Einführung
Die Neurologie befasst sich intensiv mit der elektrischen Aktivität des Nervensystems, und Calcium spielt dabei eine zentrale Rolle. Dieser Artikel beleuchtet die vielfältigen Zusammenhänge zwischen Calcium, neurologischen Funktionen und elektrischer Aktivität im Körper, von der Muskelkontraktion bis hin zu komplexen Hirnfunktionen.
Die Rolle von Calcium bei der Muskelkontraktion
Muskelkrämpfe: Ein häufiges Phänomen
Viele Menschen leiden unter Muskelkrämpfen, die durch unwillkürliche und schmerzhafte Kontraktionen der Skelettmuskulatur gekennzeichnet sind. Diese Krämpfe, oft begleitet von einer tastbaren Verhärtung, treten besonders häufig als nächtliche Wadenkrämpfe auf.
Ursachen und Mechanismen von Muskelkrämpfen
Muskelkrämpfe haben vielfältige Ursachen. Nächtliche Wadenkrämpfe sind meist unspezifischer Natur und oft auf eine nervale Übererregbarkeit motorischer Nerven zurückzuführen. Es wird angenommen, dass eine Übererregbarkeit der Alpha-Motoneurone durch die Beteiligung afferenter Nervenfasern von Dehnungsrezeptoren in Sehnen und Muskeln eine Rolle spielt. Dies erklärt auch, warum das Dehnen des betroffenen Muskels oft zu einer raschen Besserung führt. Des Weiteren wird vermutet, dass eine Überaktivität von Ionenkanälen in den terminalen Aufzweigungen der motorischen Nerven zu einer Übererregbarkeit führt.
Studien haben gezeigt, dass die Muskeln bei elektrischer Reizung bereits bei sehr niedriger Reizintensität auf Impulse reagieren. Muskelkrämpfe treten vor allem in der Waden- und Fußmuskulatur auf, können aber auch andere Muskelgruppen an Beinen, Armen, Händen oder am Rumpf betreffen.
Begünstigende Faktoren für Muskelkrämpfe
Muskelkrämpfe können durch verschiedene Faktoren begünstigt oder ausgelöst werden:
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- Starkes Schwitzen
- Unzureichende Flüssigkeitsaufnahme nach körperlicher Anstrengung
- Muskuläre Überlastung
- Störungen des Mineralhaushaltes (z.B. durch Diuretika, Durchfall, Nierenfunktionsstörungen oder Hämodialyse)
- Hormonelle Störungen der Schilddrüse oder Nebenniere
- Unterzuckerungen
- Schwangerschaft
- Bestimmte Medikamente
Auch neurologische Erkrankungen der motorischen Nerven, Polyneuropathien, Spinalstenosen oder Nervenwurzelschädigungen (z.B. durch Bandscheibenvorfälle) können Muskelkrämpfe verursachen. Selten treten Muskelverkrampfungen bei neurologischen Autoimmunerkrankungen (z.B. Neuromyotonie) auf oder sind genetisch bedingt.
Diagnostik und Therapie von Muskelkrämpfen
In den meisten Fällen sind Muskelkrämpfe harmlos und bedürfen keiner weiteren Diagnostik. Eine Untersuchung der Leber- und Nierenwerte, der Elektrolyte sowie der Schilddrüsenwerte kann durch den Hausarzt erfolgen, um internistische Ursachen aufzudecken. Eine neurologische Untersuchung ist ratsam, wenn die Häufigkeit der Muskelkrämpfe deutlich zunimmt, ungewöhnliche Körperregionen betroffen sind oder die Krämpfe durch körperliche Aktion ausgelöst werden. Dies gilt insbesondere, wenn gleichzeitig Faszikulationen oder Muskelschwäche auftreten, um neuromuskuläre Erkrankungen auszuschließen.
