamische Projektionen regeln die Verarbeitung der bewegungsrelevanten afferenten Informationen durch den Thalamus. Projektion:kortikothalamischeDurch Kollateralen werden Efferenzkopien des motorischen Befehls über pontine Kerne in das Kleinhirn weitergeleitet, wo sie mit der afferenten Rückmeldung über den Fortgang der Bewegung verglichen werden. Kortikonukleäre Trakte ziehen zu motorischen und sensorischen Hirnnervenkernen, kortikoretikuläre Trakte zur Formatio reticularis. Kortikospinale Axone ziehen durch Pons und medulläre Pyramide zum Rückenmark. In der Decussatio pyramidum (Pyramidenkreuzung) kreuzen etwa 85% dieser Axone zur Gegenseite und verlaufen als lateraler kortikospinaler Trakt im Pyramidenbahn:Kreuzungdorsolateralen Funikulus zu Tractus:corticospinalisden Neuronen des Rückenmarks. Während und nach dieser Kreuzung zweigt eine Projektion zu den Hinterstrangkernen ab, die der Regelung des afferenten Informationsflusses dient. Ein kleiner, nicht gekreuzter Anteil der Axone verläuft als anteriorer kortikospinaler Trakt im Vorderstrang des RückenmarksTractus:corticospinalis nach kaudal und kreuzt teilweise noch auf segmentaler Ebene.
PyramidenbahnEtwa 40% der kortikospinalen Axone entstammen aus M1, 30% aus den prä- und Kortex:primär-motorischersupplementär-motorischen, 30% aus Pyramidenbahnsomatosensorischen (Areae 1, 2, 3) und Kortex:somatosensorischerposterior-parietalen Kortex:supplementär-motorischer, PyramidenbahnKortexgebieten. In der medullären Pyramide (einer Seite) verlaufen etwa eine Million Axone, von denen 90% dünner als 4 μm sind; weniger als 5% sind dicke, stark myelinisierte Axone (Durchmesser 10–20 μm). Zu ihnen gehören auch die Axone der Betz'schen Riesenzellen des M1 (beim Menschen etwa 30.000). Dem breiten Spektrum des Faserdurchmessers der Pyramidenbahn entsprechen Leitgeschwindigkeiten zwischen etwa 8 und 80 m/s. Über die Funktion der zahlreichen dünnen Fasern ist wesentlich weniger bekannt als über die der dicken, schnell leitenden Axone.
Die Axone des Kortikospinaltrakts enden in 3 Gebieten der grauen Substanz des Rückenmarks:
  • Das phylogenetisch älteste dieser Gebiete liegt im Hinterhorn, wo kortikospinale Axone auf Interneurone in den Übertragungskanälen der sensorischen Hinterhorn:KortikospinaltraktAfferenzen projizieren. Dies dient der Einstellung der sensorischen Rückmeldung während einer Bewegung. Die Zellkörper dieser kortikospinalen Axone sind vor allem im somatosensorischen Kortex lokalisiert.

  • Die meisten kortikospinalen Axone enden im intermediären Bereich zwischen Zentralkanal und lateralem Funikulus des Rückenmarks. Die Axone innervieren Interneurone, die Teile von Reflexwegen zu den Motoneuronen sind. Dadurch interagiert der Kortex mit den in den spinalen Schaltkreisen programmierten Bewegungsmustern.

  • Das dritte Projektionsgebiet liegt im Vorderhorn. Hier enden kortikospinale Axone monosynaptisch an Motoneuronen der Skelettmuskeln. Axone desVorderhorn, Kortikospinaltrakt lateralen kortikospinalen Trakts projizieren zu Motoneuronen der Extremitätenmuskulatur, bevorzugt der Unterarm- und Handmuskeln. Axone des anterioren kortikospinalen Trakts erreichen Motoneurone der Rumpfmuskulatur.

Entgegen einer verbreiteten Auffassung ist die Pyramidenbahn (bzw. der Kortikospinaltrakt) kein schnell leitender Trakt, der nur aus dem Gyrus praecentralis (M1) entspringt und die spinalen Motoneurone direkt innerviert. Die schematische Einteilung in ein erstes (kortikales) und ein zweites (spinales) Motoneuron ist eine grobe Vereinfachung. In Wirklichkeit sind die kortikalen Ursprungsgebiete ausgedehnter, die meisten Fasern leiten langsam, und Projektionen zu spinalen Interneuronen sind die Regel.
PräzisionsgriffEine geschickte Feinmotorik mit flinken Bewegungen einzelner Finger ist nur dann möglich, wennPräzisionsgriff eine direkte monosynaptische Bahn vom Kortex zu den FeinmotorikMotoneuronen des Rückenmarks vorhanden ist. Läsionen dieser Verbindung beeinträchtigen die Fingerfertigkeit. Bei Tierarten ohne diese Verbindung (z.B. Halbaffen) ist die Fähigkeit zu differenzierten Fingerbewegungen deutlich eingeschränkt. Ein typisches Beispiel für die Feinmotorik des Menschen ist der Präzisionsgriff (Pinzettengriff), der sich quantitativ analysieren lässt. Ein Proband fasst ein Objekt zwischen Daumen und Zeigefinger und hebt es an, während die Griff- und Hubkräfte der Finger sowie die Position des Objektes fortlaufend registriert werden (Abb. 5.29). Geschicktes Greifen zeichnet sich durch einen gleichmäßigen Anstieg der Griff- und Hubkräfte aus. Die Kräfte werden der Last und der Haftreibung an den Fingerspitzen optimal angepasst. Bei gleichem Gewicht werden glatte Gegenstände (Kunststoff) automatisch fester gefasst als raue Objekte (Holz), um sie sicher handhaben zu können (Abb. 5.29b). Diese unbewusste Anpassung gelingt nach Betäubung der Fingerspitzen (Lokalanästhesie, Kälte) nicht mehr; glatte Gegenstände entgleiten den Fingern, Zerbrechliches wird zerdrückt. Hieran wird die Bedeutung der sensorischen Rückmeldung für die Feinmotorik deutlich. Neugeborene können noch keinen Präzisionsgriff einsetzen. Dieser entwickelt sich erst gegen Ende des ersten Lebensjahres nach Etablierung der monosynaptischen kortikomotoneuronalen Verbindungen, und zeigt anfangs noch sehr unregelmäßige Kraftverläufe.

MERKE

Die meisten kortikospinalen Axone enden an spinalen Interneuronen. Die direkte monosynaptische Projektion auf die spinalen Motoneurone ist phylogenetisch jung. Sie ermöglicht, die Motoneurone unabhängig von den auf sie konvergierenden Reflexwegen direkt zu aktivieren; das kortikale „Kommando“ erreicht die Zielneurone zum geplanten Zeitpunkt mit dem geplanten Inhalt unmittelbar. Dagegen ändert eine indirekte Übertragung eines Signals über prämotoneuronale Interneurone stets den ursprünglichen Signalinhalt.

Klinik

Capsula-interna-SyndromIn der Capsula interna verlaufen dicht gedrängt die efferenten und afferenten Bahnen, welche die sensomotorischen Kortexgebiete mit subkortikalen Zentren verbinden. Größere Läsionen (Blutung, Ischämie) der Capsula interna führen zu einer ausgeprägten Lähmung der kontralateralen Körperhälfte. Sie ist anfänglich schlaff, später ändert sie sich häufig in eine spastische Lähmung. Der Präzisionsgriff ist stark beeinträchtigt, stattdessen wird mit dem Massengriff (gemeinsamer Fingerschluss) gefasst. Die Bewegungen sind ungeschickt und verlangsamt. Falls der Patient das Gehen wieder erlernt, wird das gelähmte Bein gestreckt in einer Zirkumduktionsbewegung nach vorn geschwungen. Der betroffene Arm schwingt beim Gehen kaum, sondern bleibt in Ellenbogen und Handgelenk flektiert und proniert (Wernicke-Mann-Gangbild).

Im Gegensatz zum Capsula-interna-Syndrom haben umschriebene Läsionen des primär-motorischen Kortex deutlich geringere Folgen. Generell nimmt die Stärke der Kontraktionen der betroffenen Muskulatur ab. Die Feinmotorik ist auf der kontralateralen Seite wegen des Ausfalls der direkten monosynaptischen Projektion zu den Motoneuronen gestört. Viele Funktionen können nach intensivem Training (Physio-, Ergotherapie) von benachbarten Rindenfeldern übernommen werden.

Aktivität kortikaler Neurone

Kortex:primär-motorischerNeuron:kortikalesDie Lähmung, spastische, Capsula-interna-SyndromIschämie:Capsula-interna-SyndromHemiparese:kontralateraleCapsula-interna-SyndromPyramidenbahnneurone vonPräzisionsgriff:Capsula-interna-Syndrom Wernicke-Mann-GangbildM1 sind für Aktivität:kortikaleden Aufbau Feinmotorik:Kortexläsionverschiedener Komponenten einer Bewegung verantwortlich. Dies wurde an Affen studiert, die auf ein Lichtsignal hin Arm- und Handbewegungen unter verschiedenen experimentellen Bedingungen durchführten. Typischerweise erhöhte sich die Aktionspotenzialfrequenz der Neurone etwa 150 ms nach dem Signal, die Bewegung begann weitere 150 ms später (Reaktionszeit ≈ 300 ms). Die Neurone organisieren u.a. (a) die Stärke einer Kontraktion, (b) die Richtung einer Bewegung sowie (c) die Dynamik, mit der eine Bewegung durchgeführt wird.
  • Kontraktionskraft: Je stärker die Aktivität der M1-Neurone während einer definierten Bewegung ist, desto Kontraktionskraft:kortikale Neuronekräftiger kontrahieren die beteiligten Muskeln.

  • Richtung einer Bewegung: Neurone des M1, die Zeigebewegungen des Armes steuern, weisen eine richtungsspezifische Bewegung:kortikale NeuroneAktivität auf. Jedes Neuron ist besonders dann aktiv, wenn die Bewegung in eine bestimmte Richtung erfolgt. Viele M1-Neurone mit ähnlicher Vorzugsrichtung bilden zusammen eine Population, welche die verschiedenen Armmuskeln spezifiziert und aktiviert, die dann die Bewegung in die intendierte Richtung durchführen.

  • Dynamik: Generell ist die Aktivität der Neurone von M1 während dynamischer Bewegungen (Kippen eines Bechers) höher als während statischer Aufgaben (Halten des Bechers). Dies zeigt, dass die Neurone am Aufbau der Dynamik einer Arm- und Handbewegung beteiligt sind.

Am Aufbau komplexer motorischer Aufgaben, bei denen verschiedene Bewegungen in einer räumlich-zeitlichen Struktur miteinander gekoppelt werden, sind neben M1 auch die anderen motorischen Kortexgebiete beteiligt. Dies zeigt Abb. 5.30 mit Registrierungen der Hirnaktivität während einfacher und komplexer Fingerbewegungen. Bei der einfachen Aufgabe des Zusammenpressens einer Feder (Abb. 5.30a) sind der kontralaterale primär-sensomotorische Kortex und das ipsilaterale Zerebellum aktiv. Bei der Durchführung der komplexen Bewegung (Abb. 5.30b) erkennt man zusätzliche Aktivität der SMA und des PPK. Noch stärker wird die Aktivität, wenn die Bewegungen statt mit der rechten mit der nichtdominanten linken Hand vollführt werden (erhöhte Schwierigkeit).
Sensorische AfferenzDie NeuroneAfferenz:sensorische des motorischen Kortex werdenNeuron:kortikales von ausgedehnten propriozeptiven und kutanen rezeptiven Feldern im Bereich der Zielmuskeln über den Verlauf der von ihnen initiierten Bewegung informiert. So werden Neurone, die zu den Fingerbeugern projizieren, sowohl durch eine Dehnung dieser Muskeln als auch durch eine Berührung der Finger- und Handinnenfläche erregt. Afferente Informationen gelangen über kurze Assoziationsfasern („U-Fasern“) vom primär-sensorischen zum primär-motorischen Kortex. Beide Gebiete sind bei Bewegungen gemeinsam aktiv. Wegen der engen Verschaltung können Neurone des M1 schnell auf Störungen reagieren (Abb. 5.31). Verläuft eine Bewegung, hier eine Handgelenksextension, ungehindert, erreicht das Pyramidenbahnneuron des M1 eines Affen während der Extension eine konstante Aktivität, die bei Annäherung an die Endstellung wieder abnimmt. Wird die Bewegung durch eine externe Last behindert (Pfeil in Abb. 5.31), reagiert das Neuron schon nach knapp 40 ms mit einer kurzen starken Aktivierung (über 200 Aktionspotenziale/s). Es folgt ein kurzer Rückgang der Entladungsrate, und danach steigt die Aktivität des Neurons über den Kontrollwert an, sodass die Extension wie geplant fortgesetzt wird. Der beschriebene Vorgang wird als transkortikaler („long-loop“) Reflex bezeichnet. Ein analoger Vorgang tritt beim Präzisionsgriff des Reflex:transkortikalerMenschen auf, wenn die Fingerspitzen beim Heben Long-Loop-Reflexunerwartet abzurutschen beginnen (Abb. 5.29c). Mechanosensoren der Haut registrieren diese Störung empfindlich, und bereits nach ca. 70 ms wird die Griffkraft erhöht, um ein weiteres Entgleiten zu verhindern. Dieses sofortige „Nachfassen“ ist keine bewusste Reaktion, die eine längere Reaktionszeit (> 200 ms) erfordern würde, sondern vermutlich ein transkortikaler Reflex.

Supplementär-motorische Area und prämotorischer Kortex

Die außerhalb Präzisionsgriff:transkortikaler Reflexdes primär-motorischen Kortex (M1) gelegenen motorischen Areale (SMA, ZMA, PMD, PMV, Abb. 5.26) werden oft als sekundär-motorische Kortexgebiete zusammengefasst. Wegen ihrer efferenten Projektion zu M1 gelten sie als vorgeschaltete Instanzen der Bewegungsplanung. Allerdings stammen auch etwa 30% der kortikospinalen Efferenzen aus diesen Arealen und können die spinalen Reflexwege zu den Motoneuronen direkt steuern, zusätzlich zu der Verschaltung über M1. Das Konzept einer strikten „Befehlssequenz“ vom sekundär- zum primär-motorischen Kortex zum Rückenmark vernachlässigt diese Tatsache. Für die sekundär-motorischen Kortexgebiete fällt im Vergleich zu M1 auf, dass die lokale Reizung bei höherer Reizschwelle komplexere Bewegungen auslöst, Kortex:sekundär-motorischerund dass umschriebene Läsionen diskretere Symptome verursachen.

Klinik

Funktionen der motorischen Kortexgebiete und ihrer efferenten Bahnen kann man mit der transkraniellen Magnetstimulation (TMS) und der funktionellen Bildgebung (z.B. fMRT) untersuchen. Bei der TMS durchfließt ein kurzer Stromstoß eine ring- oder achtförmige Spule, die an den Kopf des Patienten über den Kortex gehalten wird. Das Magnetfeld der Spule induziert eine Spannung, welche die kortikalen Neurone erregt. Dadurch ausgelöste Kontraktionen der Skelettmuskeln (Reizantwort) werden mit dem Elektromyogramm erfasst und ihrer zeitlichen Latenz und Amplitude beurteilt. Repetitive unterschwellige Magnetstimulation kann den Kortex lokal hemmen. Die fMRT erfasst die Änderung der magnetischen Eigenschaften des Hämoglobins, die bei einer lokalen Steigerung der Durchblutung stattfindet, als ein indirektes Zeichen verstärkter neuronaler Aktivität von Hirnarealen bei ausgewählten Aufgaben.

Supplementär-motorische Area (SMA)Wird eine Bewegung zu einem TMS (transkranielle Magnetstimulation)willkürlich gewählten Zeitpunkt selbst Magnetstimulation, transkranielleinitiiert, dann sind Teile der SMA bis zu 2 Sekunden früher als M1 aktiv, deutlich vor dem sichtbaren Bewegungsbeginn (Abb. 5.25). Die SMA hat eine „Starterfunktion“, die den Zeitpunkt intern generierter Bewegungen festlegt. Sie ist ein wichtiges Projektionsgebiet der Basalganglien und der motorischen Thalamuskerne (Kap. 5.8). Demgemäß haben Patienten mit Morbus Parkinson oft Schwierigkeiten, Morbus:ParkinsonBewegungsabläufe (z.B. das Gehen) selbst zu initiieren, was durch Vorgabe externer Reize erleichtert wird (z.B. Metronomtakt, Zebrastreifen). Elektrische Reizung der SMA löst zusammengesetzte Bewegungen aus, z.B. ein Heben des Arms mit gleichzeitiger Kopf- und Rumpfdrehung. Die SMA ist auch dann aktiv, wenn man sich eine Bewegungssequenz intensiv mental vorstellt (kinästhetische ImaginationAreal:supplementär-motorisches), ohne sich jedoch tatsächlich zu bewegen. Schließlich organisiert die SMA die bimanuelle KoordinationAreal:supplementär-motorisches, und zwar Imagination, kinästhetischebesonders während asymmetrischer, gegenläufiger Bewegungen beider Hände (Abb. 5.32).
Koordination, bimanuelleDorsaler prämotorischer Kortex (PMD)Der PMD ist an der Bildung des impliziten motorischen Gedächtnisses beteiligt (s.a. Kap. 6.3.2), besonders beim Erlernen der Bedeutung visueller Hinweisreize für die Bewegungsplanung. Gedächtnis:motorischesWenn wir mit Gegenständen hantieren, dann sorgt das motorische Gedächtnis für eine vorausschauende Planung des optimalen Krafteinsatzes. Eine volle Milchtüte wird bereits vor dem Hochheben, d.h. Gedächtnis:motorischesbevor man ihr Gewicht spürt, mit der passenden Kraft gegriffen und angehoben. Diese antizipatorische Kraftkontrolle ist so selbstverständlich, dass man sich ihrer erst bei einem überraschenden Irrtum bewusst wird, wenn etwa die vermeintlich volle Milchpackung leer ist und die Bewegung daher überschießend verläuft. Die Bildung des motorischen Gedächtnisses erfordert es, die Bedeutung visueller Hinweisreize für die Bewegungsplanung zu erlernen (im Beispiel: Verschluss der Packung versiegelt oder offen). Eine Läsion oder eine Hemmung des PMD beeinträchtigt diesen Lernvorgang und führt zu Fehlplanungen.
Ventraler prämotorischer Kortex (PMV)Dieses Gebiet ist in die visuomotorische Steuerung des Greifens eingebunden. Beim Greifen nach einem Apfel wird die sich nähernde Hand anders geformt als beim Griff nach einem Stift. Der PMV Greifen, ventraler prämotorischer Kortexerhält Afferenzen vom posterior-parietalen Kortex, der visuelle und somatosensorische Informationen so aufarbeitet, dass sie zur Auswahl der passenden Greifbewegung genutzt werden können. Der PMV projiziert zum primär-motorischen Kortex, der selbst keinen direkten visuellen Eingang hat, sondern die vorverarbeitete Information für die Ausgestaltung des motorischen Kommandos zu den Arm- und Handmuskeln verwendet. Einige Zellen (sog. Spiegelneurone) des PMV sind sowohl bei Planung und Durchführung einer Bewegung als auch während der passiven Beobachtung derselben Bewegung beiSpiegelneurone einer anderen Person aktiv.

MERKE

Generell sind die medial gelegenen sekundär-motorischen Gebiete (SMA, ZMA) eher bei Bewegungen aktiv, die zu einem frei gewählten Zeitpunkt selbst initiiert werden, während die lateralen prämotorischen Areale (PMD, PMV) eher Bewegungen organisieren, die durch externe Reize (visuell, akustisch) ausgelöst werden.

Wenn auch der posterior-parietale Assoziationskortex nicht zu den sekundär-Assoziationskortex:posterior-parietalermotorischen Kortexgebieten zählt, da lokale Motorik:posterior-parietaler AssoziationskortexReizung keine Bewegungen auslöst, ist er aufgrund seiner sehr engen Verbindungen mit den prämotorischen Kortizes intensiv in die Motorik eingebunden. Er liefert den motorischen Kortexgebieten die aus verschiedenen Sinneskanälen aufbereitete Information, die für die Bewegungsplanung benötigt wird (z.B. über Form, Lage und Orientierung eines Gegenstandes relativ zum Körper).

Klinik

Läsionen des posterior-parietalen Kortex führen zu komplexen Störungen. Besonders Schädigungen der linken, sprachdominanten Seite verursachen Apraxien. Dies sind Störungen willkürlicher zielgerichteter Bewegungsabläufe, die nicht auf eine motorische Schwäche oder Sensibilitätsstörung zurückzuführen sind. Bei gestörtem Handlungskonzept werden die Elemente einer Bewegung falsch ausgewählt oder in einer Handlungsfolge falsch angeordnet. Beim Versuch, eine Tür aufzuschließen, wird z.B. zunächst der Finger in das Schlüsselloch gesteckt und danach erst nach dem Schlüssel gesucht. Vornehmlich nach Läsionen des rechten posterior-parietalen Kortex tritt eine als Neglect bezeichnete Störung auf, bei welcher der Betroffene Schwierigkeiten hat, die zur Läsion kontralaterale Seite seiner Umgebung und auch seines Körpers wahrzunehmen. Er stößt z.B. wiederholt an Hindernisse wie Stühle, die sich in der linken Hälfte seines Gesichtsfeldes befinden, da er sie übersieht (bei intakter Sehbahn !). Außerdem kann ein Nichtgebrauch, eine Vernachlässigung der kontraläsionalen Extremitäten vorkommen, der manchmal als Hemiparese fehlgedeutet wird.

