Schmerzentstehung und Weiterleitung zum Zentralnervensystem (ZNS)

Die Wahrnehmung von Schmerzen ist ein komplexer Prozess, der eine entscheidende Rolle für unser Überleben spielt. Schmerz dient als Warnsignal des Körpers und signalisiert akute Gefahr oder drohende Gewebeschädigung. Dieser Artikel beleuchtet die Mechanismen der Schmerzentstehung und -weiterleitung zum ZNS, von der Reizaufnahme durch spezialisierte Rezeptoren bis zur bewussten Wahrnehmung im Gehirn.

Die Rolle der Nozizeptoren

Spezialisierte Rezeptoren, sogenannte Nozizeptoren, erkennen schmerzhafte Reize und leiten die Information weiter zum Rückenmark, wo sie verarbeitet und ins Gehirn gesendet werden. Diese Nozizeptoren sind freie Nervenendigungen, die in der Haut und fast allen inneren Organen vorhanden sind. An der Oberfläche des Nozizeptors befinden sich verschiedene Signalempfänger (sog. Rezeptoren) für die unterschiedlichen Reizarten.

Wissenschaftler unterscheiden drei Typen von Schmerzrezeptoren:

• Polymodale Nozizeptoren: Sie erkennen gleichermaßen mechanischen, thermischen und chemischen Schmerz. Sie reagieren gleichermaßen auf schädliche mechanische, thermische und chemische Reize.
• Spezialisierte Nozizeptoren: Sie sind nur auf eine Reizart spezialisiert. Dazu kommen Nozizeptoren, die lediglich auf einen Reiztyp anspringen.
• Stumme Nozizeptoren: Sie sind im gesunden Gewebe inaktiv. Sie werden im Zusammenhang mit Entzündungen sensibilisiert und spielen zudem eine Rolle bei der Chronifizierung von Schmerz. Sie werden im Zusammenhang mit Entzündungen sensibilisiert und spielen zudem eine Rolle bei der Chronifizierung von Schmerz.

Faserarten und Geschwindigkeit der Reizweiterleitung

Wie schnell der Reiz ins Rückenmark gelangt, hängt vom Fasertyp ab. Zusätzlich zum Rezeptortyp unterscheidet man “schnelle” Aδ-​Fasern von den “langsameren” C-​Fasern.

• Aδ-Fasern: Die teilweise myelinisierten Aδ-Fasern leiten schnell das primäre, als scharf empfundene Schmerzsignal ins Rückenmark und aktivieren zudem Reflexe. Aδ-​Fasern (gesprochen „A delta“) sind teilweise von Myelinscheiden ummantelt und vermitteln rasch eine initiale, scharfe Schmerzempfindung, den sogenannten “ersten Schmerz”.
• C-Fasern: Die unmyelinisierten C-Fasern leiten langsamer und zeichnen für den dumpfen, bohrenden zweiten Schmerz verantwortlich. C-​Fasern dagegen besitzen keinerlei Isolation.

Verarbeitung im Rückenmark

Schmerzsignale jedweder Art treten über das Hinterhorn in das Rückenmark ein. Das Rückenmark ist Ort komplexer Verschaltung: Hier werden verschiedene nozizeptive und sensomotorische Signale miteinander verrechnet und der Schmerz so moduliert. Veränderungen dieser Verschaltungen können eine Rolle bei der Entstehung von chronischem Schmerz spielen. So sind Nervenfasern, die über das Hinterhorn ins Rückenmark eintreten über hemmende und erregende Interneurone miteinander verknüpft.

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Bereits in den 1960er Jahren stellten der kanadische Physiologe Ronald Melzack und der britische Neurowissenschaftler Patrick Wall die so genannte “Gate-Control”-Theorie auf. Demnach erhält ein aufsteigendes Neuron sowohl Informationen von Berührungssensoren als auch von Nozizeptoren, die sich gegenseitig über ein zwischengeschaltetes Interneuron hemmen können. Daher mag es den Schmerz lindern, wenn man die verbrannte Hand unter kaltes Wasser hält, sich das angestoßene Schienbein reibt oder am böse juckenden Bienenstich kratzt.