Akutmaßnahmen und Prophylaxe
Beim akuten schmerzhaften Muskelkrampf hilft sofortige Dehnung. Regelmäßige Dehnung der betroffenen Muskeln, z.B. abends vor dem Zubettgehen, kann die Neigung zu Muskelkrämpfen reduzieren. Es ist ratsam, die Einnahme von Medikamenten auf mögliche muskelkrampfverursachende Nebenwirkungen zu überprüfen und gegebenenfalls mit dem Arzt zu besprechen. Auch die Reduktion von Alkohol- und Koffeinkonsum kann hilfreich sein.
Medikamentöse Therapie
Die Einnahme von Magnesium kann hilfreich sein, wobei jedoch oft höhere Dosen erforderlich sind, die zu Magen-Darm-Beschwerden (Durchfall) führen können. Die Anwendung von Chinin Sulfat wird kontrovers diskutiert, da es zwar wirksam ist, aber Sicherheitsbedenken bestehen, insbesondere bei Patienten mit Herzrhythmusstörungen oder allergisch bedingten Blutbildveränderungen sowie Nieren- und Leberschäden. Weitere Medikamente zur Therapie von Muskelkrämpfen, z.B. Natrium- und Kalziumkanal blockierende Substanzen (Antiepileptika, Medikamente zur Behandlung neuropathischer Schmerzen), können hilfreich sein, bedürfen aber der regelmäßigen Einnahme und ärztlichen Begleitung.
Elektrophysiologische Untersuchungen in der Neurologie
Elektromyographie (EMG)
Die Elektromyographie (EMG) ist eine Methode zur Messung der elektrischen Aktivität von Muskeln. Dabei wird eine dünne Nadelelektrode in den Muskel injiziert, die die elektrische Aktivität des Muskels über ein Kabel an ein EMG-Gerät überträgt. Dieses Gerät stellt die Aktivität sichtbar auf einem Bildschirm und hörbar über einen Lautsprecher dar.
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Ablauf der EMG-Untersuchung
Der Patient wird zunächst aufgefordert, den untersuchten Muskel zu entspannen. Anschließend werden bei leichter und starker Anspannung des Muskels elektrische Potentiale abgeleitet, die ein typisches Muster aufweisen.
Bedeutung der EMG
Die EMG dient dazu, Schädigungen am zuführenden Nerven festzustellen. So können beispielsweise aus der Untersuchung eines Muskels am Arm oder Bein Rückschlüsse auf eine Schädigung des Nerven an der Wirbelsäule, z.B. durch einen Bandscheibenvorfall, gezogen werden. Auch Erkrankungen des Muskels selbst können mit dem EMG untersucht werden, wobei zur genaueren Abklärung meist zusätzliche Blutuntersuchungen erforderlich sind.
Technische Aspekte
Für das EMG werden sterile Einmalnadeln oder sterilisierbare Mehrfachnadeln verwendet. Eine Hautdesinfektion ist für die Untersuchung nicht erforderlich. Gelegentlich kann es zu einem Bluterguss kommen, der einige Tage braucht, um resorbiert zu werden. Bei Patienten mit medikamentös veränderter Blutgerinnung kann die Untersuchung bei dringenden Fragestellungen ebenfalls durchgeführt werden.
Messung der Nervenleitgeschwindigkeit (NLG)
Bei dieser Untersuchung wird die Geschwindigkeit der Nervenleitung bestimmt. Durch elektrische Reizung von Nerven in den Armen oder Beinen mit sehr niedrigen Stromstärken wird im Nerven ein elektrisches Potential erzeugt, dessen Ausbreitung in der Zeit gemessen werden kann.
Normale und pathologische Werte
Ein normaler Nerv leitet den elektrischen Impuls mit einer Geschwindigkeit von ca. 45 m/sec. Eine Verlangsamung der Nervenleitung deutet meist auf eine Schädigung der Hülle des Nerven (Myelinscheide) hin und weniger der Nervenfasern selbst. Diese Schädigung kann angeboren oder erworben sein.