ZUSAMMENFASSUNG

Die motorischen Kortexgebiete nehmen in Aufbau und Durchführung der Motorik spezifische Funktionen wahr. Die kortikalen motorischen Efferenzen projizieren auf verschiedene subkortikale Zielsysteme, wobei Schädigungen in dieser Projektion lokalisationsabhängige charakteristische Ausfallsymptome erzeugen.

Organisation des Rückenmarks

NeglectRückenmark:OrganisationSystem:motorischesM. Illert, J.-P.ZNS (zentrales Nervensystem):Organisation des Rückenmarks Kuhtz-Buschbeck

Zur Orientierung

Die Bewegungsprogramme werden im Rückenmark in eine Aktivierung der Effektoren umgesetzt, damit in eine Bewegung von Gelenken. Die neuroanatomische Struktur für diese Umsetzung ist ein spinales, aus Interneuronen bestehendes Integrationssystem, das die verschiedenen Programmkomponenten zusammführt und daraus eine Signalfolge an die Effektoren erarbeitet. Dazu gehört die Koordination der Muskelgruppen, die bei der Erzeugung von Kontraktionskraft als Synergisten und Antagonisten zusammenarbeiten und den Körper gegen die Schwerkraft aufrecht halten. Rückmeldungen zum Ablauf der Bewegung und zu externen Ereignissen, die die Bewegungsdurchführung stören, werden in das Bewegungsprogramm eingearbeitet. Parallel werden die supraspinalen Systeme über die Situation der Peripherie und die im Rückenmark ablaufende Integration informiert. Die übergeordneten motorischen Systeme steuern über differenzierte Kontrollmechanismen die Verarbeitung im spinalen Integrationssystem und stellen sicher, dass die Bewegungsprogramme im Kontext des strategischen Ziels umgesetzt werden.

Sensomotorische Integration und Reflexe

Sensomotorische Integration
Integration, sensomotorischeDas Rückenmark ist ein umfassendes Rückenmark:sensomotorische Integrationneuronales Integrationssystem. Zur Umsetzung der motorischen Bewegungsprogramme stellt es die anatomischen Verschaltungen und funktionellen Verarbeitungsmechanismen bereit, die verschiedene Funktionen erfüllen:
  • Information der Verarbeitungsebenen des Nervensystems über die Situation in der Peripherie

  • Ansteuerung der Motoneurone und Koordination synergistischer Effektorgruppen

  • Interaktion der somatosensorischen Afferenz und der Bewegungsprogramme

Das Integrationssystem besteht aus etwa 14 Millionen Neuronen, 90% von ihnen sind Neuron:RückenmarkInterneurone. Somatosensorische Rezeptoren projizieren ihre Interneurone:RückenmarkInformation in das Integrationssystem hinein, Motoneurone aktivieren als Endstrecken ihre jeweiligen Effektoren (Abb. 5.33). Kurze und lange aszendierende Trakte leiten Informationen in übergeordnete Systeme, deszendierende Trakte steuern die Integrationsmechanismen an.
Spinale sensomotorische IntegrationDie Zusammenführung somatosensorischer Integration, sensomotorische:spinaleInformationen mit den zentralen Bewegungsprogrammen, die spinale sensomotorische Integration, ist die Basis für die Koordination von Muskeln und Gelenken. Sie findet in gemeinsamen Interneuronen statt, die Konvergenzen von Interneurone:spinales Verarbeitungssystemsomatosensorischen und deszendierenden Informationskanälen erhalten (Abb. 5.34a). Somatosensorische Kanäle übertragen Informationen aus der sich bewegenden Extremität, deszendierende Kanäle die Bewegungsprogramme. Dadurch haben beide Systeme gegenseitigen Zugriff auf die Übertragung zu den Motoneuronen: Die somatosensorische Information steuert die Übertragung des deszendierenden Bewegungskommandos auf die Motoneurone, wie auch umgekehrt das deszendierende Signal die Übertragung afferenter Information. Afferenz und Bewegungsprogramm:RückenmarkAfferenz:RückenmarkBewegungsprogramme sind eine nicht trennbare Einheit. Im Gegensatz dazu Rückenmark:Bewegungsprogrammeging man früher davon aus, dass Afferenzen und deszendierende Bewegungsprogramme über jeweils eigene Interneurone auf die Motoneurone projizierten (Abb. 5.34b) und trennte eine „Willkürmotorik“ von einer „Reflexmotorik“.
Somatosensorisches FeedbackBeim Feedback als ereigniskorreliertem Signal Feedback:somatosensorischesunterscheidet man zwischen einer Aktivität als Folge einer programmierten Bewegung (Typ 1) und einer Aktivität als Folge einer unvorhergesehenen, aus der Umwelt entstandenen Störung des Bewegungsablaufs (Typ 2). Bei einer programmierten Bewegung wird das sensorische Erregungsmuster des Feedbacks von den zentralen motorischen Strukturen erwartet und ist ein integraler Teil des motorischen Programms (Typ 1). Man bezeichnet ein solches Signal als Reafferenz. Bei einer Störung des Bewegungsablaufs (Typ 2) Reafferenzsignalisiert die sensorische Aktivität einen unerwarteten Fehler, auf den das Nervensystem im Rahmen einer Um- oder Neuprogrammierung antworten muss.

MERKE

Die sensomotorische Integration mit der Zusammenführung deszendierender Bewegungsprogramme und der Information somatosensorischer Rezeptoren findet auf prämotoneuronaler Ebene an gemeinsamen Interneuronen statt. Afferenz und Bewegungsprogramm sind eine nicht trennbare Einheit.

Reflexbegriff in der Motorik: Definition und Einordnung
DefinitionMotorik:ReflexbegriffUnter einem Reflex versteht man eine automatische und Reflex:Definitionunwillkürliche Antwort der Muskulatur auf eine Erregung somatosensorischer Afferenzen. Als Beispiel zeigt Abb. 5.35,Afferenz:somatosensorische dass ein Schlag mit dem Reflexhammer auf die Patellarsehne die Längenrezeptoren des M. quadriceps femoris erregt und eine Kontraktion des Muskels Musculus:quadriceps femorisauslöst. In deren Folge wird der Fuß nach vorne bewegt. Die Reflexantwort ist in ihrer Ausprägung (Latenz, Intensität, Muster) eng an die Erregung der Rezeptoren gekoppelt. Mit zunehmender Aktivierung der Rezeptoren nimmt die Amplitude der Reflexantwort zu. Zudem verkürzt sich die Latenz der Antwort und es können qualitativ neue Komponenten des Verhaltens auftreten (z.B. die verschiedenen Formen des Fluchtverhaltens bei zunehmender Erregung von Nozizeptoren, Kap. 5.5.6).
Der Reflexweg ist das neuronale Substrat der Reflexantwort. Er besteht aus Reflexwegeiner Kette sequenziell verschalteter Elemente: einer Gruppe von Rezeptoren als Eingangsstation, einer im ZNS gelegenen Verschaltung mit Motoneuronen sowie der Projektion auf die Muskeln als Effektoren des Wegs (Abb. 5.35).
Funktionelle EinordnungDie Annahme, dass eine Erregung von Rezeptoren Reflex:funktionelle Einordnungstereotyp zu einer Aktivierung von Effektoren führe, trifft für Vertebraten nicht zu. Reflexe haben sich in der Evolution früh entwickelt und übernehmen in der Motorik von Invertebraten als rezeptorgekoppelte Reaktionen eine wichtige Funktion. Bei den Vertebraten ist eine effektive supraspinale Kontrolle der Übertragung in den spinalen Reflexwegen ein entscheidender Faktor. Beim gesunden Menschen baut sie die Aktivierung der Rezeptoren in den geplanten Verhaltenskontext ein und verhindert, dass Reflexe unkontrolliert in den Bewegungsablauf einschießen und seine Durchführung stören. Wenn dagegen die supraspinale Kontrolle der Reflexwege gestört ist, z.B. bei Läsionen im Rückenmark, kann eine Aktivierung somatosensorischer Rezeptoren durchaus zu automatischen und stereotypen motorischen Reflexantworten führen (Kap. 5.5.6).Reflex:PrüfungenReflex:polysynaptischer

Klinik

Reflexe in der klinisch-neurologischen DiagnostikReflexprüfungen sind aus 2 Gründen relevant: Einmal kann geprüft werden, ob der untersuchte neuroanatomische Reflexweg intakt ist (Reflex vorhanden oder nicht), zum anderen kann der Nachweis einer normalen, gesteigerten oder reduzierten Reflexantwort Auskunft über die Verarbeitung in den neuronalen Systemen des Rückenmarks und deren supraspinalen Kontrolle geben. Klinisch werden dabei unterschieden:

  • Polysynaptischer vs. monosynaptischer Reflex: Die meisten Reflexwege sind aus vielen Interneuronen aufgebaut. In solchen polysynaptischen Wegen ist die Übertragung stark von den auf die Interneurone konvergierenden Systemen abhängig. Damit sind diese Reflexe in Schwelle, Ausprägung und Erscheinungsbild variabel, was eine sorgfältige Reflexprüfung voraussetzt. Monosynaptische Reflexe sind im Vergleich zu polysynaptischen eine Ausnahme. Ein Beispiel ist der Muskeldehnungsreflex, ein monosynaptischer Reflex des Rückenmarks (Kap. 5.5.4).

  • Eigenreflex vs. Fremdreflex: Die Bezeichnung greift die räumliche Beziehung zwischen Rezeptoren und Effektoren auf. Beim Eigenreflex sind Rezeptor und Effektor im gleichen Organ lokalisiert, z.B. beim Patellarsehnenreflex (Abb. 5.35). Beim Fremdreflex dagegen gehören Rezeptor und Effektor zu verschiedenen Organen, z.B. führt die Erregung der Schmerzrezeptoren der Haut zur Kontraktion mehrerer Muskeln.

Klinisch wichtige ReflextestungenMit der am Beispiel des Patellarsehnenreflexes beschriebenen Methode können an der quergestreiften Muskulatur Eigenreflexe ausgelöst werden, was zur Basisdiagnostik klinisch-neurologischer Untersuchungen gehört. Bauchdecken- und Kremasterreflexe sind typische Fremdreflexe, die durch ein kompliziertes interneuronales Verschaltungssystem mit einer ausgeprägten deszendierenden Steuerung realisiert werden. Zu ihrer Auslösung bestreicht man die Haut des Bauches bzw. der Oberschenkelinnenseite und aktiviert dadurch die niederschwelligen Hautrezeptoren. Beim Bauchdeckenreflex kontrahiert die Bauchmuskulatur auf der betroffenen Seite, beim Kremasterreflex wird der Hoden nach oben gezogen. Zur Auslösung des Babinski-Reflexes streicht man mit einem spitzen Gegenstand fest über den lateralen Rand der Fußsohle. Ein gesunder Erwachsener krümmt daraufhin die Zehen nach plantar (Babinski-negativ), ein Neugeborenes spreizt die Zehen fächerartig und flektiert die Großzehe nach dorsal (Babinski-positiv). Der positive Babinski-Reflex des Neugeborenen verschwindet nach einigen Lebensmonaten. Dies geht auf eine zunehmende Kontrolle des spinalen interneuronalen Apparats durch deszendierende Systeme zurück und ist ein Hinweis auf eine normale Entwicklung des ZNS. Die Pyramidenbahn soll im Vordergrund dieser Reflexumkehr stehen. Liegt beim Erwachsenen ein positiver Babinski-Reflex vor, ist eine der möglichen Ursachen eine Störung der deszendierenden Kontrolle der Interneurone.

MERKE

Die Erregung somatosensorischer Rezeptoren wird in die ablaufende Motorik eingebaut, ohne das Erreichen des Bewegungsziels zu stören. Zur ärztlichen Diagnostik werden Reflexe unter artifiziellen Bedingungen ausgelöst, die in der natürlichen Motorik nicht auftreten.

Muskelrezeptoren

Die Rezeptorsysteme von Haut (Kap. 4.1) und Muskulatur (s.u.) sind Reflex:monosynaptischerPyramidenbahn:Babinski-ReflexKremasterreflexInterneurone:ReflexEigenreflexFremdreflexBauchdeckenreflexBabinski-ReflexReflex:Babinski-ReflexMuskelrezeptorwichtig für die Steuerung der Motorik. Zu den Muskelrezeptoren (Abb. 5.36) gehören die Längenrezeptoren in den Muskelspindeln und die Spannungs- bzw. Kraftrezeptoren in den Sehnen (Golgi-Sehnenorgane).
Längenrezeptoren
Lage und VorkommenDie Längenrezeptoren sind in Muskelrezeptor:LängenrezeptorenLängenrezeptor:Muskelspindelförmigen Bindegewebsstrukturen lokalisiert (Muskelspindeln, MSP) die in allen Muskeln des Bewegungsapparats Muskelspindel:Vorkommenvorhanden sind. Die Spindeldichte (Zahl/g Muskelgewicht) ist in der Nackenmuskulatur am größten, gefolgt von den Muskeln zu den distalen Extremitäten. Die Rezeptoren haben sich aus Muskelfasern modifiziert (sog. intrafusale Muskulatur) und liegen parallel zur Arbeitsmuskulatur (extrafusale Muskulatur:intrafusaleMuskulatur). Sie sind mehrere Millimeter lang und haben einen leicht Muskulatur:extrafusaledehnbaren mittleren Bereich (Äquator, Abb. 5.36b). Die kontraktilen Elemente sind in den Polen der Rezeptoren lokalisiert (Abb. 5.36c). Die Rezeptoren folgen den Längenänderungen der Arbeitsmuskulatur, da die MSP bindegewebig mit der extrafusalen Muskulatur verwachsen sind. Anhand der Lokalisation der Zellkerne werden die Rezeptoren unterteilt in:
  • Kernsackfasern (Zellkern:KernsackfaserNuclear-Bag-Rezeptoren; NB; Kernsackfasersackförmige Anordnung der Kerne im Äquatorialbereich, 2 NB/Nuclear-Bag-RezeptorMuskelspindel)

  • Kernkettenfasern (Zellkern:KernkettenfaserNuclear-Chain-Rezeptoren; NC; Kernkettenfaserkettenartige Anordnung der Kerne im Nuclear-Chain-RezeptorÄquatorialbereich, mehrere NC/Muskelspindel)

Die NC- und eine der 2 NB-Rezeptoren sind als Proportionalrezeptoren zur Messung der absoluten Muskellänge ausgelegt, der zweite NB-Rezeptor als Differenzialrezeptor zur Messung der Geschwindigkeit der Längenänderung.
Die durch die Längenänderung der Rezeptoren generierte Information wird durch 2 afferente Systeme an das ZNS geleitet (Ia-System und Gruppe-II-System).
Adäquater Reiz – LängenzunahmeDie Verlängerung der Arbeitsmuskulatur ist der adäquate Reiz zur Aktivierung der Längenrezeptoren (Abb. 5.37). Bei einer Längenzunahme wird ihr „weicher“ Äquatorialbereich gedehnt, und in den mit ihm verwachsenen rezeptiven Membranen der Axone öffnen sich mechanosensible Ionenkanäle. Dies generiert Rezeptorpotenziale, bei überschwelliger Erregung entstehen Aktionspotenziale. Ihre Frequenz ist während der Längenzunahme höher als nach Einstellung auf die neue Muskellänge (Abb. 5.37b), der Rezeptor misst sowohl die Geschwindigkeit der Längenänderung (dynamische Antwort) als auch die absolute Muskellänge (proportionale Antwort). Abb. 5.39a zeigt, dass die dynamische Antwort vorwiegend in den Ia-Axonen geleitet wird, die proportionale vorwiegend in den Axonen der Gruppe II.
Efferente Innervation und Steuerung der LängenrezeptorenDas Nervensystem hat über γ-Motoneurone direkten Zugriff auf die Messeigenschaften der <03B3>-Motoneuron:LängenrezeptorenRezeptoren (Abb. 5.36c, s.a. Abb. 5.38b). Ihre Innervation löst in den Polen eine langsam ablaufende Kontraktion aus und dehnt, bei unveränderter Gesamtlänge, die Äquatorialzone der Rezeptoren. Dies aktiviert die mechanosensitiven Ionenkanäle und löst Aktionspotenziale aus.
Einstellung der MesseigenschaftenDie Längenzunahme eines Muskels generiert bei gleichzeitiger γ-Innervation eine höherfrequente Ia-Aktivität als ohne γ-Innervation (Abb. 5.37, Vergleich Registrierungen c/d mit b). Die Unterschiede in den Registrierungen c und d gehen auf 2 Gruppen von γ-Motoneuronen zurück: die sog. dynamischen γ-Motoneurone innervieren die NB-Rezeptoren und kontrollieren die differenzielle Messeigenschaften, die sog. statischen γ-Motoneurone innervieren die NC-Rezeptoren und kontrollieren die proportionale Messeigenschaften. Damit können die Messeigenschaften der Rezeptoren durch die selektive Aktivierung dynamischer oder statischer γ-Motoneuronen getrennt voneinander eingestellt werden (Abb. 5.37, Vergleich c mit d und jeweils mit b).
In Abhängigkeit von der Strategie stellt das Bewegungsprogramm über diese beiden γ-Kanäle ein, ob bei den geplanten Bewegungen bevorzugt die absolute Muskellänge oder die Geschwindigkeit der Längenänderungen gemessen werden soll (s.a. Abb. 5.45).
Sicherung der MesseigenschaftenBei einer Verkürzung eines Muskels sollten sich seine Längenrezeptoren auffalten, weil sie parallel zu den Muskelfasern angeordnet sind. Sie würden dann als Fühler der Muskellänge ausfallen. Die γ-Motoneurone verhindern eine solche Auffaltung, weil <03B3>-Innervation:Sicherung der Messeigenschaftensie die intrafusalen Muskelfasern synchron mit den α-Motoneuronen Muskulatur:intrafusaleinnervieren, und zwar mit etwa dem gleichen Kontraktionssignal (zentrales Signal). Dadurch verkürzen sich die intra- und extrafusale Muskulatur auf die gleiche Ziellänge, sodass Rezeptorempfindlichkeit und afferente Information erhalten bleiben (Abb. 5.38, s.a. Kap.5.5.4, α-γ-Koaktivierung).

MERKE

Über das γ-System stellen die zentralen motorischen Strukturen ein, ob bei einer Längenänderung des Muskels die Rezeptoren bevorzugt die differenziellen oder die proportionalen Eigenschaften des Reizes erfassen.

Spannungsrezeptoren – Golgi-Sehnenorgane
Aufgabe, Lage, InnervationBei der Kontraktion oder SpannungsrezeptorGolgi-SehnenorganErschlaffung eines Muskels ändert sich seine Spannung. Diese Änderungen werden von Rezeptoren in den Sehnen der Muskeln gemessen (Golgi-Sehnenorgan, GOS, Abb. 5.36a). Ein Muskel hat etwa 50–100 solcher Rezeptoren. Ein GOS (Bindegewebskapsel von 1 mm Länge und 0,1 mm Durchmesser) umfasst etwa 20–50 Bündel terminaler Sehnen der Muskelfasern. Mit ihnen sind die Kollateralen der Ib-Axone verwachsen, die jeweils ein GOS innervieren.
Adäquater ReizDie GOS liegen in Serie zur extrafusalen Reiz:adäquaterMuskulatur, ihr adäquater Reiz ist ein aktiv oderMuskulatur:extrafusale passiv erzeugter Anstieg der Muskelspannung bzw. Muskelkraft (Abb. 5.39b, Spur 3). Bei Kontraktionen komprimieren die terminalen Sehnen die rezeptiven Bereiche der Ib-Axone. Dort vorhandene mechanosensible Ionenkanäle werden geöffnet, ein Rezeptorpotenzial generiert und Aktionspotenziale ausgelöst. Der Rezeptor hat eine proportional-Proportional-Differenzial-Rezeptor:Golgi-Sehnenorgandifferenzielle Messcharakteristik. Er arbeitet sehr empfindlich und kann die Kontraktionskraft einzelner motorischer Einheiten messen.
Länge und Spannung im kontrahierenden Muskel
Längen- und Spannungsrezeptoren werden im kontrahierenden Muskel in der Regel gleichzeitig erregt (Abb. 5.39c), mit Ausnahme rein isometrischer oder isotoner Kontraktionen. Zusätzlich werden Haut- und Gelenkrezeptoren sowie unmyelinisierte Rezeptoren erregt. Willkürbewegungen aktivieren also ein breites Ensemble verschiedener sensorischer Modalitäten, die im ZNS als reafferente Informationen zur Steuerung der Bewegungsprogramme zur Verfügung stehen. Die wesentlichen afferenten Systeme aus der Muskulatur fasst Tab. 5.7 zusammen.