Schmerzwahrnehmung im Gehirn

Erst im Gehirn angelangt wird der Schmerz bewusst wahrgenommen, bewertet und für Lernprozesse verarbeitet. Gleichzeitig wandert die Schmerzinformation - sowohl aus Aδ-​Fasern als auch aus C-​Fasern über die aufsteigende Schmerzbahn des Rückenmarks zum Gehirn. So gelangt das Signal über den Vorderseitenstrang zum Thalamus und von dort weiter zur Großhirnrinde. Erst hier entsteht aus der Nozizeption ein bewusst wahrgenommener Schmerz. Dieser wird im limbischen System emotional bewertet, weshalb er in der Regel das Prädikat “unangenehm” bekommt. Das bewusste Verarbeiten und Bewerten der Schmerzempfindung ist Teil eines wichtigen Lernprozesses: Wer sich einmal die Hand an der heißen Herdplatte verbrannt hat, wird in Zukunft achtsamer sein und das angeschaltete Kochfeld meiden. Gleichzeitig lernt man aber auch, Schmerzen bezüglich ihrer Dauer und Bedrohlichkeit einzuschätzen.

Gliazellen und chronischer Schmerz

Gliazellen, genauer gesagt Astroglia, galten lange Zeit lediglich als Füllmaterial in Gehirn und zentralem Nervensystem. Mittlerweile wird immer deutlicher, dass sie weit mehr sind als das. Vielmehr übernehmen sie wichtige Funktionen bei der Signalverarbeitung. Nun gibt es Hinweise, dass Gliazellen auch am Entstehen von chronischem Schmerz beteiligt sein können. Ein lang anhaltendes und starkes Schmerzsignal führt in diesen Zellen - genau wie bei Neuronen - zum Einströmen von Calciumionen in den Zellkern. Von Nervenzellen weiß man, dass dadurch epigenetische Prozesse angeregt werden, die zur Plastizität des Nervensystems beitragen.

Placebo-Effekt und Schmerzlinderung

Dass Placebos, also Scheinmedikamente ohne Wirkstoff, Schmerzen lindern können, ist schon lange bekannt. Allein der Glaube an die Wirksamkeit eines vermeintlichen Schmerzmedikaments führt dazu, dass körpereigene Opiate ausgeschüttet werden, die die Pein lindern. Wissenschaftler des Universitätsklinikums Hamburg-Eppendorf haben 2009 entdeckt, dass dieser Effekt bereits im Rückenmark ansetzt - also noch bevor die Schmerzinformation ins Gehirn gelangt und vom Patienten bewusst wahrgenommen wird. Mit Hilfe der funktionellen Magnetresonanztomografie hatten die Forscher bewiesen, dass die Aktivität der Nervenzellen unter Placebo-Einfluss bereits im Hinterhorn, also an der Eintrittspforte des Schmerzsignals ins Rückenmark, reduziert ist. Die Wirkung des Scheinmedikaments setzt demnach auf der Ebene des “Gate-Control” an.

Neuropathische Schmerzen nach Querschnittslähmung

Wer nach einer Querschnittslähmung seine Beine nicht mehr bewegen und spüren kann, sollte in dieser Körperregion auch keinen Schmerz empfinden. Doch klagen gerade diese Patienten häufig über rätselhafte Pein. Man spricht von neuropathischen Schmerzen. Erstaunlicherweise empfinden die Betroffenen das Streicheln mit einer haarfeinen Faser als schmerzhaft, während ein Kratzen oder Pieken mit einem harten Gegenstand keinerlei Reaktionen auslöst. „Das hat damit zu tun, dass ein Querschnitt oft nicht vollständig ist“, erklärt Norbert Weidner von der Universitätsklinik Heidelberg. Selbst bei Patienten, die keinerlei Empfindungen aus den betroffenen Körperregionen empfangen, zeigen genauere Untersuchungen des Rückenmarks meist, dass noch einige freie Verbindungen im Rückenmark bestehen. Ist die Querschnittslähmung unvollständig, bleiben mehr Nervenfasern erhalten und die geschädigten Fasern regenerieren sich auch besser. Das ist der Grund, dass geeignetes Training bei einigen Patienten dazu führt, dass sie irgendwann wieder gehen können.