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Anwendung
Die Verlangsamung der Nervenleitung kann auch auf ein kurzes Stück des Nervs beschränkt sein, etwa an einer Stelle, an der ein Nerv gedrückt (komprimiert) wird. Ein häufiges Beispiel hierfür ist das Karpaltunnelsyndrom, bei dem ein Nerv (der Nervus medianus) am Handgelenk gedrückt wird, was zum Einschlafen der Finger oder auch zu einer Kraftlosigkeit der Handmuskeln führen kann.
Ultraschalldiagnostik von Nerven (Nervensonographie)
Die Nervensonographie ist eine neue Methode, die Nervenverletzungen, Nerventumoren oder Einklemmungen von Nerven sichtbar machen kann. Die Darstellung vieler Nerven gelingt mit dem Ultraschall besser als mit der Kernspintomographie. Allerdings ist die Ultraschalldiagnostik peripherer Nerven bisher keine Kassenleistung und muss daher selbst bezahlt werden.
Untersuchung der neuromuskulären Übertragung
Bei verschiedenen Erkrankungen kommt es zu einer vorschnellen Ermüdbarkeit der Muskeln durch Belastung. Ob die Übertragung zwischen Nerv und Muskel gestört ist, kann mit einer speziellen elektrischen Testung untersucht werden. Dabei wird der Nerv wiederholt elektrisch stimuliert und dabei die Aktivität vom Muskel mit Oberflächenelektroden gemessen. Besonders die Myasthenia gravis, eine Autoimmun-Erkrankung, die die Übertragung von Nerv auf den Muskel betrifft, kann damit diagnostiziert werden.
Elektroenzephalographie (EEG)
Das EEG wurde 1932 von dem Neurologen Hans Berger entdeckt. Es dient zur Untersuchung von Funktionsstörungen des Gehirns.
Ablauf der EEG-Untersuchung
Die Untersuchung ist schmerzfrei und findet in einem bequemen Sessel statt. Eine Haube aus Gummischläuchen wird auf den Kopf aufgesetzt, darunter werden Oberflächenelektroden geklemmt, die die hirneigene elektrische Aktivität aufnehmen. Der Patient sollte während der Untersuchung entspannt sitzen und die Augen locker geschlossen halten. Während der Untersuchung wird der Patient mehrfach aufgefordert, die Augen zu öffnen und wieder zu schließen. Die Untersuchung dauert insgesamt mit Vorbereitung ca. 30 Minuten.
Schlaf-EEG
Bei Verdacht auf Epilepsie kann ein Schlaf-EEG nach Schlafentzug sinnvoll sein. Das EEG wird morgens nach einer durchwachten Nacht abgeleitet und der Patient sollte dabei einschlafen und wieder erweckt werden.
Evozierte Potentiale
Als evoziertes Potential wird eine Hirnstromaktivität bezeichnet, die durch einen Sinnesreiz ausgelöst wird. Diese elektrische Aktivität (Potential) ist dabei zeitlich an den Sinnesreiz gekoppelt. Die Messung evozierter Potentiale erlaubt eine objektivierbare und quantifizierbare Darstellung von Störungen und eignet sich auch für Verlaufsuntersuchungen.
Sensibel evozierte Potentiale (SEP)
Die Messung der sensibel evozierten Potentiale untersucht die Leitung im sensiblen System. Dieses umfasst die für die Sensibilität (Gefühl, z.B. Berührungsempfinden, Druckempfinden u.ä.) zuständigen Nerven in den Beinen, Armen oder im Gesicht, die sensible Nervenwurzel im Wirbelsäulenbereich, die Nervenfasern im Rückenmark, die Weiterleitung im Gehirn bis zur Hirnrinde, die speziell die Sensibilität verarbeitet.
Der Sensibilitäts-Reiz wird als elektrischer Impuls („Klopfen“) über einem Nerven am Bein, am Arm oder im Gesicht gegeben. Dabei sollten leichte Muskelzuckungen an der Zehe, dem Daumen oder im Gesicht sichtbar sein. Durch die Reize werden Nervenpotentiale hervorgerufen, die über Elektroden am Kopf bzw. an der Wirbelsäule oder Schulter abgeleitet und vermessen werden können. Funktionsstörungen im sensiblen Nervensystem können so festgestellt werden. Diese Methode eignet sich auch gut für Verlaufsuntersuchungen.