MERKE

Bei Kontraktion oder Erschlaffung der Skelettmuskulatur ändern sich in der Regel Länge und Spannung. Längen- und Spannungsrezeptoren werden also gleichzeitig erregt.

Interneurone als Zentren der Integration

In dem spinalen Integrationssystem, das die Interneurone:Zentren der Integrationsensomotorische Integration umsetzt, sind die Interneurone die Verarbeitungsstellen, an denen die afferenten und deszendierenden Zuströme miteinander interagieren. Das System organisiert koordinierte Verhaltensreaktionen mit allen relevanten motorischen, sensorischen und vegetativen Reaktionen, darunter auch extremitätenübergreifende muskuläre Synergien, eine der Voraussetzungen für koordinierte Bewegungen.
Afferente Systeme
Die propriozeptiven Afferenzen (Tab. 5.7) sind über Interneurone mit den Afferenz:propriozeptiveMotoneuronen verschaltet (Ausnahme monosynaptische Projektion des Ia-Systems auf Motoneurone). Jedes Interneuron erhält über 1.000–10.000 fördernde und Interneurone:propriozeptive Afferenzenhemmende Synapsen Eingänge von verschiedenen Funktionssystemen. Interneurone sind also keine simplen 1 : 1-Übertragungsstellen, sondern integrieren die konvergierenden Informationen, verarbeiten sie zu einem neuen Signal und leiten das Ergebnis an die nachgeschalteten Neurone weiter. Solche Verschaltungswege sind ausführlich untersucht, einschließlich ihrer Funktion in normalen und pathologischen Situationen:
  • monosynaptische Projektion von Ia-Afferenzen auf Motoneurone

  • Weg von Ia-Afferenzen, der die Hemmung zwischen antagonistischen Muskeln an Scharniergelenken aufbaut (reziproke Hemmung)

  • Weg von Ib-Afferenzen, der die Motoneurone des rezeptortragenden Muskels hemmt (autogene Hemmung)

  • Wege von Ib- und Gruppe-II-Afferenzen, die abhängig von der Phase der Lokomotion die Extensor- bzw. Flexormotoneurone fördern

  • Wege von Haut-, Thermo- und Nozizeptoren, die über eine Schädigung der Körperoberfläche informieren und eine komplexe Schutzreaktion auslösen (Beugemuster)

Deszendierende Trakte
Polysynaptische VerschaltungenDeszendierende Trakte Trakt, deszendierendersteuern in der Regel über polysynaptische Wege die Motoneurone an und kontrollieren die Übertragung in spinalen Reflexwegen mit exaktem Bezug zu einer konkreten, zeitlich begrenzten Willkürhandlung. Weiter können sie die Übertragung in spinalen Verschaltungswegen tonisch über längere Zeiträume einstellen. So reguliert eine stufenlose retikulospinale Hemmung die Übertragung in spinalen afferenten Projektionen kontextabhängig von einem völligen Übertragungsblock bis zu einer optimalen Übertragung. Durch einen solchen Mechanismus werden beispielsweise Motoneurone im Schlaf gehemmt, weshalb trotz intensiver Aktivität in motorischen kortikalen Arealen keine Muskelkontraktionen auftreten. Ein anderes Beispiel ist die Kontrolle von Beugereflexafferenzen bei intaktem Rückenmark und deren automatisiertes Auftreten nach spinalen Läsionen (Kap. 5.5.6).
Monosynaptische ProjektionDie monosynaptische Projektion Projektion:monosynaptische, deszendierender Traktdeszendierender Trakte auf α- und γ-Motoneurone hat <03B1>-Motoneuron:deszendierender Trakteine besondere Bedeutung. Sie sichert, dass <03B3>-Motoneuron:deszendierender Traktdas neuronale Signal die Motoneurone zum vorgesehenen Zeitpunkt und mit dem vorgesehenen Inhalt erreicht, und nicht durch eine Verarbeitung in interneuronalen Systemen verändert wird. Dies ist für die Systeme entscheidend, die während einer Bewegung die aufrechte Haltung des Körpers gegen die Schwerkraft sichern (u.a. Tractus vestibulospinalis, retikulospinale Trakte). Der monosynaptische Zugriff dieser Trakte auf die Motoneurone schließt eine Veränderung des supraspinal entwickelten Haltungssignals im spinalen interneuronalen Apparat aus und garantiert damit das Primat der Haltung gegenüber der Bewegung.
Bei Primaten hat ein Teil des kortikospinalen Trakts eine monosynaptische Projektion (Kap. 5.4). Dadurch können die Motoneurone zu Arm und Hand isoliert von zusammenfassenden Synergien des interneuronalen Verarbeitungssystems angesteuert werden, was zur differenzierten Fingermotorik der Primaten führt.

MERKE

Eine monosynaptische Projektion deszendierender Trakte auf Motoneurone umgeht die spinalen Verarbeitungssysteme, sodass die Bewegungsprogramme die Motoneurone zum geplanten Zeitpunkt mit dem geplanten Inhalt erreichen. Dies ist wichtig für die Sicherung der Haltung und für die Feinmotorik der distalen Extremitäten.

Räumliche SummationDie Interneurone:räumliche SummationVerarbeitung der fördernden und hemmenden Summation:räumlicheKonvergenz an prämotoneuronalen Interneuronen folgt den Prinzipien der räumlichen Summation synaptischer Potenziale (Kap. 3.4.4). Das Ergebnis der Verrechnung wird an die nachgeschalteten Motoneurone als Auftreten oder Wegfallen von Aktionspotenzialen weitergeleitet. In Abb. 5.40a bleiben 2 fördernde Konvergenzen (1, 2) alleine unterschwellig, können aber bei gleichzeitiger Erregung ein Aktionspotenzial auslösen. Im Ergebnis steuert der afferente Eingang 1 die Übertragung des deszendierenden Bewegungsprogramms. In Abb. 5.40b wird dagegen ein deszendierendes Bewegungsprogramm durch ein afferentes System abgeschaltet. Dieses Konvergenzmuster kommt häufig in Verhaltensabläufen zum Einsatz, wenn ein deszendierendes Bewegungsprogramm durch einen Kontakt mit einer Oberfläche abgeschaltet werden soll (z.B. Griff zu einem Becher).

Verarbeitungssystem der Muskelspindelafferenzen

Im Vordergrund steht die monosynaptische Projektion der Ia-Afferenzen auf die Motoneurone, die disynaptische Hemmung der antagonistischen Motoneurone und die Projektion von Ia- und Gruppe-II-Afferenzen auf Interneurone anderer Systeme, z.B. des spinalen Lokomotionsgenerators. Supraspinale Systeme stellen über die γ-Innervation die Messcharakteristik der Längenrezeptoren auf den programmierten Bewegungsablauf ein. Das Renshaw-System kontrolliert die Aktivierung der Motoneurone und die reziproke Hemmung in Abhängigkeit vom motoneuronalen Ausgangssignal.
Neuroanatomisches Substrat
Am Aufbau des Muskelspindelsystems sind beteiligt (Abb. 5.41):
  • MuskelspindelsystemLängenrezeptoren: Sie sind parallel zur Längenrezeptor:MuskelspindelsystemArbeitsmuskulatur angeordnet.

  • Ia-Afferenzen zu den Motoneuronen des rezeptortragenden Muskels (Ia-Afferenz:Muskelspindelsystemhomonym) und den mechanischen Synergisten (heteronym): Dieses Projektionsmuster fasst die Muskeln eines Gelenks zusammen.

  • II-Afferenzen mit polysynaptischer Verschaltung zu den II-Afferenz:MuskelspindelsystemMotornuklei praktisch aller Muskeln der Extremität: Das daraus resultierende Bewegungsmuster wird mit dem Beugereflex besprochen (Kap. 5.5.6).

  • γ-Motoneurone zur intrafusalen Muskulatur: Sie sind im <03B3>-Motoneuron:MuskelspindelsystemMotornukleus des jeweiligen Muskels lokalisiert (Durchmesser Somata 10–30 μm, Leitungsgeschwindigkeit Axone 5–30 m/s). Ein einzelnes γ-Motoneuron innerviert viele Längenrezeptoren, die verschiedenen Muskelspindeln angehören können.

Stabilisierung der Muskellänge und reziproke Hemmung
MuskeldehnungsreflexDie Verschaltung des Ia-Systems ist in Abb. 5.42a amMuskeldehnungsreflex Beispiel des Ellenbogens zusammengefasst. Wird das Ellenbogengelenk extendiert (z.B. unter Last auf den Unterarm), werden die Längenrezeptoren verlängert und ihre Afferenzen aktiviert (Abb. 5.42b). Die homo- und heteronymen Motornuklei werden erregt und die synergistische Muskelgruppe kontrahiert. Dies wirkt der weiteren Längenzunahme der Flexoren entgegen und führt den Muskel auf seine Ausgangslänge zurück (Abb. 5.42c).
Reziproke Ia-HemmungDer skizzierte Bewegungsablauf setzt eine Koordination mit der antagonistischen Muskelgruppe voraus. Diese erfolgt in dem System der reziproken Hemmung (Abb. 5.41). Kontraktion von Hemmung:reziprokeSynergisten und Hemmung von Antagonisten bilden eine funktionelle Einheit, in der die kollaterale Aktivierung der hemmenden Ia-Interneurone eine bewegungsangepasste Abstimmung sichert.
An Gelenken mit einem Freiheitsgrad (Scharniergelenk) ist die synergistisch-antagonistische Beziehung der Muskel eindeutig festgelegt. An Gelenken mit mehreren Freiheitsgraden (z.B. Handgelenk) wechseln die synergistisch-antagonistischen Beziehungen der Muskeln in Abhängigkeit von der durchgeführten Bewegung. Die reziproke Ia-Hemmung wird hierbei durch andere interneuronale Systeme ergänzt (Ib-Inhibition).
Funktionelle Einbindung: Aufrichtung gegen die Schwerkraft
AntischwerkraftreflexBeim Stehen ist die aufrechte Haltung des Körpers kontinuierlich Antischwerkraftreflexgefährdet, da die Schwerkraft die großen Gelenke (Knie, Sprunggelenk, Hüfte) in die Beugung zwingt und den Körper auf den Boden drückt. Die Längenrezeptoren in den Antischwerkraftmuskeln, den Längenrezeptor:physiologische Extensorenphysiologischen Extensoren, werden durch diese Flexion aktiviert und arbeiten ihr kontinuierlich entgegen. In Zusammenfassung dieser Abläufe unterstützt der Muskeldehnungsreflex als Antischwerkraftreflex die aufrechte Haltung des Körpers im Raum.
KopfhaltungEin anderes Beispiel für diese Funktion ist Kopfhaltung:Aufrichtung gegen die Schwerkraftdie aufrechte Haltung des Kopfes auf dem Rumpf, bei der die zahlreichen Längenrezeptoren der Nackenmuskulatur eine wichtige Rolle übernehmen. Bei Säuglingen, die die Balance des Kopfes in den ersten Lebensmonaten erlernen, wird der komplexe Prozess zur Aufrechthaltung des Kopfes sehr deutlich (neben den Längenrezeptoren sind auch die Gleichgewichtsorgane beteiligt, Kap. 5.7).
Insgesamt stabilisiert der Muskeldehnungsreflex die Muskellänge. Weiter setzt er diese und ihre Muskeldehnungsreflex:KopfhaltungVeränderungen in neuronale Signale um, die in dem interneuronalen Apparat zusammen mit den Signalen zur Muskelspannung und anderen Konvergenzen die Durchführung der Bewegung steuern.

MERKE

Das Muskelspindelsystem sichert die aufrechte Haltung des Körpers gegen die kontinuierlich einwirkende Schwerkraft.

α-γ-Koaktivierung
Bei <03B1>-<03B3>-Koaktivierungeiner willkürlichen Kontraktion werden die α-Muskelspindelsystem:<03B1>-<03B3>-Koaktivierung und γ-Motoneurone eines Muskels durch das zentrale Bewegungsprogramm synchron aktiviert. Extra- und intrafusale MuskulaturMuskulatur:extrafusale verkürzen sich parallel, die Muskulatur:intrafusaleintrafusale Muskulatur oft etwas stärker. Dies dehnt die Äquatorialregion der Rezeptoren und erzeugt ein Differenzsignal zwischen intra- und extrafusaler Muskellänge, das als Reafferenzsignal die deszendierende Aktivierung der Motoneurone unterstützt. Bei Bewegungen (Abb. 5.43a, b) ist während der Kontraktionen die Aktivität der Ia-Axone erhöht, was die Verkürzung der intrafusalen Muskulatur direkt nachweist. Dieses gekoppelte Verhalten (Rezeptoraktivierung während Muskelkontraktion) wird durch das zentrale Bewegungskommando erzeugt und nicht durch die Gelenkbewegung. Wird eine solche Bewegung passiv nachgefahren (Abb. 5.43c), werden keine Aktionspotenziale in den Ia-Axonen erzeugt. Vielmehr tritt eine Pause im Entladungsmuster des Ia-Axons ein, die bei fehlender γ-motoneuronaler Aktivität auf die Auffaltelung der Längenrezeptoren zurückgeht.
Die α-γ-Koaktivierung basiert auf einer parallelen Verschaltung der afferenten und deszendierenden Systeme mit den α- und γ-Motoneuronen (Abb. 5.44). Zur Abstimmung zwischen Synergisten und Antagonisten sind die hemmenden Ia-Interneurone der reziproken Hemmung in die α-γ-Koaktivierung einbezogen. Der Koppelungsgrad der Koaktivierung wird in den Bewegungsprogrammen aufgabenabhängig eingestellt, sowohl bezogen auf das Ausmaß der Koppelung als auch auf die Auswahl der koaktivierten statischen und dynamischen γ-Motoneurone.
Das γ-System schafft Freiheitsgrade – ein Exkurs in die Phylogenese
β-MotoneuroneAmphibien besitzen in der Arbeitsmuskulatur Längenrezeptoren ohne γ-<03B2>-MotoneuronInnervation. Die intrafusalen Muskelfasern werden durch eine Untergruppe der α-Motoneurone gesteuert, die über Axonkollateralen gleichzeitig die intrafusale und extrafusale Muskulatur innervieren. Zur Abgrenzung von den „klassischen“ α-Motoneuronen, die ausschließlich die Arbeitsmuskulatur versorgen, bezeichnet man sie als β-Motoneurone. Mit der parallelen Projektion sichern diese eine strikte Koppelung der intrafusalen und extrafusalen Muskellänge während einer Bewegung, die perfekte Lösung für eine Kokontraktion.
γ-Motoneuroneγ-Motoneurone entwickelten sich in einem späteren phylogenetischen Stadium, als sich <03B3>-Motoneurondie Spezies mit dem Übergang vom Wasser- zum Landleben einen neuen Lebensraum verschafften. Diese „neuen“ Neurone ermöglichten eine Ansteuerung der Längenrezeptoren unabhängig von der extrafusalen Muskulatur, was mit einer differenzierten Kontrolle der reafferenten Rückmeldungen neue Möglichkeiten im motorischen Repertoire schuf.
α-γ-Koaktivierung bei WarmblüternTatsächlich ist bei Warmblütern das gesamte Spektrum einer α-γ-Koaktivierung vorhanden, von einer strikten Koppelung bis zu einer differenzierten, aufgabenabhängigen Kontrolle. Eine rigide Koppelung ist Grundlage isometrischer Kontraktionen: Bei fixierter extrafusaler Muskellänge erzeugt die fortschreitende intrafusale Kontraktion in den afferenten Axonen ein Differenzsignal. Es verstärkt sich mit zunehmender Kontraktion, summiert sich in den α-Motoneuronen mit dem deszendierenden Bewegungsprogramm und fördert eine überschwellige Aktivierung der Motoneurone (Abb. 5.43a). Ein sehr differenziertes Muster einer α-γ-Koaktivierung zeigt Abb. 5.45 mit der Aktivierung von statischen und dynamischen γ-Motoneuronen in Abhängigkeit von unterschiedlichen motorischen Aufgaben. Wenn im motorischen Kontext die Bewegungskomponenten vorhersagbar sind und wahrscheinlich ungestört ablaufen werden, dann aktiviert das Bewegungsprogramm vorwiegend statische γ-Motoneurone. In der Reafferenz wird dabei auf die <03B3>-Motoneuron:statischesErfassung der absoluten Muskellänge fokussiert, also auf das Erreichen des geplanten Kontraktionszieles. Sind hingegen bei den geplanten Bewegungen Störungen zu erwarten, dann wird das Bewegungsprogramm vorwiegend dynamische γ-Motoneurone aktivieren und den Fokus der <03B3>-Motoneuron:dynamischesReafferenz auf die Messung der Änderung der Muskellänge legen, also auf eine möglichst schnelle Erfassung eventueller Störungen.
Fast alle Willkürbewegungen werden durch α-γ-Koaktivierungen gesteuert. Entkoppelungen sind bei sehr schnellen Kontraktionen vorhanden und für einige pathologische Zustände typisch (z.B. Spastik, Erkrankungen des Kleinhirns).

MERKE

Durch die differenzierte Steuerung der Rezeptoren durch γ-Motoneurone werden aus der Längenänderung die Parameter extrahiert, die als Reafferenz für den Aufbau des Bewegungsprogramms benötigt werden.

Renshaw-System
Rekurrente Axonkollateralen der α-Motoneurone erregen hemmende Interneurone, die nach ihrem Erstbeschreiber Renshaw-ZellenInterneurone:Renshaw-Zelle genannt werden (Abb. 5.41). Sie projizieren auf die α- und γ-Renshaw-ZelleMotoneurone des Motornukleus, von dem aus sie erregt werden, und auf die korrespondierenden Ia-Interneurone. Während einer Kontraktion limitiert die rekurrente Hemmung der Motoneurone die Frequenz der Aktionspotenziale. Dies könnte eine aufgabenabhängige Rekrutierung der Motoneurone ermöglichen sowie eine synchrone Aktivierung vieler motorischer Einheiten verhindern, die zu einer überschießenden Kraftentwicklung führen würde. Weiter reguliert das hemmende Renshaw-System die Tiefe der reziproken Inhibition, die sie unabhängig vom Erregungszuwachs über Inhibition, reziproke, Renshaw-Systemdie Muskelspindelschleife auf ein aufgabengerechtes Niveau einstellt. Zentrale Steuerungsmechanismen konvergieren auf die Renshaw-Zellen und bauen den rekurrenten Hemmungsmechanismus in die Bewegungsdurchführung ein.
Hoffmann-Reflex H-Reflex Musculus:triceps surae Nervus:tibialis, Hoffmann-Reflex

Klinik

Hoffmann-(H-)ReflexDie Verschaltung der Ia-Afferenzen eines Muskels kann mit elektrischer Reizung seines Nervs und mit der EMG-Ableitung des dadurch ausgelösten Muskelaktionspotenzials untersucht werden. Die Methode wurde von Paul Hoffmann entwickelt und wird zu seinen Ehren als Hoffmann-Reflex (H-Reflex) bezeichnet. Er wird zu diagnostischen Zwecken und zur klinischen Forschung benutzt. Abb. 5.46a zeigt die experimentelle Anordnung zur Registrierung des H-Reflexes im M. triceps surae. Bei schwacher transkutaner Reizung des N. tibialis tritt nach etwa 35 ms ein Summenaktionspotenzial im EMG des M. triceps surae auf (Abb. 5.46b). Grund dafür ist die Projektion der aktivierten Ia-Fasern des N. tibialis auf die homonymen Motoneurone, die überschwellig erregt werden und den Muskel aktivieren. Dieser elektrisch ausgelöste Eigenreflex wird als H-Reflex bezeichnet, das Reflexpotenzial als H-Welle. Erhöht man die Reizstärke weiter, nimmt die Amplitude der H-Welle bis zu einem Maximalwert zu, an dem alle Ia-Fasern des Muskelnerven erregt sind (Abb. 5.46c). Gleichzeitig tritt eine Welle mit kürzerer Latenz auf, die M-Welle (Abb. 5.46b). Sie entsteht durch die elektrische Erregung der Axone der α-Motoneurone des M. triceps surae, die gegenüber den Ia-Fasern eine geringfügig höhere Schwelle für elektrische Reize haben. Die Amplitude der M-Welle nimmt mit zunehmender Reizstärke zu, parallel nimmt die Amplitude der H-Welle ab (Abb. 5.46c). Die Amplitudenabnahme geht zurück auf eine Kollision (Auslöschung) der in den α-Motoneuronen durch die Ia-Afferenzen ausgelösten Aktionspotenziale mit den antidrom geleiteten Aktionspotenzialen der M-Welle.