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Regeneration von Nervenfasern findet in einem gewissen Umfang auch statt, wenn sich die Situation für den Betroffenen nicht verbessert. Allerdings kann es zu fehlerhaften Verbindungen kommen. “Das ist ein wenig, als ob man einen dicken Kabelstrang durchschneidet und anschließend einige Kabel wahllos miteinander verknüpft”, erklärt Weidner. Betroffen sind vor allem Patienten, die ihre Gehfähigkeit nicht wieder erlangen und daher keinen normalen sensorischen Input mehr aus Füßen und Beinen bekommen. Im Tierversuch hat Weidner mit seinen Kollegen erkannt, dass sich dieser fehlerhaften Regeneration durch gezielte Bewegung entgegenwirken lässt. In einer Anfang 2016 veröffentlichten Studie ließen die Forscher Mäuse sieben Tage nach einer Querschnittslähmung auf einem speziellen Laufband sporteln. Während der Hinterlauf der Tiere anfangs nach Berührung mit einer feinen Faser reflexartig zurückzuckte, blieb diese Schmerzreaktion nach erfolgtem Training aus.

Schmerz als Schutzreflex

Autsch! Die Herdplatte war heiß! Blitzschnell weicht die Hand zurück - noch bevor das Signal “Finger verbrannt” im Gehirn ankommt. Denn die Informationen “heiß” und “Schmerz” zweigen, kaum im Rückenmark angekommen, über einen so genannten Reflexbogen in die Muskulatur der beteiligten Gliedmaßen ab. Daher zuckt die verbrannte Hand unwillkürlich zurück - bereits Sekundenbruchteile bevor der Schmerz bewusst wahrgenommen wird. Dieser Schutzreflex zeigt: Schmerz ist eine lebenswichtige Empfindung. Er schützt den Körper vor schädlichen Einflüssen, seien es Schläge, Stöße und Schnitte, Hitze oder extreme Kälte oder auch chemische Reize. Und er hilft, die Information “gefährlich” im Gehirn zu verankern, um etwa in Zukunft nicht mehr auf die heiße Herdplatte zu greifen. Wie überlebenswichtig dieses körpereigene Warnsystem ist, zeigen Menschen, die aufgrund eines Gendefekts keinen Schmerz fühlen (Schmerzlich, aber unabdingbar).

Schmerzarten

Schmerzen können in ganz unterschiedliche Kategorien eingeteilt werden. Für Betroffene spielt natürlich die Schmerzintensität eine wichtige Rolle. Das Spektrum reicht hier von leichten Schmerzen, die zwar unangenehm sind, aber den Lebensalltag nicht weiter beeinträchtigen, bis hin zu stärksten, schier unerträglichen Schmerzen, die ein normales Leben unmöglich machen.

Betrachtet man bei Schmerzen den Entstehungsort im Körper, so ergeben sich folgende Schmerzarten:

• Somatischer Schmerz: Entsteht durch Schäden an Haut, Bindegewebe, Muskeln, Knochen und Gelenken. Ist nur die Haut betroffen, sprechen Mediziner von einem somatischen Oberflächenschmerz. Eine Verletzung der anderen genannten Strukturen bewirkt einen somatischen Tiefenschmerz.
• Neuropathischer Schmerz: Wird durch die direkte Schädigung eines Nerven hervorgerufen. Ein Beispiel für neuropathische Schmerzen ist die sogenannte Post-Zoster-Neuralgie nach einer Gürtelrose.
• Viszeraler Schmerz: Ein Schmerz, der an Organen oder Blutgefäßen entsteht, wird viszeraler Schmerz genannt. Das Funktionsgewebe der Organe verfügt nicht über Schmerzrezeptoren, die Kapseln und Häute, die sie umgeben aber schon. Wächst zum Beispiel ein Tumor in diese Hülle ein, oder schwillt das Organ an, reizt das die Nozizeptoren. Auch in den Wänden von Gefäßen und Hohlorganen sitzen solche Nozizeptoren.
• Akute Schmerzen: Ein Schmerz, der aufgrund einer aktuellen Verletzung oder Erkrankung entsteht ist zunächst akut und hat eine sinnvolle Funktion. Dieser akute Schmerz ist ein Symptom und hält solange an wie die zugrundeliegende Gewebeschädigung.
• Chronische Schmerzen: Chronische Schmerzen sind Schmerzen, die über eine längere Dauer bestehen, je nach Definition über mindestens drei bis zwölf Monate. Die mögliche Ursache kann eine chronische Erkrankung sein, die einen permanenten Gewebeschaden auslöst.

Periphere Sensibilisierung

Die Steigerung der Erregbarkeit von Nozizeptoren durch Schmerzreize wird als periphere Sensibilisierung bezeichnet, vermittelt durch Bindung biologisch aktiver Substanzen an spezifische Rezeptoren der Nozizeptormembran. Ein sensibilisierter Nozizeptor besitzt eine abgesenkte Reizschwelle und reagiert daher bereits auf schwache, normalerweise nichtschmerzhafte Reize (Abb. 3). Klinisch nehmen Hyperämie, Ödem sowie Ruhe- und Bewegungsschmerz zu.

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Zentrale Sensibilisierung

Mit fortschreitender Dauer und Intensität der peripheren Inflammationsreaktion ändern auch die Rückenmarkneurone ihre Reizantwortmuster auf die periphere Stimulation (Ji et al. Ähnlich dem Prozess der peripheren Sensibilisierung steigert ein lang anhaltender Einstrom von Reizsignalen bzw. Substanz P aktiviert G-Protein-gekoppelte NK-1-Rezeptoren. Die ansteigende intrazelluläre Kalziumkonzentration verschiebt das Schwellenmembranpotenzial zur Auslösung von Aktionspotenzialen.

Schmerztherapie

Die spezifische Behandlungsstrategie hängt von der Art des Schmerzes und den Umständen, der Prognose und der zugrunde liegenden Erkrankung der einzelnen Person ab. Der wichtigste Bestandteil der Schmerzbekämpfung sind Medikamente. Häufige Schmerzen Definition: Was ist Schmerz? Funktion von Schmerzen Ursachen von Schmerzen Wie entstehen Schmerzen? Welche Schmerzarten gibt es? Wie werden Schmerzen diagnostiziert? Wie werden Schmerzen behandelt? Schmerzen können an unterschiedlichsten Körperregionen entstehen. Je nach Erkrankung oder Verletzung und betroffenem Gewebe können sie einen sehr unterschiedlichen Charakter haben. Um Schmerzen zu verringern, ist nicht immer sofort die Einnahme eines Schmerzmedikamentes notwendig. Der Körper kann, wenn nötig, selbst Stoffe herstellen, die Schmerzen reduzieren oder manchmal auch vollständig ausschalten können. Diese Stoffe werden Endorphine genannt und ähneln in ihrem Aufbau starken Schmerzmedikamenten („Morphine“ = sog. Opioide). Das Nervensystem sendet schmerzauslösende Signale an das Gehirn. Umgekehrt gibt es schmerzhemmende Impulse direkt zu den Synapsen im Rückenmark. Diese führen zur Ausschüttung von Substanzen wie zum Beispiel Noradrenalin. Körperliche Bewegung bewirkt, dass verschiedenste Hormone (beispielsweise Noradrenalin und Serotonin) ausgeschüttet werden.

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