Da die sensibel evozierten Potentiale sehr klein sind und durch Muskelbewegungen, Augenbewegungen u.ä. überdeckt werden, müssen viele Reize (mindestens 100 pro Seite) appliziert werden. Es ist besonders wichtig, dass der Patient entspannt ist und sich nicht bewegt. Störquellen wie Hörgeräte oder Handy müssen ausgeschaltet sein. Die Untersuchung ist ungefährlich und nicht schmerzhaft. Gelegentlich werden die elektrischen Impulse als unangenehm erlebt.
Die Nervenstimulation erfolgt am Innenknöchel über dem N. tibialis, am N. medianus oder N. ulnaris knapp proximal des Handgelenks oder von Ober- und Unterlippe (N. trigeminus).
Visuell evozierte Potentiale (VEP)
Beim Anblick eines Bildes werden zunächst die Sehzellen auf der Netzhaut aktiviert. Die Zeitdauer vom Auftreten des Sehreizes bis zum Auftreten der Hirnstromaktivität über der Sehrinde lässt sich bis auf die Tausendstel Sekunde genau vermessen.
Für diese Untersuchung setzt sich der Patient vor einen Monitor mit einem wechselnden Schachbrettmuster, dabei sollte er konzentriert auf einen markierten Punkt in der Mitte gucken. Die Untersuchung ist ungefährlich und nicht schmerzhaft und dauert mit Vorbereitungen ca. 15 Minuten.
Magnetstimulation
Bei der Magnetstimulation wird über den Kopf des Patienten eine Magnetspule gehalten. Diese Spule gibt einen magnetischen Impuls ab, der die darunter liegenden motorischen Nervenzellen kurzzeitig stimuliert. Eine Muskelzuckung wird ausgelöst und an den Armen oder Beinen über aufgeklebte Elektroden registriert. Die Zeit zwischen der Impulsabgabe über dem Kopf bzw. der Wirbelsäule und der aufgetretenen Muskelzuckung wird gemessen.
Die Magnetstimulation ist nicht schmerzhaft, wird aber durch den plötzlichen Impuls mit Muskelzuckungen gelegentlich als unangenehm empfunden. Die Untersuchung wird im Sitzen durchgeführt, der Patient muß nur Socken und Schuhe ausziehen. Er wird aufgefordert, den Muskel, auf den die Elektroden aufgeklebt werden, leicht anzuspannen. Die gesamte Untersuchung dauert ca. 20 Minuten.
Akustisch evozierte Potentiale (AEP)
Bei der Messung der akustisch evozierten Potentiale wird die Nervenbahn vom Innenohr über den Hörnerven bis zu den für das Hören zuständigen Gehirnzentren untersucht. Zusammen mit Hörnerven (N. cochlearis) verläuft auch der Gleichgewichtsnerv (N. vestibularis).
Die Hörreize (Klickgeräusche) werden per Kopfhörer seitengetrennt gegeben. Diese Reize erregen das Innenohr und werden dann weitergeleitet. Über Elektroden hinter den Ohren können dann Nervenpotentiale abgeleitet und vermessen werden. Es kommen dann fünf Wellen zur Darstellung, die dem Innenohr, dem Hörnerven und einzelnen Hirnzentren zugeordnet werden können. Die Untersuchung ist ungefährlich und nicht schmerzhaft und dauert insgesamt ca. 30 Minuten.
Ultraschalluntersuchungen der Blutgefäße
Schlaganfälle werden häufig durch Verengungen oder Verschlüsse der Blutgefäße verursacht, die das Gehirn mit Blut versorgen. Diese Verengungen lassen sich mit Hilfe von Ultraschalluntersuchungen besonders gut und risikolos darstellen. Die wichtigsten Stellen, an denen die meisten Gefäßverengungen auftreten, liegen im Bereich der gut darstellbaren Teilung der Haupthalsschlagader (Arteria carotis communis) in die Schlagader, die das Hirn (A. carotis interna) und die, die den Gesichtsbereich (A. carotis externa) versorgt.