Verarbeitungssystem der Golgi-Sehnenorgane

Die GOS messen die Eigenreflex:Hoffmann-ReflexGolgi-Sehnenorgan:VerarbeitungssystemMuskelspannung (Abb. 5.36). Da sie von einzelnen Muskelspannung, Golgi-Sehnenorganmotorischen Einheiten erregt werden, sind alte Vorstellungen obsolet, dass die GOS nur bei exzessiv hohen Spannungen aktiviert und dann im Sinne eines Schutzreflexes einen Riss von Sehne oder Muskel verhindern würden. Heute steht im Vordergrund, dass das GOS-System mit ausgedehnten Projektionen ein differenziertes interneuronales Netzwerk aufbaut, das multisensorische Konvergenzen integriert und in aufbereiteter Form an Motoneurone weiterleitet. Durch „Schalter“ können die Wege des Netzes kontextabhängig an- oder abgeschaltet werden.
Ib-Afferenzen
Die Ib-Afferenzen der GOS haben ein weiträumiges Ib-Afferenz, Golgi-SehnenorganProjektionsfeld, das im Gegensatz zum Ia-System alle Motornuklei einer Extremität erfasst. Mit den Motoneuronen sind die Ib-Afferenzen über di- oder trisynaptische hemmende oder fördernde Wege verschaltet.
Ib-Interneurone als multisensorische Integrationselemente
Die Ib-Interneurone erhalten neben der namengebenden Ib-Interneuron:Golgi-Sehnenorganmonosynaptischen Projektion von Ib-Afferenzen eine umfassende Konvergenz von deszendierenden und segmentalen Systemen. Beispielhaft zeigt Abb. 5.47 für ein hemmendes Ib-Interneuron die Konvergenz auf die Gesamtpopulation der Neurone. Die Mehrzahl der Eingänge hat fördernde und hemmende Konvergenzen. Das skizzierte Projektionsmuster findet sich aber nicht in jedem einzelnen Interneuron, sondern die Gesamtpopulation gliedert sich in einzelne Untergruppen mit spezifischen Konvergenzmustern. Die jeweilige Kombination hängt ab:
  • vom Typ der Motoneurone, auf die die betreffenden Interneurone projizieren

  • von den Gelenken, auf die die Motornuklei wirken (Extensoren, Flexoren)

  • vom Typ des Interneurons (Hemmung oder Förderung des nachgeschalteten Neurons)

Diese Konvergenz stellt das klassische Konzept infrage, dass Ib-Interneurone ausschließlich der Übertragung der Information von GOS auf Motoneurone dienen, und dass die resultierende Aktivierung oder Hemmung der Motoneurone eng an diese Information gekoppelt sei. Abb. 5.47 zeigt, dass auf die Ib-Interneurone Informationen über die Länge und Spannung der verschiedenen Muskeln, über die verschiedenen Modalitäten der Mechanosensibilität, die Lage und Stellung der Extremitäten und über die deszendierenden Bewegungsprogramme konvergieren. Die Ib-Interneurone sind Integrationselemente, die mit ihren spezifischen Konvergenzkombinationen Informationen aus verschiedenen Quellen zusammenfassen und für die Zielneurone aufbereiten.
Parallele hemmende und aktivierende Ib-Wege auf Motoneurone
Neben der weiten Projektion der Ib-Afferenzen auf Motornuklei der gesamten Extremität gibt es distinkte Verschaltungen auf die homonymen α-Motoneurone. So aktivieren GOS-Afferenzen in einem ersten Weg Ib-Interneurone, die die homonymen Motoneurone hemmen (Abb. 5.48, Weg 1, autogene Hemmung). Diese Interneurone erhalten neben der Information über die Hemmung:autogeneMuskelspannung zusätzlich Informationen zur Muskellänge, Hautkontakt und zur deszendierenden Bewegungssteuerung. Daraus integrieren sie ein hemmendes Signal, das die Kontraktionskraft des Muskels in die momentane Situation des Bewegungsablaufs einpasst. In einem zweiten Weg aktivieren GOS-Afferenzen Ib-Interneurone, die die homonymen Motoneurone fördern (Abb. 5.48, Weg 2). Die Interneurone erhalten zusätzlich eine oligosynaptische Konvergenz von Gruppe-II-Afferenzen aus dem eigenen Muskel, fördernde und hemmende II-Afferenz:Ib-InterneuronProjektionen von weiteren ipsilateralen Afferenzen und deszendierenden Trakten. Aus diesen Konvergenzen integrieren sie ein förderndes Signal, das die Kontraktionskraft des homonymen Muskels steigert. Formal betrachtet würden sich die fördernden und hemmenden synaptischen Potenziale, die von beiden parallelen Wegen in den Motoneuronen ausgelöst werden, gegenseitig auslöschen. Dies ist aber nicht der Fall, da beide Wege in Abhängigkeit voneinander gesteuert werden können, beispielsweise durch das zentrale Lokomotionsprogramm, das im Lokomotionsgenerator (SLG) aufgebaut wird (Kap. 5.6). Dieses Programm projiziert auf die Ib-Interneurone der Wege 1 und 2 (Abb. 5.48) und öffnet in Form eines „Schalters“ entweder den einen oder anderen Projektionsweg auf die Motoneurone (Details dazu in Kap. 5.6).

MERKE

Die Ib-Interneurone sind Integrationselemente für Informationen aus verschiedenen sensorischen Modalitäten und aus zentralen Bewegungsprogrammen und stellen diese in bearbeiteter Form für die Motoneurone bereit. Dabei bauen sie parallele fördernde und hemmende Wege zu Motoneuronen, die aufgabenabhängig an- oder abgeschaltet werden können.

Extremitätenübergreifende spinale Systeme zur Organisation von Flexion und Extension

Flexion, spinale SystemeNozizeptiver SchutzreflexSpinale Extension, spinale SystemeVerschaltungswege koordinieren die Muskelgruppen der Gelenke, Schutzreflex, nozizeptiver\bum ein extremitätenübergreifendes Bewegungsmuster aufzubauen, das im Rahmen von Bewegungsmuster, extremitätenübergreifendesSchutzreaktionen die betroffene Extremität vor Schädigungen schützt. Das motorische Verhalten tritt als nozizeptiver Schutzreflex auf – die verantwortlichen Rezeptoren sind Schmerz-, nieder- und hochschwellige Hautrezeptoren sowie Nozizeptor:nozizeptiver SchutzreflexThermorezeptoren. Neben der Information über die jeweiligen Thermorezeptor:nozizeptiver Schutzreflexsensorischen Qualitäten der Reize wird ein komplexes Schutz- und Fluchtverhalten mobilisiert (Abb. 5.49). Beim Treten auf einen Nagel wird das betroffene Bein angehoben, ipsilateral werden die Flexoren aktiviert und die Extensoren gehemmt (ipsilateraler Beugereflex). Das Ausmaß der Flexion ist von der Stärke des Reizes abhängig Beugereflex:ipsilateralerund reicht von einer leichten Aktivierung distaler Beugemuskeln bis zum Wegziehen der Extremität von dem schmerzhaften Reiz. Um den Stand zu halten und das Bein vom schädigenden Ort zu entfernen, wird die gegenseitige Extremität extendiert, die kontralateralen Extensoren also erregt und die Flexoren gehemmt (gekreuzter Streckreflex): Das gestreckte Bein Streckreflex, gekreuzter:extremitätenübergreifende spinale Systemekann das Körpergewicht tragen und die Balance halten. Gegenüber der Auslösung des motorischen Verhaltens wird der Schmerz erst verzögert wahrgenommen. Bei sehr starker Aktvierung der Rezeptoren kann auch die obere Extremität in das Verhalten einbezogen sein mit einer Streckung des ipsilateralen und Beugung des kontralateralen Arms (doppelt gekreuzter Streckreflex).
Spinale VerarbeitungswegeDas beschriebene Reflexverhalten nutzt ein spinales Verschaltungssystem, das rezeptorunabhängig Beuge- und Extensionssynergien der Extremitäten aufbaut. Die spinalen Verarbeitungswege sind polysynaptisch (Abb. 5.50). In den Aufbau der Antworten sind einfachere Verschaltungswege einbezogen, die die Abstimmung der Muskelgruppen untereinander sowie die Einbindung von Muskellänge, Kontraktionskraft und Haltung organisieren. Beispielsweise ist die Aktivierung der Extensoren der kontralateralen Seite begleitet von einer gleichzeitigen Hemmung der kontralateralen Flexoren, die im System der reziproken Ia-Inhibition organisiert wird.
Supraspinale KontrolleDie Ausprägung der Beugereaktionen hängt vonKontrolle, supraspinale:Flexions-Extensions-Verhalten der Verhaltenssituation ab, in der die Rezeptoren erregt werden. Kontextabhängig steuert die supraspinale Kontrolle die Übertragungswege, sodass eine Erregung der Rezeptoren in den geplanten Bewegungsablauf eingebaut wird, dieser also nicht durch ein plötzliches, im Verhaltenskontext irrelevantes nozizeptives Ereignis gestört wird. Verantwortlich dafür ist ein deszendierendes hemmendes System in den Hinterseitensträngen des Rückenmarks (dorsales retikulospinales System), das von den zentralen programmierenden Arealen sowie zentralenSystem:retikulospinales schmerzverarbeitenden Strukturen gesteuert wird (Abb. 5.50).

MERKE

Das phylogenetisch alte Reflexsystem des Fluchtreflexes stellt die spinalen Verarbeitungssysteme bereit, die in der Motorik für die Durchführung von koordinierten Flexionen und Extensionen der Extremität genutzt werden.

Spezifische Reflexantworten von Afferenzen der Gruppen II, III und IVNeben dem generalisierten Muster des Beugereflexes können diese afferenten Systeme eigene und spezifische Antworten aufbauen. Ein Beispiel aus der großen Zahl dieser lokalen Reflexe ist die Extensorreaktion, die durch leichte Berührung der Fußsohle ausgelöst wird. Sie führtExtensorreaktion zu einer Streckung des gesamten Beines und unterstützt beim Stehen die Versteifung der vielgliedrigen Gelenkkette vom Sprunggelenk bis zur Hüfte. Diese Reaktion wird von der supraspinalen Kontrolle im Verhaltenskontext des Stehens mobilisiert. In pathologischen Situationen mit Schädigungen des ZNS kann das Reflexverhalten isoliert auftreten, was dann als ein pathognomonisches Zeichen für den Verlust der supraspinalen Kontrolle zu werten ist. Die verantwortlichen und dann geschädigten Kerngebiete sind im Hirnstammbereich lokalisiert.
Verlust der supraspinalen KontrolleBeim gesunden Menschen werden durch die deszendierende KontrolleKontrolle, supraspinale:Verlust die spinalen Übertragungssysteme einschließlich ihrer Aktivierung durch Nozizeptoren so in die Bewegung integriert, dass abhängig vom Kontext, in dem die Bewegung stattfindet, das Bewegungsziel erreicht wird. Ist die deszendierende Kontrolle durch pathologische Prozesse gestört, treten die ursprünglichen Reflexmuster wieder auf mit einem stereotypen Reflexverhalten in enger Koppelung an Ort und Intensität des Reizes. Die Reflexmuster nach einer Rückenmarksdurchtrennung (Querschnitt) sind ein Beispiel dafür.

Klinik

Durchtrennung des RückenmarksBeim vollständigen Querschnittsyndrom sind die Projektionen der supraspinalen Trakte in die kaudal der Durchtrennungsstelle gelegenen neuronalen Verarbeitungssysteme sowie die aszendierenden Verbindungen zum ZNS unterbrochen. Nach momentanem Forschungsstand ist dies irreversibel. Ein Querschnitt hat dramatische Folgen für den Patienten: Die vom abgetrennten Rückenmarkgebiet innervierte Muskulatur kann nicht mehr willkürlich aktiviert werden und aus dem entsprechenden Innervationsgebiet treten keine bewussten Empfindungen mehr auf.

Unmittelbar nach der Durchtrennung sind alle motorischen und vegetativen Reflexe erloschen. Diese Querschnittsareflexie, die auch als spinaler Schock bezeichnet wird (ein inadäquater Ausdruck, da er Beziehungen zum Schockgeschehen bei einem Kreislaufzusammenbruch assoziiert), geht wahrscheinlich auf den Verlust eines tonischen Erregungszustroms aus den supraspinalen Gebieten auf alle spinalen Neurone zurück. Die Neurone hyperpolarisieren. Bei Reflextestungen erreichen die in den Neuronen generierten synaptischen Potenziale wegen des hyperpolarisierten Membranpotenzials die Schwelle zur Auslösung eines Aktionspotenzials nicht, was die Querschnittsareflexie erklärt.

Nach Wochen und Monaten verschwindet die Areflexie langsam und es entwickeln sich von distal nach proximal spinale Reflexmuster (zuerst Beuge- und gekreuzte Streckreflexe, später auch Muskeldehnungsreflexe). Die Schwellen zur Auslösung der Reflexe sinken kontinuierlich ab, nach Monaten kann eine Querschnittshyperreflexie auftreten. Dann reicht eine leichte Berührung der Haut aus, um massive und lang anhaltende Beugereflexe auszulösen. Es treten übersteigerte und länger anhaltende Reflexantworten (Kloni) auf, in die vegetative Reflexmuster einbezogen sein können (Blutdruckanstieg, Glukosemobilisierung, Schweißausbruch, Kontraktion der Harnblase). Bei den Patienten läuft dann ein biologisch ursprünglich sinnvolles Reflexverhalten ab (Fluchtreflex mit seinen motorischen und vegetativen Komponenten), das bei intaktem Rückenmark durch die supraspinale Kontrolle funktionell sinnvoll gesteuert wird. Als Ursache der Querschnittshyperreflexie werden vor allem diskutiert:

  • eine Empfindlichkeitszunahme der Rezeptoren an den Synapsen auf Transmitter (Denervierungsüberempfindlichkeit)

  • eine Zunahme der Zahl der postsynaptischen Rezeptoren

  • eine kollaterale Regeneration der primären Afferenzen, bei der die durch die Degeneration der deszendierenden Trakte freigewordenen Synapsen besetzt werden (kollaterales Sprouting)

SpastikDiese Symptomatik tritt nach Schädigungen des Rückenmarks und des Gehirns auf (Prävalenz bei Schädigung des Rückenmarks: 60–70%; Schlaganfallpatienten mit bleibender Hemiplegie: 30–40%). Sie hat eine charakteristische Symptomtrias, die in der Kombination vorhanden sein muss, um als Spastik diagnostiziert zu werden:

  • erhöhter Muskeltonus bei Flexion oder Extension eines Gelenks durch einen Untersucher (messbare muskuläre Widerstandserhöhung)

  • der Muskeltonus nimmt mit der Geschwindigkeit der Gelenkbewegung zu

  • die Sehnenreflexe (Muskeldehnungsreflexe) sind gesteigert

Differenzialdiagnostisch sollte die Spastik als Erkrankung des Nervensystems von strukturellen Umbauten in der Muskulatur abgegrenzt werden, die bei Patienten mit Rückenmarksschäden auftreten können. Bei diesen ist die Erhöhung des Muskeltonus unabhängig von der Geschwindigkeit der Gelenkbewegung. Diese Differenzialdiagnose verlangt nach einer sorgfältigen klinischen Untersuchung und ist entscheidend für das anzuwendende therapeutische Konzept.

Untersuchungen bei Patienten mit Spastik haben eine Reihe von Hinweisen auf neuronale Systeme ergeben, die ursächlich für die Erkrankung verantwortlich sein können. Sie betreffen Veränderungen der Eigenschaften von Motoneuronen, die Transmitterfreisetzung aus Ia-Axonen und Störungen der Verarbeitung in hemmenden spinalen Systemen:

  • Veränderung der motoneuronalen Eigenschaften nach Rückenmarksläsionen: An Motoneuronen verstärken und verlängern Ca2+- und Na+-Einwärtsströme die Antwort auf eine synaptische Depolarisation und können bei veränderter funktioneller oder anatomischer Konvergenz langanhaltende depolarisierende Plateaupotenziale generieren. Aus Untersuchungen am Menschen liegen Hinweise vor, dass dieser Mechanismus zur menschlichen Spastik beitragen könnte.

  • Verstärkte supraspinale Aktivierung der γ-Motoneurone: Eine zentrale Dysregulation der α-γ-Koaktivierung mit einer kontinuierlichen Aktivierung der γ-Motoneurone könnte über die Muskelspindelschleife die genannte spastische Symptomatik aufrechterhalten (Abb. 5.44). Es gibt Befunde für einen solchen Mechanismus, aber bei Patienten haben Ableitungen von Ia-Axonen aus spastischen Muskeln bisher keinen direkten Hinweis auf einen solchen Pathomechanismus ergeben.

  • Erhöhte Transmitterfreisetzung von zentralen Muskelspindelafferenzen: Nach einer gruppierten Aktivierung von Ia-Axonen wird die Transmitterfreisetzung an den Synapsen auf Motoneurone normalerweise 10 Sekunden lang reduziert. Bei Patienten mit Spastik ist dies jedoch nicht der Fall, was das Auftreten spastischer Phänomene erklären könnte.

  • Veränderungen der Hemmung von Motoneuronen:

    • Reziproke Inhibition: Untersuchungen bei Patienten mit Spastik zeigen, dass die über Ia-Interneurone organisierte reziproke Inhibition zwischen Antagonisten (Abb. 5.41) vermindert ist, woraus man eine Beteiligung der reziproken Inhibition an der Pathophysiologie der Spastik annimmt. Es gibt Hinweise, dass dies auf eine Dysfunktion der Steuerung der reziproken Hemmung durch den kortikospinalen Trakt zurückgeht.

    • Rekurrente Inhibition: Ein Ausfall der Hemmung durch eine gestörte Kontrolle der Renshaw-Zellen könnte die Symptomatik der Spastik auslösen. Untersuchungen bei Patienten haben bisher keine überzeugenden Hinweise für diese Hypothese ergeben.

    • Autogene Ib-Inhibition: Sie ist in ein komplexes Netz von aktivierenden und hemmenden Konvergenzen eingebunden (Abb. 5.48). Bei Patienten mit Spastik ist die Balance zwischen hemmenden und fördernden Ib-Wegen verschoben, weshalb eine Beteiligung des spinalen Ib-System an der Symptomatik der Spastik möglich scheint.

Die Symptomatik der Spastik ist Folge einer Erkrankung des Nervensystems, die verschiedene Pathomechanismen einbezieht.

Schock:spinaler Hemmung:reziproke

ZUSAMMENFASSUNG

Interneuronales SystemIm Rückenmark verarbeitet ein interneuronales System die deszendierenden Bewegungsprogramme und die segmentalen afferenten Informationen zu motoneuronalen Ausgangssignalen zur Skelettmuskulatur. Dieses Verarbeitungssystem kann durch eine monosynaptische Projektion bestimmter deszendierender Trakte auf Motoneurone umgangen werden, womit zentrale Bewegungsprogramme zum gewünschten Zeitpunkt mit dem gewünschten Inhalt die Ausgangsneurone erreichen. Die sensomotorische Integration, d.h. die Zusammenführung deszendierender Bewegungsprogramme und reafferenter Signale aus der Peripherie erfolgt auf prämotoneuronaler Ebene. In diesem Prozess wird die Übertragung der zentralen Programme auf die Motoneurone von der erwarteten Reafferenz gesteuert, wie auch umgekehrt die Übertragung afferenter Signale von den Bewegungsprogrammen in den Verhaltenskontext eingepasst wird.

MuskelrezeptorenMuskelrezeptoren messen u.a. die Länge und Längenänderungen der Arbeitsmuskulatur, sowie die Muskelspannung und die erzeugte Kontraktionskraft. Über differenzierte Verschaltungen konvergieren diese Informationen auf gemeinsame Interneurone, die die Signale integrieren und über fördernde oder hemmende Wege auf die Motoneurone projizieren. Die Bewegungsprogramme haben über die γ-Motoneurone Zugriff auf die Längenrezeptoren und können deren Messeigenschaften für die geplante Bewegung optimieren.

Aufbau von BewegungskomponentenMit den genannten Mechanismen baut das Rückenmark Bewegungskomponenten auf und setzt sie zu koordinierten Bewegungen der Extremitäten und des Rumpfes zusammen, wie u.a. Extension der Gelenke gegen die Schwerkraft (Antischwerkraftreflex), Koordination antagonistischer Muskelgruppen an Scharniergelenken (reziproke Hemmung), Steuerung der Kontraktionskraft als Ergebnis der im Muskel erzeugten Längenänderung und Spannungsanstieg (autogene Hemmung), Organisation von Flexions- und Extensionsmustern der Extremitäten (gekreuzter Streckreflex).

Supraspinale KontrolleDie Übertragung der von Rezeptoren ausgelösten afferenten Information zu Motoneuronen wird durch supraspinale Systeme in den Bewegungskontext eingebaut, eine Störung des geplanten Bewegungsablaufs durch Reflexe tritt nicht auf. Falls pathologische Prozesse diese deszendierende Kontrolle stören, kann die Erregung von Rezeptoren zu unerwünschten motorischen Reflexantworten führen.