Doppler-Sonographie
Bei der Doppler-Sonographie wird eine Sonde auf die Haut aufgesetzt, die die Blutkörperchen beschallt. Die Bewegung der Blutkörperchen wird von dem Untersuchungsgerät in Zischlaute umgesetzt, die man als Patient bei der Untersuchung mithören kann. Bestimmte Eigenschaften der Zischlaute gestatten dem Untersucher, das Ausmaß von Verengungen über die auftretenden Blutflußgeschwindigkeitesänderungen zu messen.
Duplex-Sonographie
Bei der Duplex-Sonographie lässt sich ein Blutgefäß mit seinem Hohlraum direkt darstellen. Verengungen und Ablagerungen (Plaque) werden direkt bildhaft sichtbar. Der Blutfluß innerhalb des Gefäßes lässt sich farbig darstellen („farbkodiert“).
Liquordiagnostik (Lumbalpunktion)
Eine Lumbalpunktion ist die Entnahme von Nervenwasser aus dem Wirbelsäulenkanal in Höhe der Lendenwirbelsäule. Dabei wird mit einer dünnen Nadel zwischen den Wirbelkörpern bis in den Wirbelsäulenkanal gestochen, der auf Höhe der Lendenwirbelsäule kein Rückenmark, sondern nur noch Nervenwurzeln enthält. Das entnommene Nervenwasser kann nun auf seine Bestandteile, insbesondere Zellen und Eiweiße untersucht werden. Diese Untersuchung ist geeignet, entzündliche Erkrankungen des Nervensystems, wie z.B. Multiple Sklerose oder Hirnhautentzündungen, zu diagnostizieren.
Die Lumbalpunktion kann ambulant durchgeführt werden. Dazu sind eine Blutentnahme und eine Aufklärung einige Tage vor der Untersuchung notwendig. Die Punktion wird in der Regel im Sitzen durchgeführt. Im Anschluss ist eine mindestens einstündige Nachbeobachtungszeit notwendig.
Elektrophysiologische Studien
Eine elektrophysiologische Studie stellt ein fundamentales Forschungsinstrument der modernen Biomedizin dar, das die elektrischen Eigenschaften biologischer Systeme untersucht. Diese wissenschaftlichen Untersuchungen ermöglichen es Forschern und Klinikern, die komplexen elektrischen Vorgänge in Zellen, Geweben und Organen zu verstehen und zu charakterisieren. Eine elektrophysiologische Studie befasst sich systematisch mit der Messung und Analyse elektrischer Aktivitäten in biologischen Systemen. Diese Studien können auf verschiedenen Ebenen durchgeführt werden - von einzelnen Ionenkanälen über ganze Zellen bis hin zu komplexen Organsystemen. Die elektrophysiologische Studie hat sich zu einem unverzichtbaren Instrument der modernen biomedizinischen Forschung entwickelt, das fundamentale Einblicke in die elektrischen Grundlagen biologischer Systeme ermöglicht. Die kontinuierliche technologische Weiterentwicklung, verbesserte Analysemethoden und die Integration neuer Ansätze wie künstlicher Intelligenz versprechen weitere Fortschritte in der elektrophysiologischen Forschung.