Ortsveränderung des Körpers im Raum – Lokomotion

M. Illert, J.-P. KuhtzSprouting, kollateralesSpastikSchlaganfall:SpastikRückenmarksläsion:SpastikRückenmark:DurchtrennungReflex:QuerschnittsyndromQuerschnittslähmungQuerschnittshyperreflexieQuerschnittsareflexieKlonus:QuerschnittshyperreflexieFluchtreflex:QuerschnittshyperreflexieBlutdruckanstieg:QuerschnittsyndromBeugereflex:QuerschnittshyperreflexieMuskelspindelafferenz, SpastikRenshaw-Zelle:rekurrente HemmungHemmung:rekurrente<03B3>-Motoneuron:SpastikIb-Inhibition, autogene-Buschbeck

Zur Orientierung

System:motorischesFür die Lokomotion des Menschen ist die Bipedalität spezifisch. Die Entwicklung vom quadrupedalen zum bipedalen Gang hat die Arme und Hände von den Aufgaben der Fortbewegung befreit und die Möglichkeit zum Tragen von Lasten geschaffen, zur Untersuchung von Gegenständen und zur Nutzung von Werkzeugen. Spinale Systeme generieren die neuronale lokomotorische Aktivität, wozu sie sensorische Feedback-Signale und deszendierende Programme integrieren. Supraspinale Projektionen setzen das strategische Ziel der Ortsveränderung um und sichern die Haltung während der Bewegung.

Kinematik und muskuläre Aktivität der menschlichen Lokomotion

Das Gehen ist eine gleichförmige Abfolge von Schritten, die sich in eine Stand-LokomotionGehen:Lokomotion und eine Schwungphase unterteilen (Abb. 5.51).Lokomotion:Gehen
StandphaseDie Standphase beginnt mit dem Aufsetzen der Ferse auf dem Boden. Unter der Last des Körpers flektieren die Knie- und Standphase:GehenSprunggelenke des auftretenden Beines (Abb. 5.51c, Winkel Sprunggelenk). Die sie überspannenden Muskeln antworten mit einer Verlängerungskontraktion, die den Körper gegen die Schwerkraft aufrichtet (Bilder 2/3 in Abb. 5.51a). Anschließend wird der Körper in einer längeren Phase kontrolliert über den Fuß nach vorne bewegt (3–5 in Abb. 5.51a), wobei die physiologischen Extensoren kontrahieren (z.B. M. gastrocnemius, Abb. 5.51b). Gegen Ende der Standphase nimmt die Kontraktion der physiologischen Extensoren ab, die Last wird auf das andere Bein übertragen. Gleichzeitig bereiten die physiologischen Flexoren das Standbein zum Abheben vom Boden vor (Abb. 5.51b, EMG M. tibialis anterior).
SchwungphaseIn der Schwungphase wird das entlastete Bein durch eine Kontraktion der physiologischen Flexoren nach vorne geführt und Schwungphase:Gehendann im Kniegelenk extendiert (5–7 in Abb. 5.51a). Die Schwungphase endet mit einem „kontrollierten Fall“ gegen den Boden, mit dem Aufsetzen des Fußes beginnt die nächste Standphase.

MERKE

Muskeln, die den Körper gegen die Schwerkraft aufrichten, werden in der Physiologie als physiologische Extensor, physiologischerExtensoren bezeichnet, die Antagonisten als physiologische Flexor, physiologischerFlexoren.

Neuronale Systeme zur Generierung der Lokomotion

Die neuronale Organisation der Lokomotion:neuronale SystemeLokomotion beim Menschen ist prinzipiell identisch mit der beim Nicht-Lokomotionsgenerator, spinalerPrimaten, Modifikationen sind Anpassungen an die Bipedalität des menschlichen Gangs. Am auffallendsten ist die im Vergleich zum Nicht-Primaten stärkere Abhängigkeit der spinalen Mechanismen von kortikalen Programmen, was eine differenziertere Nutzung der Lokomotion im Verhaltenskontext ermöglicht.
SLGDie für die Lokomotion verantwortlichen Mechanismen sind hauptsächlich auf spinaler Ebene lokalisiert. SLG (spinaler Lokomotionsgenerator)Beispielsweise kann das isolierte Rückenmark einer Katze ein rhythmisch alternierendes Lokomotionsmuster generieren. Die verantwortlichen neuronalen Systeme werden als spinaler Lokomotionsgenerator (SLG) bezeichnet. Man geht davon aus, dass für jede Extremität ein eigener Generator in den entsprechenden Segmenten des Rückenmarks vorhanden ist.
Aufbau und FunktionDer SLG ist aus 2 sich gegenseitig hemmenden Halbzentren aufgebaut (Abb. 5.52a), die den Rhythmus und die neuronale Aktivität der Lokomotion generieren. Dieses Muster wird über differenzierte Verschaltungen auf die Extensor- und Flexormuskulatur der Extremitäten projiziert (dargestellt in Abb. 5.52 für den Unterschenkel und das Sprunggelenk). Die rhythmisch alternierende Aktivität des SLG projiziert auf prämotoneuronale Interneurone (Abb. 5.52b). Die Konvergenz der Halbzentren, der supraspinalen Systeme und der Interneurone:spinaler LokomotionsgeneratorReafferenz aus den Extremitäten stellt Kombinationen von Interneuronen zusammen, die das Aktivierungsmuster für den nächsten Schritt erzeugen. Dieses erreicht die α- und γ-Motoneurone und wird in ein <03B1>-Motoneuron:spinaler LokomotionsgeneratorKontraktionssignal für die Muskulatur umgesetzt (Abb. 5.52c<03B3>-Motoneuron:spinaler Lokomotionsgenerator). Die damit ausgelösten Bewegungen des Beines erregen Rezeptoren, die als Reafferenz an der Erarbeitung der nachfolgenden Programmierungsabfolgen beteiligt sind (Abb. 5.52d).
Aktivierende SystemeMesenzephale lokomotorische Gebiete SLG (spinaler Lokomotionsgenerator):EinflüsseLokomotionsgenerator, spinaler:Einflüsseprojizieren eine tonische Aktivität in den SLG und stellen sein Mesenzephalon, spinaler LokomotionsgeneratorErregungsniveau ein (Abb. 5.52a). Ihre Axone verlaufen in den ventrolateralen Funiculi auf den SLG (Untersysteme mit jeweils eigenen Transmittern wie Noradrenalin, Serotonin und Glutamat). Eine Aktivierung der mesenzephalen Gebiete erhöht die Schrittfrequenz, eine Störung vermindert sie. Man diskutiert, dass der langsame Gang bei Patienten mit Morbus Parkinson auf eine reduzierte Aktivierung dieser mesenzephalen Areale Morbus:Parkinsonzurückgehe.
Adaptierende SystemeDie großen motorischen Systeme stellen die Aktivität des Generators, der Motoneurone und der Reflexwege entsprechend des strategischen Ziels der Bewegung und der daraus resultierenden Änderungen des Schwerpunktes des Körpers im Raum ein (Abb. 5.52e). Sie kontrollieren und modifizieren die Steuersignale nach dem konkreten Bewegungsfortgang und eventueller Störungen während des Ablaufs.

Beteiligung spinaler Systeme an den verschiedenen Phasen der Lokomotion

Spinale Systeme generieren die lokomotorische Aktivität, müssen aber für ein effizientes lokomotorisches Verhalten die sensorische Reafferenz nutzen. Dies zeigen Untersuchungen an deafferenzierten Menschen (Unterbrechung der Reafferenz von dicken myelinisierten Afferenzen ins Rückenmark), bei denen der „flüssige Ablauf“ des normalen Gangs massiv beeinträchtigt ist. Im Folgenden werden einige Programmierungsanforderungen dargestellt.
Alternierende Hemmung zwischen Extensoren und Flexoren
Beim Gehen des Menschen sind die Ia-inhibitorischen Interneurone (Abb. 5.41) in die Hemmung:alternierende, Lokomotionrhythmisch alternierende Aktivierung von Extensoren und Flexoren eingebunden. Die in der Interneurone:LokomotionStandphase relevanten Verschaltungen sind in Abb. 5.53a für das Sprunggelenk illustriert. Drei Funktionssysteme steuern in dieser Phase die reziproke Inhibition:
  • Projektion aus dem E-Zentrum (2), die parallel zur Aktivierung Hemmung:reziprokeder E-MN die reziproke Hemmung startet

  • Projektion von Ia-Afferenzen aus den kontrahierenden physiologischen Extensoren mit Anpassung der Stärke der reziproken Hemmung an die Ia-Afferenz:LokomotionKontraktionskraft der Synergisten (4)

  • Projektion der adaptiven Systeme zur Anpassung der Tiefe der reziproken Hemmung an den Bewegungskontext (5)

Das identische Verschaltungssystem für die reziproke Hemmung der E-MN ist in der Standphase wegen der Hemmung des F-Zentrums nicht aktiviert (1). In der Schwungphase schaltet sich mit Aktivierung des F-Zentrums die reziproke Hemmung der E-MN an.
Generierung von Kontraktionskraft in den physiologischen Extensoren während der Standphase
Während der Standphase wird der Extensor, physiologischer:StandphaseKörper durch eine Kontraktion der physiologischen Extensoren gegen Standphase:physiologische Extensorendie Schwerkraft extendiert und über das Sprunggelenk nach vorne bewegt. Das Grundmuster dieser Extension ist im Aktivierungsmuster des E-Zentrums angelegt und wird über die Wege (2) und (3) auf die E-Motoneurone (E-MN) übertragen (Abb. 5.53b). Zusätzlich verstärken reafferente Systeme aus den kontrahierenden Muskeln die Kontraktionskraft der E-MN. Die Ib-Afferenzen werden durch die Zunahme der Spannung der Achillessehne aktiviert; die Gruppe-II-Afferenzen übertragen die statisch-proportionalen Längenänderungen der NC-Rezeptoren.
Der erste reafferente Weg (4a) projiziert auf die in (3) eingeschalteten Ib-Interneurone. In diesen prämotoneuronalen Interneuronen steuert die räumliche Summation aus (E) und (4a) die Aktivierung der E-MN, und damit die Kontraktionskraft in den physiologischen Extensoren. Der zweite Weg projiziert auf die Neurone des SLG (4b) und unterhält die Aktivität des E-Zentrums.
Die autogene Ib-Hemmung der Motoneurone (4c) würde die Zunahme der Kontraktionskraft in den physiologischen Extensoren konterkarieren. Dies wird durch eine disynaptisch hemmende Projektion des E-Zentrums auf die Ib-Interneurone verhindert (5). Diese Verschaltung zeigt beispielhaft, wie fördernde und hemmende interneuronale Wege auf gleiche Ib-Interneuron:LokomotionZielneurone an- und abgeschaltet werden können. Der Beitrag der monosynaptischen Ia-Projektion auf die Standphasenaktivierung (6) kann vernachlässigt werden. Grund ist eine starke präsynaptische Hemmung der Ia-Afferenzen an den motoneuronalen Synapsen.
Die in Abb. 5.53b skizzierte Aktvierung der E-Motoneurone trägt wesentlich zur Kontraktionskraft der Extensoren in der Standphase bei, etwa die Hälfte der Kraftzunahme soll auf die Reafferenz von Last- und Längenrezeptoren zurückgehen.
Beendigung der Standphase
Zwei Reafferenz-Mechanismen steuern den Phasenwechsel von Standphase:BeendigungStand- zu Schwungphase (Abb. 5.53b):
  • Am Ende der Gehen:StandphaseStandphase wird das Körpergewicht zunehmend auf den kontralateralen Fuß verlagert. Die GOS sind deswegen weniger erregt und die Aktivierung des E-Zentrums über (4b) entfällt. Dies reduziert die Hemmung des F-Zentrums (Weg 1), das damit sein Schwungphasenprogramm umsetzen kann.

  • Während der Standphase extendiert das Hüftgelenk. Damit werden die Längenrezeptoren der Hüftgelenksflexoren erregt, was das F-Zentrum des SLG aktiviert und die Schwungphase einleitet (nicht illustriert).

Bewegungskorrektur während der Schwungphase
Lokomotion muss schnell auf Störungen reagieren Schwungphase:Bewegungskorrekturkönnen. Stößt der Fuß während der Schwungphase beispielsweise an Gehen:Schwungphaseeinen Stein, wird die Extremität angehoben und die Schwungphase kompensatorisch verlängert. Neben den Hautrezeptoren kommt den Rezeptoren aus den großen Gelenken der Extremitäten (u.a. Hüftgelenk) eine besondere Rolle zu. Die Korrekturmechanismen sind auf spinaler und supraspinaler Ebene organisiert. Gegenüber Nicht-Primaten tritt beim Menschen die transkortikale Regulation in den Vordergrund. Das Korrekturprinzip ist ähnlich dem wie es in Abb. 5.31 für die Greifmotorik gezeigt ist. Die Verarbeitung von Korrekturen auf dem Kortex ermöglicht flexiblere motorische Reaktionen, besonders können differenzierte visuelle Informationen in das Korrektursignal eingearbeitet werden.

MERKE

Die neuronalen Grundmuster der Lokomotion werden auf spinaler Ebene generiert. Supraspinale Systeme aktivieren den Lokomotionsgenerator und stellen seine Aktivität auf den Verhaltenskontext ein. Die spinale Reafferenz steuert die Übertragung der lokomotorischen Programme auf die Motoneurone.

Rückenmarkquerschnitt: Ist Lokomotion erlernbar?

Nicht-PrimatenBei Nicht-PrimatenQuerschnittslähmung:Lokomotion kann Rückenmarksläsion:Lokomotiondas isolierte Rückenmark eine praktisch „normale“ Lokomotion erzeugen. SoLokomotion:Rückenmarkläsion erlernen Katzen mit einem tiefthorakalen kompletten Rückenmarksquerschnitt nach intensivem Laufbandtraining in relativer kurzer Zeit, mit den hinteren Extremitäten das Gewicht des Körpers gegen die Schwerkraft aufrecht zu halten, mit verschiedenen Geschwindigkeiten zu gehen und Störungen während der Schwungphase zu kompensieren. Für diesen Lernprozess ist die rhythmische Reafferenz aus Muskeln, Haut und Gelenken der Extremitäten entscheidend, die auf dem Laufband erzeugt wird. Gegenüber dem normalen Gang sind dennoch Einschränkungen vorhanden, besonders betrifft dies die fehlende Gleichgewichtsregulation in der hinteren Extremität.
MenschenBeim Menschen ist die Situation deutlich komplexer. Bei unvollständigem Querschnitt des Rückenmarks hat man durch ein intensives Laufbandtraining in einer beeindruckenden Zahl von Fällen die Lokomotion wieder aktivieren können. Eine Restitution der Lokomotion bei Patienten mit einem vollständigen Querschnitt des Rückenmarks ist bisher nicht gelungen. Dies zeigt, dass die Lokomotion des Menschen deutlich stärker von supraspinalen Einflüssen abhängig ist als die Lokomotion des Nicht-Primaten. Die massiven und lang anhaltenden Lokomotionsdefizite bei Läsionen der kortikospinalen Systeme stützen diese Annahme (Kap. 5.4). Bei der Behandlung von Querschnittspatienten liegen heute große Hoffnungen auf dem Forschungsansatz, im Rückenmark eine axonale Regeneration über die Läsionsstelle hinweg induzieren zu können. Momentan ist offen, ob dieser Ansatz langfristig zum gewünschten Ergebnis führen kann.

ZUSAMMENFASSUNG

Grundlage der Lokomotion mit der alternierenden Aktivierung der Flexoren und der Extensoren in den Extremitäten ist ein spinaler, aus 2 Halbzentren bestehender Lokomotionsgenerator, der unter dem Einfluss supraspinaler aktivierender Systeme diese neuronale Aktivität generiert. Interneurone verschalten diese Lokomotionsaktivität auf die Zielmotoneurone. Zu jedem Moment der Stand- und Schwungphasen werden die übertragenden Interneurone zu Gruppen kombiniert, die das dann für die Motoneurone adäquate Aktivitätsmuster aufbauen. Verantwortlich dafür sind:

  • die Reafferenz aus den Muskel- und Hautrezeptoren, die die Durchgängigkeit in den Interneuronenpopulationen an die konkrete Kraft- und Längensituation in den Muskeln anpassen

  • Projektionen aus den Halbzentren und von supraspinal-kortikal adaptierenden Systemen, die die Lokomotion in den Verhaltenskontext einpassen

Sicherung der Haltung als Bestandteil des Bewegungsprogramms

J.-P. Kuhtz-Buschbeck, M. Illert

Zur Orientierung

System:motorischesEin kraftvoller gezielter Wurf gelingt, wenn vor und während der Bewegung ein fester Stand und eine stabile Körperhaltung gewährleistet sind. Erfolgreiche Zielmotorik ist nur mit gleichzeitiger Halte- und Stützmotorik möglich. Bei Bewegungen, die die Position des Körperschwerpunkts ändern, muss seine Sicherung vorausgeplant und dem Bewegungsablauf angepasst werden. Unvorhergesehene Störungen der Haltung müssen in Programme umgesetzt werden, die die Stabilität des Körpers wieder herstellen. An diesen Regulationen sind alle Ebenen des ZNS beteiligt, wobei der Hirnstamm das wichtigste Zentrum der Halte- und Stützmotorik ist.

Antizipatorische und reaktive posturale Programme

Voraussetzung jeder Haltung ist die Aufrichtung des Körpers gegen die Schwerkraft. Dafür sorgen ständigeKörperhaltung:SicherungBewegungsprogramm:Sicherung der HaltungBewegungsprogramm:posturales Kontraktionen der Extensoren der Beine, der Rumpfextensoren und der Nackenmuskulatur, die in Kap. 5.5.4 als „Antischwerkraftreflex“ dargestellt wurden. Beim stabilen Stand muss der Körperschwerpunkt über der Standfläche positioniert werden, auch bei selbst herbeigeführten oder von außen induzierten Relativbewegungen zwischen Körper und Untergrund. Diese Anpassungen werden durch posturale Programme gewährleistet (von engl. posture, Haltung), die koordinierte Abfolgen von Muskelkontraktionen sind, welche Bewegungsprogramm:posturalesan mehreren Gelenken angreifen und die Haltung sichern.
Antizipatorische posturale ProgrammeSieBewegungsprogramm:posturales stabilisieren die Körperhaltung schon vor dem Start von Willkürbewegungen, die den Stand Körperhaltung:antizipatorische posturale Programmegefährden könnten (Abb. 5.54). Dies gilt auch für Bewegungen ohne externe Widerstände, z.B. das Heben der Arme, die den Körperschwerpunkt verändern und daher eine antizipatorische Anpassung der Haltung verlangen. Die Sicherung der Körperhaltung im Vorgriff auf die geplante Bewegung ist Bestandteil des Bewegungsprogramms, das auf kortikaler Ebene aufgebaut wird.
Reaktive posturale ProgrammeSie setzen mit kurzer Latenz ein, wenn Haltung und Stand durch eine Bewegungsprogramm:posturalesexterne Störung gefährdet werden, z.B. beim ruckartigen Anfahren eines Omnibusses oder beim Rollen eines Schiffes auf See. Aufschluss über den Ablauf der reaktiven Programme geben Ableitungen der Muskelaktivität bei auf einer Plattform stehenden Personen, die ruckartig verschoben oder gekippt wird. Beispielsweise führt eine plötzliche Verschiebung der Plattform nach hinten zum Schwanken des Körpers nach vorne und zu einer Dorsalflexion der Sprunggelenke (Abb. 5.55). Die gedehnte Wadenmuskulatur kontrahiert nach etwa 100 ms kräftig, um Sprunggelenk und Kniegelenk zu stabilisieren. In distal-proximaler Abfolge kontrahieren kurz danach Hüftgelenk- und Rumpfextensoren, sodass der Körper wieder in die vertikale Position zurückgeführt wird. Anders verläuft die Reaktion bei einer Kippung der Plattform nach hinten (ruckartiges Anheben der Vorderkante), die den Körper nach hinten schwanken lässt. Zwar werden auch dabei die Sprunggelenke dorsalflektiert, aber eine Kontraktion der gedehnten Wadenmuskeln wäre unzweckmäßig und würde den Stand vollends gefährden. Jetzt kontrahieren stattdessen der M. tibialis anterior (Latenz ca. 110 ms) und die Kniegelenksextensoren kräftig, der gedehnte M. gastrocnemius Musculus:tibialis anterior, posturale Programmehingegen nur wenig. Diese Reaktion verläuft bei mehrmaliger Musculus:gastrocnemiusÜbung zunehmend effizient ab. Das Beispiel verdeutlicht, dass ein reaktives posturales Programm keine stereotyp festgelegte Reflexantwort ist, sondern situationsgerecht angepasst wird. Daran sind spinale und supraspinale Mechanismen beteiligt.

MERKE

Posturale Programme werden sowohl antizipatorisch zur Vorbereitung und Unterstützung der Zielmotorik als auch reaktiv zur Kompensation einer Störung eingesetzt. Sie organisieren eine Abfolge von Muskelkontraktionen zur Sicherung der Haltung. Posturale Programme sind nicht starr festgelegt, sondern werden situationsgerecht angepasst. An ihrer Ausarbeitung sind alle Stufen des ZNS, vom Kortex bis zum Rückenmark, beteiligt.

Neuronale Organisation

In die enge Verzahnung von Halte- und Zielmotorik sind die verschiedenen Ebenen des ZNS eingebunden. Kortikale Bewegungsprogramme werden nicht nur an das Rückenmark (kortikospinal) vermittelt, sondern erreichen parallel Zentren des Bewegungsprogramm:kortikalesHirnstamms, die über eigene Trakte die α- und γ-Motoneurone des Rückenmarks steuern. Zu diesen gehören retikulospinale Trakte, die besonders auf die Motornuklei zur Muskulatur des Rumpfes und der proximalen Extremitäten projizieren. Zum Aufbau posturaler Programme werden Informationen verschiedener Sinne genutzt, die sich gegenseitig ergänzen (visuelles, vestibuläres und somatosensorisches System). Einbeinstand ist bei offenen Augen sicherer als mit geschlossenen Augen, nach Ausfall der Propriozeption ist er kaum noch möglich (z.B. nach Unterbrechung der Hinterstränge des Rückenmarks oder bei deafferenzierten Patienten).
Kerngebiete und Bahnen des HirnstammsHauptzentren der Halte- und Stützmotorik sind Medulla oblongata, Pons und Mittelhirn, die zum Hirnstamm gehören. Relevante Hirnstamm:BewegungsprogrammeEingänge bekommt dieses System vom Kortex, vom Gleichgewichtsorgan (Labyrinth), über aszendierende Bahnen aus dem Rückenmark und vom Kleinhirn. Besonders Vestibulo- und Spinozerebellum sind an der Halte- und Stützmotorik beteiligt. Nach Läsionen des Vermis cerebelli entsteht eine Stand- und Gangataxie, die an das Torkeln von Betrunkenen erinnert. Mehrere große efferente Trakte projizieren aus dem Hirnstamm in das Rückenmark. Sie üben einen tonischen Einfluss auf die Motoneurone und den spinalen Reflexapparat aus, dessen Mechanismen sie für die Haltungsregulation aktivieren. Der laterale Vestibulospinaltrakt entspringt aus dem Nucleus vestibularis lateralis (Deiters) und verläuft ungekreuzt im Vorderstrang bis zu Nucleus:vestibularis lateralisden sakralen Segmenten des Rückenmarks. Er erregt die Motoneurone der Deiters-Kernphysiologischen Extensoren, wohingegen die Flexoren gehemmt werden. Seine Aktivität Extensor, physiologischer:Hirnstammeinflusswird von den Macula- und Bogengangsorganen beeinflusst. Flexor, physiologischer:HirnstammeinflussDer mediale Vestibulospinaltrakt erreicht vor allem Motoneurone der Nackenmuskeln und steuert Kopfbewegungen, die als Antwort auf vestibuläre Reize stattfinden. Die retikulospinalen Trakte stammen aus 2 Gebieten der Formatio reticularis, die gegensinnige Wirkungen entfalten. Tractus:reticulospinalis, BewegungsprogrammeVon pontinen Anteilen der Formatio reticularis geht der ungekreuzt verlaufende Tractus reticulospinalis medialis aus, der die Extensoren fördert und die Flexoren hemmt. Dieses extensorfördernde System wird durch aufsteigende Bahnen tonisch aktiviert. Aus der medullären Formatio reticularis entspringt der teils gekreuzt, teils ungekreuzt verlaufende Tractus reticulospinalis lateralis, welcher umgekehrte Wirkung hat, d.h. die Extensormuskeln hemmt. Kortikoretikuläre Bahnen aktivieren dieses extensorhemmende System (Abb. 5.56).
Als ventromediale Bahnen des Rückenmarks werden Trakte zusammengefasst, die im Funiculus anterior verlaufen und im Rahmen der Halte- und Stützmotorik vorwiegend Muskeln von Rumpf, Hals und proximalen Extremitäten steuern (vestibulo-, retikulospinale Trakte). Dem gegenüber steht das dorsolaterale Bahnsystem der Zielmotorik (v.a. Tractus corticospinalis lateralis), das Bewegungen der distalen Extremitäten kontrolliert. Funktionell sind beide Systeme miteinander verwoben. Darüber hinaus beeinflusst der Hirnstamm die Aktivierbarkeit spinaler Motoneurone durch diffus projizierende noradrenerge und serotoninerge Bahnen, die aus verschiedenen Gebieten stammen (Raphekerne, Locus coeruleus, mesenzephale lokomotorische Region).
DezerebrierungsstarreEine Durchtrennung des Hirnstamms unterhalb des Hirnstamm:DezerebrierungsstarreNucleus ruber führt bei erhaltenen Vitalfunktionen zur DezerebrierungsstarreDezerebrierungsstarre. Dabei sind die Extremitäten Extensor, physiologischer:Dezerebrierungsstarredurch einen stark erhöhten Extensorentonus starr ausgestreckt. Wird ein Muskeltonus:Dezerebrierungsstarredezerebriertes Tier aufgerichtet, bleibt es auf gestreckten Beinen in einer Haltung stehen, die wie eine übertriebene Karikatur des normalen Stehens wirkt. In Folge der Durchtrennung fehlt die Aktivierung der extensorhemmenden medullären Formatio reticularis durch den Kortex (Abb. 5.56). Die extensorfördernden Einflüsse der pontinen Formatio reticularis und der Vestibulariskerne überwiegen. Entfällt zusätzlich die Hemmung der Vestibulariskerne durch das Zerebellum, verstärkt sich die Starre noch mehr.

Klinik

Einklemmung des MittelhirnsDurch eine Erhöhung des intrakranialen Drucks (z.B. Tumor, Blutungen, Ödem) können Hirnteile in den Tentoriumschlitz gedrückt und das Mittelhirn eingeklemmt werden. Dies führt zur Bewusstlosigkeit, Tetraparese und schließlich zu Streckkrämpfen als Zeichen der beginnenden Dezerebrierungsstarre. Bei deren voller Ausprägung ist der Kopf nach hinten überstreckt (Opisthotonus), Arme und Beine sind gestreckt und nach innen rotiert, Handgelenke und Finger gebeugt. Gelingt es nicht, den Hirndruck zu senken, besteht Lebensgefahr.

Halte- und Stellreflexe

Einige MittelhirneinklemmungDruck:intrakranialer, MittelhirneinklemmungBewusstlosigkeit:Mittelhirneinklemmungposturale Programme werden vor allem durch Dezerebrierungsstarre:Mittelhirneinklemmungvestibuläre Afferenzen und propriozeptive Afferenzen aus dem Halsbereich ausgelöst (Kap. 4.5). Vestibuläre Afferenzen informieren über die Lage des Kopfes im Raum (Maculaorgane) sowie über Winkelbeschleunigungen (Bogengangsorgane). Die Stellung des Kopfes relativ zum Rumpf wird durch propriozeptive Afferenzen der Halsmuskulatur und der Halswirbelsäule gemeldet. Die Informationen werden im Hirnstamm verarbeitet und lösen motorische Reaktionen aus. Als Halte- und Stellreflexe beeinflussen sie die Stellung von Kopf, Rumpf und Extremitäten, um Balance und aufrechte Haltung zu sichern. Halte- und Stellreflexe finden auch ohne kortikalen Einfluss statt, wie an Tieren nachgewiesen wurde. Normalerweise werden sie aber durch übergeordnete Zentren kontrolliert und in die Willkürmotorik integriert. Bei Neugeborenen sind sie regelmäßig auslösbar, da sich die zentrale Kontrolle in den ersten Lebensmonaten entwickelt. Damit haben sie in der Neuropädiatrie diagnostische Bedeutung für die Beurteilung der Reifung des ZNS.
StellreflexeSie richten den Körper gegen die Schwerkraft in die Normalstellung aufKörperhaltung:Stellreflex. Aus dem Liegen wird zunächst der Kopf von der Halsmuskulatur Stellreflexaufgerichtet, danach folgt die Aufrichtung des Körpers. Ziel der Labyrinth-Stellreaktion ist es, den Kopf unabhängig von der Lage des übrigen Körpers senkrecht zu stellen (z.B. beim Schaukeln), sodass der Blick zum Horizont gerichtet bleibt. Ergänzend ermöglicht der vestibulookuläre Reflex, den Blick bei Kopfbewegungen konstant auf ein Ziel zu richten, sodass man beispielsweise vom rüttelnden Fahrzeug aus einen Wegweiser am Straßenrand lesen kann.
HaltereflexeDie Lage des Kopfes im Raum (Labyrinthreflexe) und die Stellung Körperhaltung:Haltereflexdes Kopfes zum Rumpf (Nacken- oder Halsreflexe) beeinflussen den HaltereflexMuskeltonus von Rumpf und Extremitäten. Dadurch wird eine jeweils passende Körperhaltung eingenommen. Kippung der Standfläche Muskeltonus:Haltereflexenach vorn unten löst beim stehenden Tier eine Extension der Vorderbeine aus, Kippung nach hinten unten eine Extension der Hinterbeine (tonische Labyrinthreflexe). Der Hals ist dabei in Neutralstellung. Beim Menschen kann man ähnliche Kippreaktionen beobachten. Seitliche Kippung des LabyrinthreflexKörpers (und Kopfes) im Vierfüßerstand führt zu einer Abstützreaktion mit Streckung der Extremitäten auf der „Talseite“; der verstärkte vestibulospinale Einfluss erhöht den Muskeltonus der Extensoren. Umgekehrt führt ein akuter Ausfall eines Vestibularorgans zu einer Fallneigung zur betroffenen Seite und einem Nystagmus zur gesunden Seite.
Tonische Nackenreflexe sind Haltereflexe, die von Rezeptoren des Halsbereichs ausgehen und die Körperhaltung entsprechend der Kopfstellung auf dieNackenreflex, tonischer nächsten Bewegungen vorbereiten. Beim symmetrisch tonischen Nackenreflex veranlasst eine Beugung des Kopfes auf die Brust ein Anwinkeln der Arme und eine Streckung der Beine. Den umgekehrten Effekt hat eine Neigung des Kopfes in den Nacken. Auch beim Sitztraining von Hunden lässt sich dies ausnutzen, da eine leichte Überstreckung des Kopfes die Extension der Vorderbeine fördert, während der Extensortonus der Hinterbeine abnimmt. Als asymmetrisch tonischer Nackenreflex führt eine seitliche Drehung des Kopfes gegenüber dem Rumpf zur Streckung der Extremitäten auf der Gesichtsseite und zu deren Beugung auf der Hinterhauptsseite. Eine solche Haltung lässt sich beim Sportler in Abb. 5.57 erkennen und verdeutlicht, wie der Nackenreflex in einen natürlichen Bewegungsablauf eingebunden ist.

ZUSAMMENFASSUNG

Zur Sicherung der Stellung und der Haltung des Körpers im Raum interagiert eine Reihe posturaler Programme, die auf unterschiedlichen Ebenen des ZNS organisiert sind. Vom Hirnstamm als wesentlichem Zentrum der Halte- und Stützmotorik projizieren retikulo- und vestibulospinale Trakte in das Rückenmark, die spinale Mechanismen für die Haltungsregulation aktivieren. Dadurch wird eine Anpassung der Haltung an die Willkürmotorik erreicht.

Basalganglien

System:motorischesB. Liss, M. Illert

Zur Orientierung

Die ZNS (zentrales Nervensystem):BasalganglienBasalganglien und ihre komplexe Verschaltung haben eine zentrale Rolle für die Steuerung der Motorik. Darüber hinausgehend sind sie am Aufbau sensomotorischer, kognitiver und limbischer Funktionen beteiligt. Eine korrekte Funktion der Basalganglien ist wichtig für die Planung und koordinierte Ausführung von Willkürbewegungen, insbesondere für die Auswahl und Erstellung von Bewegungsprogrammen sowie von nichtmotorischen Handlungsprogrammen. Dysfunktionen, wie sie z.B. beim Morbus Parkinson und Morbus Huntington vorliegen, äußern sich insbesondere in Störungen der Willkürmotorik und der Haltung, aber auch nichtmotorische Funktionen sind gestört.

Funktionelle Neuroanatomie der Basalganglien

Die Basalganglien (BG) sind Teil komplexer Programmierungsschleifen zur Auswahl von Handlungsprogrammen. Sie erhalten BasalganglienBasalganglien:NeuroanatomieEingänge vom Kortex und projizieren über den Thalamus zurück auf den Kortex (Abb. 5.58).
Kerngebiete
Die Basalganglien liegen bilateral in der Tiefe des Großhirns und umfassen 4 Kerngebiete:
  • den Nucleus caudatus und das Putamen, die morphologisch getrennt sind, Nucleus:caudatus, Basalganglienaber eine funktionelle Einheit bilden: das Striatum

  • den Globus pallidusPutamen:Basalganglien (GP), der sich in ein inneres (ParsStriatum:Basalganglien interna) und ein äußeres (Pars externa) Segment gliedert

  • den Nucleus Globus pallidus, Basalgangliensubthalamicus (STN)

  • die Substantia nigra (SN), die sich aus den Nucleus:subthalamicus, Basalganglienunterschiedlichen Kernen Pars reticularis (SNr) und Pars compacta (SNc) zusammensetzt

Spezifische Projektionswege
Eingang und AusgängeEingangskern in die BG ist das Striatum (Abb. 5.58a). Es erhält Eingänge von nahezu dem gesamten Kortex, von der SNc und von den intralaminären Thalamuskernen (Funktion noch weitgehend unverstanden). Die SNr und der GPi bilden den Ausgang der Basalganglien (Abb. 5.58b). Die beiden Ausgangskerne sind zwar morphologisch getrennt, funktionell aber ähnlich. Sie projizieren auf ventroanteriore und ventrolaterale Kerne im Thalamus, der SNr zusätzlich auf den Colliculus superior (wichtig für Steuerung der Augenmotorik).Substantia:nigra, Basalganglien
ProjektionsschleifenDie Thalamusneurone projizieren auf Basalganglien:Projektionsschleifenprämotorische und Projektionsschleife, Basalganglienpräfrontale Kortexareale, sodass sich große Schleifen vom Kortex zu den Thalamus:BasalganglienBasalganglien und über den Thalamus zum Kortex zurück bilden (Abb. 5.24). Innerhalb dieser Projektion werden 4 parallele Funktionsschleifen unterschieden, die durch anatomisch unterscheidbare Areale der BG verlaufen:
  • eine skelettomotorische Schleife zum prämotorischen und supplementär-motorischen Kortex; wichtig für die Körpermotorik

  • eine okulomotorische Schleife zu den frontalen und supplementär-motorischen Augenfeldern; wichtig für die Augenmotorik

  • eine limbische Schleife zum Gyrus cingularis anterior und zum medialen orbitofrontalen Kortex; wichtig für Motivation und Handlungsantrieb

  • eine kognitive, präfrontale Schleife zum dorsolateralen präfrontalen und lateralen orbitofrontalen Kortex; wichtig für kognitive Funktionen

Verschaltung innerhalb der Basalganglien über 2 parallele WegeDie Neurone der BG-Kerne bauen Ketten von miteinander verschalteten Neuronen auf (Abb. 5.59). Das Striatum projiziert über 2 parallele Wege auf die Ausgangskerne der BG (SNr/GPi):
  • Der direkte Weg verläuft über eine monosynaptische Projektion von den striatalen Neuronen direkt auf die Neurone der Ausgangskerne.

  • Der indirekte Weg projiziert trisynaptisch über den GPe und den STN auf die beiden Ausgangskerne.

Moduliert werden beide Wege durch die dopaminausschüttenden Neurone der SNc, die die synaptische Transmission der striatalen Neurone unterschiedlich beeinflussen (je nach Dopaminrezeptorbesatz: D1- oder D2-Klasse).

Transmittersysteme der Basalganglien

Die Neurone der BG nutzen 3 Basalganglien:Transmittersystemeklassische Transmitter:BasalganglienNeurotransmitter: die Aminosäuren Glutamat und GABA sowie das Neurotransmitter:BasalganglienKatecholaminderivat Dopamin. Aus den Terminalen der striatalen Neurone des direkten und indirekten Projektionswegs werden zusätzlich Kotransmitter ausgeschüttet (Abb. 5.59). Die spezifischen Transmitter und Kotransmitter der Neurone sowie der zelltypspezifische Transmitterrezeptorbesatz sind entscheidend für die komplexen Funktionen der Basalganglien.
Primäre klassische TransmitterGABA wird als inhibitorisch wirkender Transmitter von den Projektionsneuronen des Striatums (direkter und indirekter Weg), den GABA:BasalganglienNeuronen des GPe und von den beiden Ausgangskernen GPi und SNr ausgeschüttet. Glutamat wird als exzitatorisch wirkender Transmitter von den Neuronen des STN ausgeschüttet. Es ist auch der Transmitter der Glutamat:Basalganglienkortikalen Projektionen auf das Striatum sowie der Projektion von den thalamischen Kernen zurück auf den Kortex. Dopamin ist der Transmitter der Projektion der SNc-Neurone zum Striatum. Die dopaminergen Neurone haben unterschiedliche Dopamin:BasalganglienWirkung auf die striatalen Neurone des direkten und des indirekten Wegs: Sie erregen die striatalen Projektionsneurone des direkten Wegs über G-Protein-gekoppelte Dopaminrezeptoren der D1-Klasse (D1, D5) und hemmen die striatalen Projektionsneurone des indirekten Wegs über Dopaminrezeptoren der D2-Klasse (D2, D3, D4).
KotransmitterAls Kotransmitter wird von den striatalen Projektionsneuronen das Peptid Substanz P sowie das Enkephalin aus der Klasse der Opioidpeptide ausgeschüttet. Dabei ist Substanz:PSubstanz P der Kotransmitter der striatalen Neurone des direkten Projektionswegs (D1), Enkephalin der des indirekten Wegs (D2). Eine Lokalisation beider Kotransmitter im gleichen striatalen Neuron kommt kaum vor. DieEnkephaline:Basalganglien Ausschüttung der Kotransmitter zusätzlich zum primären Transmitter ist frequenzabhängig. Es erweitert das Übertragungsspektrum an den Synapsen, indem ihre Wirkung oft länger anhält als die des klassischen Transmitters.

MERKE

In den BG ist das inhibitorisch wirkende GABA, mit Ausnahme des STN, der ubiquitäre primäre Transmitter. Die Projektion des STN auf die Ausgangskerne ist erregend (glutamaterg). Die striatalen Neurone der direkten und der indirekten Projektion schütten mit Substanz P bzw. Enkephalin Kotransmitter aus. Weiter exprimieren sie unterschiedliche Dopaminrezeptoren (direkter Weg: D1-Klasse, exzitatorisch; indirekter Weg: D2-Klasse, inhibitorisch). Damit wirkt die modulatorische dopaminerge striatale Projektion der SNc auf den direkten Weg erregend und auf den indirekten Weg inhibitorisch.

Steuerung der Thalamusaktivität durch Disinhibition

Der Verschaltungsmechanismus, in demThalamus:Aktivität 2 Thalamus:Steuerunghemmende Neurone sequenziell verschaltet sind, wird Disinhibition Basalganglien:Thalamussteuerunggenannt (Kap. 3.5.1). Dieser Mechanismus, der für die Funktion der BG wichtig ist, ist in Abb. 5.60 am Disinhibition:BasalganglienBeispiel des direkten Weges illustriert (mit Ableitungen von Neuronaktivitäten, detaillierte Beschreibung in der Legende). Eine Schlüsselposition nehmen die Neurone der Ausgangskerne ein (links unten in Abb. 5.60, hier SNr), die im Ruhezustand (ohne Aktivität der striatalen) eine hohe Spontanaktivität aufweisen. Dadurch werden die thalamischen Zielneurone tonisch gehemmt (deren Aktivität hängt von der Stärke der Hemmung durch die BG ab und vom fördernden Zustrom auf die thalamischen Systeme, u. a. über spinothalamische Trakte). Wenn die striatalen Neurone vom Kortex aktiviert werden (links oben in Abb. 5.60) werden die Ausgangskerne gehemmt. In Folge nimmt die tonische BG-Hemmung auf die thalamischen Zielzellen ab (Disinhibition), was zu einer Zunahme ihrer Aktivität führt. Im indirekten Projektionsweg der BG ist mit der Verschaltung vom Striatum über den GPe auf die Neurone des STN ein weiterer, prinzipiell vergleichbarer Disinhibitionsmechanismus vorhanden, der einen gegenteiligen, aktivitätssteigernden Effekt auf die BG-Ausgangskerne hat.
Die Auswahl der motorischen Programme auf dem Kortex und ihre Kombination in der angemessenen zeitlichen und räumlichen Struktur erfolgt durch die Zellen des Thalamus (globale Verschaltung in Abb. 5.24; detaillierte Wege in Abb. 5.59). Die Aktivierung des direkten Projektionswegs hemmt die BG-Ausgangskerne und aktiviert damit die thalamischen Zielzellen (Abb. 5.60), die Aktvierung des indirekten Projektionswegs aktiviert die BG-Ausgangskerne und hemmt damit die thalamischen Zielzellen (im indirekten Projektionsweg disinhibiert die Hemmung des GPe die STN-Neurone mit nachfolgender Aktivierung der BG-Ausgangskerne).
Die Einstellung der relativen Gewichtung zwischen dem direkten und dem indirekten Projektionsweg ist entscheidend für die Aktivierung der thalamischen Zielzellen. Für die Steuerung dieser Gewichtung, die u.a. von kortikalen und subkortikalen (z.B. pedunkolopontiner Kern) Systemen eingestellt wird, ist die komplexe Modulation der striatalen Projektionsneurone durch die dopaminergen Neurone der SNc besonders wichtig. Die Neurone sind spontan aktiv (max. ca. 10 Hz). Das von ihnen im Striatum freigesetzte Dopamin beeinflusst die Aktivität des direkten und indirekten Projektionswegs in gegensätzlicher Weise, aber mit dem gleichen Effekt der erleichterten Aktivierung der thalamischen Zielzellen (Abb. 5.59):
  • Die Aktivität der striatalen Neurone des direkten Wegs wird über die exzitatorisch wirkenden D1-Dopaminrezeptoren erhöht, sodass die Aktivität der thalamischen Zielzellen zunimmt.