Calciumsignale und Oligodendrozyten
Das präzise zeitliche Zusammenspiel der Aktivität verschiedener Nervenzellverbände im Gehirn kann nur erreicht werden, wenn die Reizweiterleitung entlang von Zellfortsätzen durch eine sogenannte Myelinschicht beschleunigt wird. Die Bildung dieser Myelinschicht erfordert eine Interaktion mit Oligodendrozyten. Diese müssen während der Entwicklung Nervenzellfortsätze auf ihre elektrische Aktivität hin mit einer Myelinschicht versehen. Jedoch ist bislang unklar wie Oligodendrozyten neuronale Aktivität registrieren können. Vorarbeiten zeigten, dass Nervenzellfortsätze in der Lage sind Botenstoffe auf Vorläuferzellen von Oligodendrozyten freizusetzen. Weiter zeigten Befunde, dass das Entfernen der Rezeptoren für diese Botenstoffe zu einer Reduktion der Zellteillung dieser Vorläuferzellen führen. Hiere wird die Hypothese getestet, dass diese Botenstofffreisetzung von Axonen Calciumsignale in oligodendroglialen Vorläuferzellen auslöst, welche eine entscheidende Rolle bei der Modulaltion ihrer Proliferation spielen. Dazu wurde ein dezidiertes transgenes Mausmodell entwickelt und validiert und prüfen nun mittels einer loss- and gain-of-function Analyse unsere Hypothese mit zellbiologischen und elektrophysiologischen Techniken.
Historischer Kontext
Luigi Galvani entdeckte 1791 in seinen berühmten Experimenten an Froschschenkeln den Zusammenhang von elektrischem Strom und Muskelanspannung. Alexander von Humboldt war so sehr vom Galvanismus fasziniert, dass er mit Strom am eigenen Körper experimentierte, um dem Geheimnis der Bioelektrizität auf die Spur zu kommen. 1797 veröffentlichte er "Versuche über die gereizte Muskel- und Nervenfaser". Die erste EMG-Aufzeichnung im Selbstversuch gelang allerdings Emil du Bois-Reymond, dem Begründer der experimentellen Elektrophysiologie. Aus seiner Forschung heraus entwickelte sich die Elektromyographie. 1907 mit Erfindung der Oberflächenelektrode stieß das EMG auf breiteres Interesse. 1929 wurde schlussendlich die Nadelelektrode von Adrian und Brouck eingeführt. Das EEG (Elektroenzephalografie) geht auf Hans Berger zurück, der 1924 in Jena zum ersten Mal die elektrische Aktivität des Gehirns ableitete.
Wie entsteht Muskelaktivität?
Damit wir einen Muskel aktivieren können sind elektrische und chemische Vorgänge im Körper notwendig: Die Planung einer willkürlichen Muskelanspannung entsteht im Gehirn und wird als elektrische Erregung über das Rückenmark und die peripheren Nerven an den Zielmuskel weitergeleitet. Die Verbindung von Nerv und Muskel besteht aus einer sogenannten neuromuskulären Endplatte. Die fortgeleitete elektrische Erregung führt an der Endigung des Nervens zur Ausschüttung von Signalstoffen, die Ionenkanäle an der Muskelmembran („Muskeltrennschicht“) öffnet. Positiv geladene Teilchen (Ionen) strömen in die Muskelzelle. So wird an der Muskelmembran eine elektrische Spannung (ein Aktionspotential) aufgebaut. Dies breitet sich über die ganze Muskelzelle aus und führt zur mechanischen Aktivität des Muskels.
Was erfasst die Elektromyographie?
Die Elektromyographie macht Muskelaktivität für unsere Sinne erfassbar: Aktionspotentiale von mehreren Muskelfasern werden gleichzeitig als sogenannte Summenaktionspotentiale aufgenommen und durch digitale Umwandlung am Bildschirm sichtbar und über Lautsprecher hörbar. Es werden Aktionspotentiale einzelner motorischer Einheiten registriert und analysiert. Eine motorische Einheit besteht aus dem vom Rückenmark abgehenden Nerven (Motoneuron) und den Muskelfasern, die von ihm elektrisch erregt werden. Kleine motorische Einheiten bestehen aus ca. 200 Muskelfasern und sind für feine Muskelbewegungen wie an den Augen oder an den Fingern notwendig. Große motorische Einheiten, die eine grobe Kraft entfalten, bestehen aus ca. 2000 Muskelfasern.
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