  • Die Aktivität der striatalen Neurone des indirekten Wegs wird über inhibitorisch wirkenden D2-Dopaminrezeptoren gehemmt, sodass ebenfalls die Aktivität der thalamischen Zielzellen zunimmt.

Dopaminrezeptoragonisten und antagonisten sind entsprechend wichtig für die Therapie der BG-Erkrankungen.

MERKE

Die vorübergehende Hemmung der Aktivität der Ausgangskerne der BG mit anschließender transient erhöhter Aktivierung des Thalamus (durch Disinhibitionsmechanismen) sowie die kortikale Auswahl von motorischen Programmen hängt vom Verhältnis der Aktivität des direkten und des indirekten Projektionswegs ab. Dopamin im Striatum:DopaminStriatum (ausgeschüttet von SNc-Neuronen) verstärkt die Aktivität des direkten, bewegungsfördernden Wegs (D1) und hemmt die Aktivität des indirekten, bewegungsinhibierenden Wegs (D2), sodass durch Dopamin synergistisch die Thalamusaktivierung bei kortikaler Stimulation des Striatums erleichtert wird.

Funktionelle Bedeutung der Basalganglien

Die Steuerung der Thalamusaktivierung ist der entscheidende Funktionsmechanismus der BG. Damit Basalganglien:funktionelle Bedeutungregulieren sie die Informationsübertragung auf kortikale motorische Repräsentationsgebiete, in denen Komponenten für geplante Bewegungsabläufe aktiviert werden. Wichtig für eine synchronisierte Bewegung ist, dass die Komponenten der Bewegungsprogramme in richtiger Abfolge und Koordination der Muskelgruppen aktiviert werden. Um dies zu illustrieren, zeigt Abb. 5.61 Bewegungsprogramm:BasalganglienEMG-Ableitungen von den Mm. biceps und triceps während einer Beugung des Ellenbogens bei einer gesunden Versuchsperson und bei einem Patienten mit einer BG-Erkrankung (Morbus Parkinson, s. a. Kap. 5.8.5). Der BG-Patient zeigt im Vergleich zum gesundenMorbus:Parkinson Probanden typische Störungen in der Koordination und Synchronisation einzelner Bewegungskomponenten.

Pathophysiologie der Basalganglien

Bei Erkrankungen der BG ist das komplexe Gleichgewicht des direkten und des indirekten Wegs und somit die Basalganglien:Pathophysiologiekontrollierte, transiente Thalamusdisinhibition gestört. Abhängig von der Lokalisation in den motorischen, präfrontalen und limbischen Basalganglienschleifen kann dies zu motorischen, kognitiven und emotionalen Störungen führen. Im Vordergrund des klinischen Bildes der BG-Pathophysiologie stehen Bewegungsstörungen, die unterteilt werden in:
  • hyperkinetische Bewegungsstörungen (Dystonien)

  • hypokinetische Bewegungsstörungen

Hyperkinetische Bewegungsstörungen
Hyperkinetische Bewegungsstörungen lassen sich vereinfacht auf eine Unteraktivität der Ausgangskerne der Bewegungsstörung:hyperkinetischeBG zurückführen, also auf einen Basalganglien:Ausgangssystemeverringerten Einfluss des indirekten, bewegungshemmenden Wegs im Vergleich zum direkten, bewegungsfördernden Weg. Entsprechend der reduzierten GABA-Freisetzung aus GPi und SNr führt dies zu einer Aktivierung des Thalamus. Die Folge ist ein verstärkter Zustrom aktivierender Impulse vom Thalamus zu Thalamusaktivierung:hyperkinetische Bewegungsstörungmotorkortikalen Bereichen mit unerwünschter Aktivierung und falscher Selektion von vollständigen und/oder unvollständigen Bewegungskomponenten. Diese führen zu charakteristischen, überschießenden Bewegungen.
BallismusEin klassisches Beispiel für hyperkinetische Erkrankungen ist der Ballismus. Die seltene Erkrankung ist konzeptionell wichtig, da sie auf Ballismuseine pathologisch-anatomisch gesicherte Zerstörung des STN zurückgeht. Dadurch entfällt der glutamaterge, aktivitätsverstärkende Einfluss des STN und des indirekten Wegs auf die Ausgangskerne GPi und SNr. Es resultiert eine pathologisch verstärkte Thalamusaktivität mit hyperkinetischer Symptomatik (Abb. 5.62a).
Chorea HuntingtonAuch beim Morbus Thalamusaktivierung:BallismusHuntington (der häufigsten monogenetischen Chorea Huntington\bneurodegenerativen Erkrankung) ist die bewegungsinhibierende Morbus:HuntingtonSteuerungsfunktion des indirekten Wegs reduziert. Im frühen Stadium sind insbesondere die GABA/Enkephalin ausschüttenden, striatalen Projektionsneurone des indirekten Wegs von einer progressiven Degeneration betroffen. Entsprechend wird der inhibierende Einfluss des indirekten Wegs auf die Ausgangskerne der Basalganglien immer schwächer und es kommt zu einer pathologisch verstärkten Thalamusaktivierung (Abb. 5.62b). Ursache der Chorea Huntington ist eine Mutation im Huntingtin-Gen, eine wiederholte Thalamusaktivierung:Chorea HuntingtonInsertion des Trinukleotids CAG (codiert für die Aminosäure Glutamin). Diese sog. Trinukleotid-Repeat-Expansion führt zu einem Huntingtin-Protein mit verlängertem PolyglutaminbereichTrinukleotid-Repeat-Expansion, der eine pathologisch veränderte Funktion des Proteins bewirkt („gain-of-functionHuntingtin-Protein“). In späteren Stadien kann auch eine Degeneration der striatalen Projektionsneurone des direkten Wegs (und anderer Neurone) beobachtet werden, was zu einem komplexen Krankheitsbild (u. a. Hyper- und Hypokinesie) – und schließlich zum Tod – führt. Es gibt derzeit keine Heilung für diese Krankheit.

MERKE

Hyperkinetische Bewegungsstörungen können durch einen relativ verringerten Einfluss des indirekten Wegs der Basalganglien im Verhältnis zum direkten Weg erklärt werden, was zu einer verstärkten Thalamusaktivierung führt. Beim Ballismus sind die Neurone des STN zerstört, bei der Chorea Huntington degenerieren insbesondere die striatalen Projektionsneurone des indirekten Wegs.

Klinik

Hyperkinetische BewegungsstörungenCharakteristisch ist ein Bewegungsüberschuss mit unkontrollierbaren und relativ schnellen Bewegungen. Diese schießen in den normalen Bewegungsfluss ein und sind Fragmente unerwünschter motorischer Programme. Die Chorea Huntington ist die häufigste dieser Bewegungsstörungen. Bei ihr treten schnelle Bewegungen von Rumpf, Kopf, Gesichtsmuskulatur und Extremitäten auf, die häufig von athetotischen (unwillkürlichen, langsamen, schraubenden) Bewegungsformen der Extremitäten begleitet sind. Der Ballismus ist durch heftige und schleudernde Bewegungen der Extremitäten gekennzeichnet.

Hypokinetische Bewegungsstörungen
Hypokinetische Bewegungsstörungen lassenChorea Huntington sich vereinfacht auf eine Überaktivität der Ausgangskerne der Basalganglien Bewegungsstörung:hypokinetischezurückführen, also auf einen Basalganglien:Ausgangssystemerelativ verringerten Einfluss des direkten, bewegungsvermittelnden Wegs im Vergleich zum indirekten, bewegungshemmenden Weg. Dadurch ist die Aktivierung des Thalamus erschwert, was zu einer verzögerten und schlecht koordinierten Auswahl motorischer Programme führt.

MERKE

Hypokinetische Bewegungsstörungen können durch einen relativ verringerten Einfluss des direkten, bewegungsvermittelnden Wegs der BG im Verhältnis zum indirekten Weg bedingt sein, sodass die thalamischen Zielzellen verstärkt gehemmt sind. Beim Morbus Dopamin:Morbus ParkinsonParkinsonMorbus:Parkinson kommt es durch den fortschreitenden Verlust der dopaminergen SNc-Neurone zu einem zunehmenden Verlust des Dopamins im Striatum. Dadurch schwächt sich der direkte Weg ab (weniger D1-Rezeptor-Aktivierung), während der indirekte Weg verstärkt wird (weniger D2-Rezeptor-Aktivierung). Die Folge ist eine erhöhte Aktivität der BG-Ausgangskerne GPi und SNr mit einer entsprechend erhöhten Thalamushemmung, Morbus ParkinsonThalamushemmung.

Morbus ParkinsonDas klinisch wichtigste Krankheitsbild der hypokinetischen Bewegungsstörungen ist der Morbus Parkinson (zweithäufigste Morbus:Parkinsonneurodegenerative Erkrankung nach Morbus Alzheimer). In seinem Verlauf gehen die Dopamin ausschüttenden Neurone der SNc fortschreitend zugrunde. Der entsprechend zunehmende Dopaminmangel im Striatum verändert die Aktivität beider Projektionswege der BG– aber aufgrund der unterschiedlichen Dopaminrezeptoren in gegensätzliche Richtungen (Abb. 5.63):
  • Der direkte, bewegungsvermittelnde Weg (GABA/Substanz P) wird bei Dopaminmangel gehemmt, da die Projektion der striatalen Neurone auf die GPi/SNr-Neurone nun weniger stark über D1-Rezeptorstimulation stimuliert wird.

  • Der indirekte, bewegungsinhibierende Weg (GABA/Enkephalin) wird bei Dopaminmangel verstärkt, da die Projektion der striatalen Neurone auf die GPe-Neurone nun weniger stark über D2-Rezeptorstimulation gehemmt wird.

  • Durch den fortschreitenden Dopaminmangel im Striatum nimmt die Aktivität der BG-Ausgangskerne und damit die Thalamusinhibition immer mehr zu. Dies erschwert die Aktivierung motorkortikaler Bereiche, Bewegungsprogramme können nicht mehr in ihrer optimalen zeitlichen Sequenz ablaufen, was zur hypokinetischen Symptomatik der Morbus-Parkinson-Patienten führt.

Klinik

Hypokinetische BewegungsstörungenCharakteristisch sind Akinesie bzw. Bradykinesie (verzögerte, verlangsamte Bewegungsdurchführung), Rigidität (erhöhter Muskeltonus, gesteigerte tonische Dehnungsreflexe) und ein Ruhetremor (meist einseitig verstärkt). Von großer klinischer Bedeutung ist der Morbus Parkinson. Die Ursache für das Absterben der dopaminergen SNc-Neurone ist noch nicht geklärt (anders als bei Chorea Huntington). Es wurden aber verschiedene genetische Faktoren (PARK-Gene) und Umweltfaktoren (z.B. Toxine) identifiziert, die insbesondere eine gestörte Funktion der Mitochondrien und des Proteinabbaus (Proteasom, Lysosom), sowie entsprechend erhöhten oxidativen Stress der SNc-Neurone zur Folge haben.

Der Morbus Parkinson kann derzeit symptomatisch, aber nicht kausal behandelt werden. Um den zunehmenden Mangel an Dopamin zu kompensieren, wird zur Behandlung der Parkinson-Symptomatik eine Vorstufe des Transmitters Dopamin gegeben (L-Dopa, in Kombination mit einem peripheren Decarboxylasehemmer, sodass L-Dopa nur im Gehirn in Dopamin umgesetzt wird; Dopamin selbst ist nicht liquorgängig), sowie Dopaminrezeptor-Agonisten. Die progressive Degeneration der dopaminergen Neurone wird durch diese Therapie aber nicht aufgehalten. Nebenwirkungen dieser Dopaminersatztherapie nehmen mit Dauer der Behandlung zu (z.B. schwer kontrollierbare Dyskinesien). Die tiefe Hirnstimulation (Deep Brain Stimulation, DBS) wird seit einigen Jahren in speziellen Fällen erfolgreich eingesetzt. In dem aufwendigen Verfahren werden über eine dauerhaft implantierte Elektrode elektrische Reize appliziert, die wahrscheinlich die Neurone des STN beeinflussen. Folge ist in der Regel eine Verbesserung der motorischen Symptomatik während anhaltender Stimulation, wobei der exakte Wirkungsmechanismus noch nicht eindeutig geklärt ist.

ZUSAMMENFASSUNG

Die Basalganglien umfassen 4 Kerngebiete, die in mindestens 4 parallelen Schleifen Bewegungsabläufe und Handlungskonzepte auswählen und ermöglichen. In den Basalganglien wird die Information in einem direkten, bewegungsfördernden (D1) und einem indirekten, bewegungshemmenden (D2) Projektionsweg weitergegeben. Die Projektion der spontan-aktiven Basalganglien-Ausgangskerne auf die thalamischen Zielkerne ist inhibitorisch. Die entsprechend tonisch inhibierten thalamischen Neurone werden über den Mechanismus einer Disinhibition transient aktiviert (durch Stimulation des direkten Wegs und Inhibition des indirekten Wegs). Die dopaminerge Projektion aus der Substantia nigra (SNc) zum Striatum stimuliert den direkten Weg (über erregende Dopamin-D1-Rezeptoren) und inhibiert den indirekten Weg (über inhibitorische Dopamin-D2-Rezeptoren). So erleichtert Dopamin die transiente Thalamusdisinhibition und damit die Willkürmotorik. Störungen des komplexen Basalganglien-Netzwerks führen zu charakteristischen Erkrankungen, bei denen hyperkinetische (Ballismus, Chorea Huntington) oder hypokinetische (Morbus Parkinson) Symptomatiken im klinischen Vordergrund stehen.

Zerebellum

M. System:motorischesIllert

Zur Orientierung

Das Kleinhirn ZNS (zentrales Nervensystem):Zerebellumkoordiniert die einzelnen Bewegungsanteile und optimiert damit Haltung und Bewegung. Störungen in seiner Funktion zerlegen die Motorik in ihre sequenziellen Komponenten (Dekomposition) und verursachen Bewegungsfehler in Richtung, Kraft, Beschleunigung und Amplitude. So ist z.B. die Kokontraktion antagonistischer Muskeln bei der Beibehaltung einer Extremitätenstellung, z.B. dem Zeigen auf ein Ziel, nicht mehr koordiniert. Dies löst unpräzise Korrekturbewegungen (Intentionstremor) aus. Die Dekomposition der gesamten Körperhaltung führt zu Körperschwankungen und Gangstörungen (Ataxie), die Dekomposition der Augenbewegungen zum Nystagmus. In den sensorischen, intellektuellen oder mentalen Leistungen oder im allgemeinen Aufmerksamkeitsniveau werden bei Kleinhirnstörungen im Allgemeinen keine Defizite deutlich. Das grundlegende Arbeitsprinzip des Zerebellums ist der Informationsvergleich der neuronalen Zellpopulation des zerebellaren Kortex und der Kleinhirnkerne. Es ist an der Erstellung der motorischen Bewegungspläne beteiligt, d.h., es vergleicht den motorischen Plan mit dem Signal der spinalen interneuronalen Wege und mit der Aktivierung der Rezeptoren. Das Zerebellum reguliert die deszendierenden motorischen Systeme, die die Haltung des Körpers einstellen und die Zielmotorik der Extremitäten durchführen. Des Weiteren hat es wesentlichen Anteil am motorischen Lernen.

Neuroanatomisches Substrat

Das Kleinhirn unterteilt sich in den Kortex (s.u.) und die weiße Substanz, in der die Kleinhirnkerne liegen. Die Kerne sind bilateral angelegt. Zu den Kleinhirnkernen gehören der Nucleus dentatus, Nucleus emboliformis, Nucleus globosus und Nucleus fastigii. Nucleus Ruhetremor, Morbus ParkinsonRigidität, Morbus ParkinsonL-DopaHirnstimulation, tiefeBradykinesie, Morbus ParkinsonZerebellumKleinhirnDeep Brain StimulationNucleus:dentatusemboliformis und NucleusNucleus:emboliformis globosus Nucleus:globosussind funktionell sehr ähnlich und werdenNucleus:fastigii deswegen auch als Nucleus interpositus zusammengefasst.
Mikroarchitektur des zerebellaren Kortex
Der Zerebellum:Kortexzerebellare Kortex ist von außen nach Kortex:zerebellärer, Mikroarchitekturinnen in 3 Schichten unterteilt, in Kleinhirn:Kortexdenen sich u.a. 5 Typen von Neuronen befinden:
  • Stratum moleculare mit Korbzellen, Sternzellen und Parallelfasern

  • Stratum ganglionare mit Purkinje-Zellen

  • Stratum granulosum mit Körnerzellen und Golgi-Zellen

Korbzellen, SternzellenKorbzellen sind relativ klein und besonders charakteristisch für das Stratum moleculare. Ihre Axone ziehen in das Stratum ganglionare und enden an Purkinje-KorbzelleZellen. Sternzellen haben sich sternförmig verzweigende Dendriten. Ihre Axone enden an den Dendriten von Purkinje-Zellen.
Purkinje-ZellenAm imponierendsten sind die SternzellePurkinje-Zellen, die in einer absolut regelmäßigen Ordnung aufgereiht sind. Ihr schmaler, ausgedehnter Purkinje-Zelle:KleinhirnDendritenbaum liegt wie ein gepresstes Blatt in der Sagittalebene des Körpers, eine Zelle schließt direkt an die andere an (Abb. 5.64a). Nach mediolateral sind in engen Abständen weitere Purkinje-Zell-Scheiben aufgereiht. Purkinje-Zellen sind folgendermaßen verschaltet:
  • An ihnen enden die Kletterfasern (s.u.), Axone der Korb- und Sternzellen und Parallelfasern.

  • Ihre Axone ziehen durch das Stratum granulosum zu den Kleinhirnkernen.

MERKE

Die Axone der Purkinje-Zellen sind die einzigen efferenten Axone der Kleinhirnrinde.

KörnerzellenUnterhalb der Purkinje-Zellen bilden die kleinen Körnerzellen eine dicht gepackte Zellschicht. Beim Menschen sind etwa 5 × 1010 Körnerzellen vorhanden. Dies ist die größte homogene Zellpopulation Körnerzelle:Zerebellumim ZNS. Sie ist folgendermaßen verschaltet:
  • Die Moosfasern, die sich in der Körnerzellschicht in viele Kollateralen verzweigen, bilden erregende Synapsen an den Körnerzellen.

  • Die Axone der Moosfaser(system)Körnerzellen steigen auf direktem Weg an die Kortexoberfläche auf. Dort teilen sie sich in Kollateralen, die in mediolateraler Richtung durch das Kleinhirn verlaufen. Jede Kollaterale (Länge bis zu 6 mm) ist in ihrem Verlauf streng parallel zu den anderen Kollateralen ausgerichtet (Parallelfasern). Die Parallelfasern durchqueren die Dendritenscheiben vieler Purkinje-Zellen, an denen sie jeweils aktivierende Synapsen bilden (Abb. 5.64, Abb. 5.67a).

Golgi-ZellenSie sind relativ groß und nicht sehr häufig. Ihre Axone sind mit den Dendriten der Körnerzellen verbunden.
Eingangssysteme
Die beiden Eingangssysteme Golgi-Zellein das Zerebellum, das Moosfasersystem und das Kletterfasersystem, aktivieren die nachgeschalteten Zellen. Sie projizieren beide mit Kollateralen in die Kleinhirnkerne (Abb. 5.64).
MoosfasersystemEs stellt das größte Kontingent der zerebellaren Afferenzen. Die Moosfasern gehen von Neuronen in pontinen, retikulären und spinalen Moosfaser(system)Moosfaserkernen aus. Die Somata der Moosfasern werden von weiten Gebieten des ZNS aktiviert, die pontinen Kerne z.B. aus dem zerebralen Kortex, die spinalen Kerne von peripheren Rezeptoren und interneuronalen Systemen. Im Zerebellum bauen die Moosfasern synaptische Verschaltungen mit den Körnerzellen auf, deren Axone als Parallelfasern auf die Purkinje-Zellen projizieren.
KletterfasersystemEs projiziert aus dem Kern der unteren Olive auf die Purkinje-Zellen. Die Neurone der Kletterfaser(system)Kletterfasern werden von afferenten SystemenOlive:untere aus spinalen, retikulären und zerebralen Gebieten aktiviert. Ein Kletterfaseraxon erreicht 7–10 Purkinje-Zellen, an deren Zellsomata es unter Bildung vieler Synapsen in den proximalen Dendritenbereich hinaufklettert.
Aminerge Eingangssysteme vom HirnstammNeben den spezifischen Eingängen projiziert ein mehr diffus organisiertes System aus den Raphekernen und dem Locus coeruleus in das Kleinhirn. Die Projektion aus den Raphekernen ist serotoninerg und endet in der Körnerzellschicht und an den peripheren Dendriten der Purkinje-Zellen. Die Projektion aus dem Locus coeruleus ist noradrenerg und endet in allen Schichten des Zerebellums. Beiden Systemen wird eine räumlich weit verteilte modulierende Wirkung auf die Aktivität der Kleinhirnzellen zugeschrieben.
Ausgangssysteme
Über die Kleinhirnkerne und den Nucleus vestibularis lateralis wirdKleinhirn:Ausgangssysteme das Signal der Purkinje-Zellen in dieZerebellum:Ausgangssysteme verschiedenen Gebiete desNucleus:vestibularis lateralis ZNS übertragen.
Purkinje-ZellenDie Axone der Purkinje-Zellen hemmen die Neurone der Kleinhirnkerne. Der Transmitter ist GABA. Die Verschaltung ist topografisch aufgebaut (Abb. 5.65).

MERKE

Die beiden Eingangssysteme in das Kleinhirn sind erregend. Die efferente Projektion aus dem Kleinhirn ist hemmend.

Funktionelle KompartimentierungDie GABA:Purkinje-Zelleneinzelnen Kleinhirnkerne haben unterschiedliche und spezifische Projektionsziele und bauen damit im Kleinhirnkortex funktionelle Kompartimente auf. Hierbei handelt es sich um (Abb. 5.66):
  • das Vestibulozerebellum

  • das Spinozerebellum

  • das Zerebrozerebellum

Die motorischen Funktionen sind den entsprechenden Projektionssystemen zugeordnet (Abb. 5.65). Pathologische Prozesse in den 3 Gebieten führen zu jeweils charakteristischen klinischen Symptomen. Vergleichende Untersuchungen zeigen, dass sich diese 3 Gebiete in der Phylogenese nacheinander entwickelt haben.

MERKE

Das Kleinhirn hat eine strenge funktionelle Kompartimentierung. Die verschiedenen Kompartimente haben unterschiedliche Aufgaben in der Motorik.

Verarbeitung neuronaler Information im Zerebellum

In den o.g. Verschaltungen wird die neuronale Kleinhirn:InformationsverarbeitungInformation verarbeitet. Dazu werden die neuronalen Programme, die in den Zerebellum:InformationsverarbeitungZellpopulationen des zerebellaren Kortex erarbeitet wurden, mit denen der Kleinhirnkerne verglichen. Eine Information, die über die Moosfaser- und Kletterfaserwege das Zerebellum erreicht, erregt also einerseits die Kleinhirnkerne und wird parallel dazu in den zerebellaren Kortex geleitet. Dort wird sie verarbeitet und als efferentes Signal hemmend auf die bereits erregten Kleinhirnkerne projiziert. Die sich daraus ergebende Erregungsdifferenz, in der der Informationsbeitrag des zerebellaren Kortex erhalten ist, wird dann in die entsprechenden Zielgebiete geleitet (Kap. 5.9.1).

MERKE

Die Kleinhirnkerne werden vom Eingangssignal in das Kleinhirn aktiviert und von dem im Kleinhirnkortex erarbeiteten Signal gehemmt. Sie projizieren also ein Differenzsignal auf die Zielsysteme.

Eingangssystem: Aktivierung der Purkinje-Zellen
MoosfasersystemDasPurkinje-Zelle:Kleinhirn Moosfasersystem hält die Aktivität der Purkinje-Zellen aufrecht. Es generiert in ihnen eine hochfrequente Moosfaser(system):Purkinje-Zell-Aktivierungtonische Entladung (50–100 Aktionspotenziale/s), die bei Bewegungen moduliert wird.
KletterfasersystemDas Kletterfasersystem aktiviert die Purkinje-Zellen. Bei jeder Aktivierung löst es in den Purkinje-Zellen Kletterfaser(system):Purkinje-Zell-Aktivierungein riesiges EPSP aus, das eine kurze, hochfrequente Salve von mehreren EPSP (exzitatorisches postsynaptisches Potenzial):Purkinje-ZelleAktionspotenzialen generiert. Die Salven treten mit niedriger Wiederholungsrate (1/s) auf. Eine Bewegung löst nur 1 oder 2 dieser Salven aus. Wahrscheinlich ist das Kletterfasersystem weniger in die direkte Kontrolle einer gerade ablaufenden Bewegung involviert, sondern stellt das Aktivitätsniveau ein, auf dem die Purkinje-Zellen den Moosfasereingang beantworten.
Interneurone: Hemmung der Purkinje-Zellen
ImAktivitätsniveau:Kletterfasersystem Kleinhirnkortex gibt es 3 verschiedene Typen von Interneuronen. Sie werden nach anatomischen Kriterien beschrieben als:
  • Interneurone:KleinhirnSternzellen

  • Korbzellen

  • Golgi-Zellen

Alle diese Zellen sind inhibitorisch. In den Korb- und Golgi-Zellen ist GABA als Transmitter nachgewiesen.
Stern- und KorbzellenDie Stern- und Korbzellen werden von den Parallelfasern erregt. BeideSternzelle:Purkinje-Zell-Hemmung Zellarten bilden mit den Dendriten der Purkinje-Zellen inhibitorische Synapsen, undKorbzelle:Purkinje-Zell-Hemmung zwar die Sternzellen in den somafernen Dendritenbereichen, die Korbzellen in den somanahen (Abb. 5.67a). Die Aktivierung der Interneurone hemmt solche Purkinje-Zellen, die außerhalb des aktivierten Parallelfaserstrahls lokalisiert sind (Abb. 5.67b). Dies erhöht den Kontrast zwischen aktiven Gruppen von Purkinje-Zellen. Sternzellen und Korbzellen schaffen auf diese Weise räumliche Muster auf dem zerebellaren Kortex.

MERKE

Stern- und Korbzellen hemmen Purkinje-Zellen und schaffen dabei räumliche Muster im zerebellaren Kortex.

Golgi-ZellenSie werden aus dem Moosfaser- und Kletterfasersystem aktiviert (Abb. 5.67a) und hemmen die Körnerzellen. Auf diese Weise Golgi-Zelle:Körnerzellhemmungschalten sie den Moosfasereingang ab. Als Folge dieser negativen Rückkoppelung werden die Purkinje-Zellen durch den Moosfasereingang nur kurzfristig aktiviert. Die Golgi-Zellen prägen dem zerebellaren Kortex ein zeitliches Muster auf.

MERKE

Die Golgi-Zellen hemmen die Körnerzellen und schaffen dabei ein zeitliches Muster im zerebellaren Kortex.

Die beschriebene neuronale Struktur ist in allen Gebieten des zerebellaren Kortex vorhanden, der aus einer Aneinanderreihung gleichartiger Module aufgebaut ist. In ihnen führt das Kleinhirn gleichartige Verarbeitungsoperationen durch. Entsprechend ihrer Lokalisation in den verschiedenen Kortexgebieten erhalten die Module somatotopisch unterschiedliche afferente Informationen und projizieren in verschiedene Zielgebiete. Demnach entscheidet die globale Verschaltung des Kleinhirns und seiner Areale über die Spezifität und die Differenziertheit seiner Funktion.

Kompartimente des Kleinhirns

Vestibulozerebellum
Aufbau, ProjektionenHauptanteil des Kleinhirn:KompartimenteVestibulozerebellums ist Zerebellum:Kompartimenteder Lobus flocculonodularis (Abb. 5.68a). Er ist derVestibulozerebellum älteste Teil des Zerebellums und wird deswegen auch als Archizerebellum bezeichnet. Die Lobus:flocculonodulariswesentlichen Eingänge sind die primären Vestibularisafferenzen aus den Macula- und Cupulaorganen sowie sekundäre Afferenzen Archizerebellumaus den Vestibulariskernen. Weiter erhält es visuelle Informationen vom Corpus geniculatum laterale und vom visuellen Kortex der Area 17. Das Vestibulozerebellum projiziert auf die Vestibulariskerne.
FunktionDas Vestibulozerebellum steuert die Verarbeitung in den Kleinhirnkernen und kontrolliert dadurch die Stammmuskulatur, die den Körper im Gleichgewicht hält. Gleichzeitig reguliert es die Koordination zwischen Kopf- und Augenbewegungen und steuert die Körperhaltung:VestibulozerebellumOkulomotorik.

MERKE

Das Vestibulozerebellum steuert die Stellung des Körpers im Raum und sichert das Gleichgewicht:VestibulozerebellumGleichgewicht.

Spinozerebellum
Aufbau, ProjektionenDas Spinozerebellum Okulomotorik, Vestibulozerebellumbesteht aus 2 unterschiedlich verschalteten funktionellen Systemen (Abb. 5.68b), dem Vermis und der Spinozerebellumintermediären Zone der Hemisphären. Die Ausgangskerne sind der Nucleus fastigii und der Nucleus interpositusNucleus:fastigii. Die VermisHaupteingangssysteme sind die verschiedenen spinozerebellaren Trakte. SieNucleus:interpositus übertragen somatosensorische Informationen und signalisieren den Zustand in den spinalen interneuronalen Verarbeitungssystemen. Das Spinozerebellum erhält außerdem Informationen aus den sensorischen und motorischen Kortizes und aus den akustischen, visuellen und vestibulären Systemen.
Trakte mit somatosensorischer InformationAus der Körperperipherie übertragen direkte und indirekte Trakte die somatosensorische Information. Vier direkte Trakte projizieren ohne Umschaltung aus dem Rückenmark in das Zerebellum: aus den Lumbalsegmenten der dorsale und der ventrale spinozerebellare Trakt, aus den Zervikalsegmenten der kuneozerebellare Trakt und der rostrale spinozerebellare Trakt.
  • Tractus:spinocerebellaris Der dorsale spinozerebellare Trakt ist propriozeptiv und überträgt die Tractus:cuneozerebellarisInformation von Haut- und Muskelrezeptoren. Er informiert das Zerebellum über die Rezeptoraktivierung während einer ablaufenden Bewegung.

  • Davon unterschiedlich wird der ventrale spinozerebellare Trakt von den Kollateralen spinaler Reflexsysteme aktiviert. Er signalisiert den Verarbeitungszustand in den verschiedenen spinalen motorischen Zentren und Reflexwegen.

  • Die zervikalen spinozerebellaren Trakte vermitteln die gleichen Informationsinhalte aus den oberen Extremitäten.

Unter den vielen indirekten Trakten, die den Zustand der Körperperipherie übertragen, sind die aus dem Nucleus reticularis lateralis und aus der unteren Olive besonders wichtig:
  • Die untere Olive istNucleus:reticularis lateralis der einzige Ursprung der Olive:untereKletterfasern. Auf ihre wichtige Beteiligung beim motorischen Lernen wird weiter unten eingegangen.

  • Der Nucleus reticularis lateralis ist ein Moosfaserkern, der Konvergenzen aus dem Rückenmark, Hirnnervenkernen und dem zerebralen Kortex erhält. Er projiziert auf wesentlich ausgedehntere Gebiete im zerebellaren Kortex als die spinozerebellaren Trakte.Olive:untere

Zugriff auf die großen deszendierenden TraktsystemeDie Kerne des Spinozerebellums kontrollieren unterschiedliche deszendierende Systeme:
  • Nucleus fastigii: Er innerviert bilateral die Ursprungskerne der Nucleus:fastigiiretikulospinalen und vestibulospinalen Trakte (Abb. 5.68b, links). Eine aszendierende gekreuzte Projektion verläuft über den Thalamus zum motorischen Kortex und ist mit dem medialen kortikospinalen System verschaltet. Über diese Verbindungen steuert und reguliert das Spinozerebellum die Stamm- und proximale Körpermuskulatur. Es passt die Körperhaltung an die Bewegung an bzw. kann die Bewegung entsprechend der Körperhaltung modifizieren.

  • Nucleus interpositus: Er hat Zugriff auf das rubrospinale (magnozelluläreNucleus:interpositus Anteile des Nucleus ruber) und laterale kortikospinale System (über die ventrolateralen Thalamuskerne zur Extremitätenregion des primären motorischen Kortex, Abb. 5.68b, rechts). Damit fokussieren die intermediäre Zone des Zerebellums und der Nucleus interpositus ihre Aktionen auf die distale Extremitätenmuskulatur.

Kontrolle des Muskeltonus und der BewegungsdurchführungDas Spinozerebellum erhält den endgültigen Bewegungsplan als kollaterale Information (Efferenzkopie). Die Bewegungsdurchführung:SpinozerebellumEfferenzkopie wird mit den Rückmeldungen über den Bewegungsablauf (Eingangssysteme aus der Körperperipherie) verglichen. Daraus werden Efferenzkopie, SpinozerebellumKorrektursignale erarbeitet, die vom programmierten Bewegungsablauf abweichende Bewegungen auf das ursprüngliche Bewegungsziel zurückführen.

MERKE

Das Spinozerebellum vergleicht den Fortgang der Bewegung mit dem ursprünglichen Bewegungsziel (Efferenzkopie). Es erarbeitet aus diesem Vergleich Korrektursignale, die auf den Kortex und die großen motorischen Systeme projiziert werden.

Klinik

Ataxie, Dysmetrie, TremorEine zielgerichtete Bewegung beginnt normalerweise mit einer Kontraktion der Agonisten bei gleichzeitiger Hemmung der Antagonisten (s.a. Abb. 5.61). Gegen Ende der Bewegung werden die Antagonisten aktiviert. Sie verlangsamen die Bewegung und beenden sie zum richtigen Zeitpunkt. Propriozeptive Informationen steuern die neuronalen Programme, die diese Verlangsamung der Extremitätenbewegung einleiten.

Bei Patienten mit Läsionen des Spinozerebellums arbeiten Agonisten und Antagonisten unkoordiniert. Die anfängliche Kontraktion der Agonisten ist verlängert, die Erschlaffung der Antagonisten ist verzögert bzw. fehlt. Die phasische Kontraktion der Antagonisten, die die Bewegung abbremst, fehlt oder ist nicht ausreichend. Der propriozeptive Eingang kann damit nicht mehr adäquat in ein Korrektursignal umgesetzt werden. Eine Folge dieses Defizits sind die Symptome der Ataxie und Dysmetrie. Gleichzeitig tritt ein Intentionstremor auf, der typischerweise größer wird, je mehr sich die Bewegung dem Ziel nähert.

Zerebrozerebellum
Aufbau, ProjektionenDas Spinozerebellum:LäsionAtaxieZerebrozerebellum Dysmetriebesteht ausIntentionstremor den lateralen Teilen der Hemisphären des Kleinhirns (Abb. 5.68c). Phylogenetisch ist esZerebrozerebellum der jüngste Kleinhirnanteil, der auch als Neozerebellum bezeichnet wird. In der Entwicklung nahm seine Größe parallel mit der Größe des Kortex zu. Die dominierenden Konvergenzen sind die ProjektionenNeozerebellum aus den sensorischen und motorischen Kortizes (einschließlich des primären motorischen und supplementär-motorischen Kortex) sowie dem posterior-parietalen Kortex. Zusätzliche Eingangsgebiete sind die visuellen und limbischen Kortizes. Das Zerebrozerebellum erhält keine direkten Eingänge von peripheren sensorischen Systemen. Ausgangskern ist der Nucleus dentatus. Über die ventrolateralen Thalamuskerne projiziert das Zerebrozerebellum auf den Nucleus:dentatusprimären motorischen Kortex (Area 4). Über den parvozellulären Anteil des Nucleus ruber erreicht es zusätzlich die untere Olive – eine Verbindung, deren Funktion noch unklar ist.

MERKE

Das Zerebrozerebellum ist an der primären Programmierung der Bewegung beteiligt.

Klinik

Läsionen des Hemisphärenanteils betreffen die distale Extremitätenmuskulatur. Im Vordergrund stehen eine Verzögerung des Bewegungsbeginns und eine Asynergie der beteiligten Muskeln. Parallel dazu wird die Sprache meist eintönig und skandierend. Gemeinsamer pathophysiologischer Hintergrund dieser Symptome ist ein unkoordinierter Aufbau des motorischen Bewegungsplans. Motorische Programmteile, die normalerweise parallel und verzahnt ausgeführt werden, werden in pathologischen Zuständen sequenziell und unkoordiniert abgearbeitet. Bei intaktem Zerebrozerebellum werden die Zellen des Nucleus dentatus vor den Zellen des motorischen Kortex der Area 4 aktiviert (die Zellen des Kleinhirns arbeiten die Programme aus, die die zeitliche Koordination der kortikal vorliegenden Bewegungsprogramme organisieren). Nach einem Ausfall des Zerebrozerebellums wird die Aktivierung der Zellen auf den motorischen Kortizes um mehrere hundert Millisekunden verzögert. Dies führt zum verzögerten Beginn und zu einer Asynergie der Bewegung.

Zerebellum und motorisches Lernen

Beispiele für motorisches Lernen
Vestibulookulärer ReflexDerZerebrozerebellum:BewegungsplanLernen:motorisches vestibulookuläre Zerebellum:motorisches LernenReflex hält die Fovea auf denKleinhirn:motorisches Lernen beobachteten Gegenstand fixiert. Er wirdReflex:vestibulookulärer vom Vestibulozerebellum und vom Spinozerebellum kontrolliert. Beim Tragen prismatischer Linsen, Vestibulozerebellum:vestibulookulärer Reflexdie die linken und rechten visuellen Felder vertauschen, ändert sich innerhalbSpinozerebellum:vestibulookulärer Reflex kurzer Zeit die Richtung des vestibulookulären Reflexes, das ZNS hat „gelernt“. Dieses motorische Lernen ist nur dann möglich, wenn das Zerebellum intakt ist: Bei Patienten mit zerebellaren Läsionen kehrt sich der vestibulookuläre Reflex nicht um.
Veränderung der SehachseBeim Dart-Spiel lernt man in kurzer Zeit, mit dem Pfeil regelmäßig das Ziel zu treffen. Bei einer Ablenkung der Sehachse durch ein Prisma (Abb. 5.69a) wird der Pfeil zunächst am Ziel vorbeigeworfen, nähert sich ihm aber mit fortschreitender Übung wieder. Beim Absetzen der Brille ergibt sich die gleiche Abweichung in die andere Richtung (Abb. 5.69b). Ein Patient mit gestörter Kleinhirnfunktion wird seine Würfe nach dem Aufsetzen des Prismas nicht neu justieren (der Pfeil trifft konstant am Ziel vorbei, Abb. 5.69c). Nach Absetzen der Prismenbrille trifft der Pfeil sofort wieder in das Ziel, der Patient hat also nicht auf das Prisma reagiert.
Modifikation durch das Kletterfasersystem
Dem Kletterfasereingang kommt beim motorischen Lernen wahrscheinlich eine entscheidende Rolle zu. Es gibt Hinweise, dass er Kletterfaser(system):motorisches Lernenals Fehlererkennungssystem die Übertragung der Parallelfaser-Purkinje-Zell-Synapse modifiziert: Wird eine erlernte, einfache Bewegung gestört (Abb. 5.70), verschlechtert sich die Bewegungsqualität, und die Häufigkeit der Kletterfaserantwort (komplexe Antworten in Abb. 5.70) nimmt stark zu, während die der Moosfaserantworten (einfache Antworten in Abb. 5.70) abnimmt. Der Kletterfasereingang erkennt also die Fehler bei der Durchführung einer motorischen Aufgabe, modifiziert die Antwort der Purkinje-Zellen auf einen Moosfasereingang und stellt ihn langfristig ein (in Abb. 5.70c sind die einfachen Antworten gegenüber Abb. 5.70a reduziert).

ZUSAMMENFASSUNG

Das Zerebellum ist in den Prinzipien der intrazerebellaren neuronalen Integration sowie den Prinzipien der afferenten und efferenten Projektion in allen Regionen identisch aufgebaut. In der Programmierung und Durchführung der Motorik teilt es sich in 3 funktionelle Kompartimente mit unterschiedlichen Aufgaben auf:

  • Aufrechterhaltung der Stellung des Körpers im Raum und Abstimmung der Gleichgewichtsregulation mit der Willkürmotorik,

  • Anpassung der Bewegungsplanung an die Durchführung der Bewegung,

  • Programmierung der Bewegung.

Die ausgeprägte pathologische Symptomatik bei Funktionsausfällen im Zerebellum zeigt die große Bedeutung des Systems für die Motorik, wobei das Zerebellum kompartimentübergreifend an den Lernvorgängen im motorischen System beteiligt ist.

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