Elektrische Impulse in Nervenbahnen: Funktion, Anwendung und therapeutischer Nutzen

Elektrische Impulse sind die Grundlage für die Kommunikation und Funktion des Nervensystems. Sie ermöglichen die Übertragung von Informationen im Körper, von der bewussten Wahrnehmung bis zur unwillkürlichen Steuerung von Organen. Dieser Artikel beleuchtet die Bedeutung elektrischer Impulse in Nervenbahnen, ihre Funktionsweise und die vielfältigen therapeutischen Anwendungen, insbesondere im Bereich der Schmerztherapie und Rehabilitation.

Die Rolle elektrischer Impulse im Nervensystem

Um eine Bewegung eines Körperteils ausführen zu können, muss ein elektrischer Impuls vom Gehirn aus entlang der Nervenbahnen bis zu einzelnen Muskelzellen weitergegeben werden. Umgekehrt muss die Wahrnehmung etwa eines Schmerzreizes unter der Fußsohle mittels elektrischer Impulse entlang der Nervenbahnen an das Rückenmark und Gehirn weitergegeben werden, damit der Körper dem Schmerz blitzartig ausweichen kann. Der menschliche Körper ist in der Lage, elektrische Signale zu erzeugen und zu nutzen, um Informationen zu verarbeiten und zu kommunizieren. Diese Signale werden von verschiedenen Zellen und Geweben erzeugt und übertragen, wobei Neuronen, die spezialisierten Nervenzellen, die Hauptakteure sind. Neuronen erzeugen elektrische Signale und übertragen sie mit Hilfe eines Axons. Über ihre Dendriten können Neuronen die elektrischen Signale anderer Neuronen empfangen.

Das Aktionspotential: Die Grundlage der neuronalen Kommunikation

Bei der Übertragung von Informationen im Nervensystem und der Kontraktion von Muskeln spielen Aktionspotentiale eine entscheidende Rolle. Ein Aktionspotential entsteht, wenn eine Nervenzelle durch einen Reiz ausreichend erregt wird, beispielsweise durch eine elektrische Spannungsänderung an der Zellmembran. Durch das Öffnen der Ionenkanäle strömen Ionen wie Natrium (Na+) in die Zelle, wodurch es zu einer vorübergehenden Depolarisation der Zellmembran kommt. Das Innere der Zelle wird kurzzeitig positiv und das Äußere negativ geladen. Dieser schnelle Wechsel des Membranpotenzials von einem negativen Ruhepotential zu einem positiven Wert wird als Aktionspotential genannt. Neuronen verarbeiten und leiten Informationen weiter, wobei Aktionspotentiale für den Transport über längere Strecken genutzt werden.

Neuronale Schaltkreise und Synapsen

Wenn sich Neuronen miteinander verbinden, können sie neuronale Schaltkreise bilden, die es dem Menschen ermöglichen, Informationen zu verarbeiten, zu speichern und abzurufen. Die Endknöpfchen der Nervenzellen sind mit den nächsten Zellen verbunden, allerdings liegt dazwischen ein winziger Spalt, der sogenannte synaptische Spalt. Bei elektrischen Synapsen erfolgt die Übertragung des Aktionspotenzials durch den sehr engen Zellkontakt direkt von einer Nervenzelle zur anderen. Elektrische Synapsen kommen vor allem dort zum Einsatz, wo eine schnelle, verzögerungsfreie Reaktion notwendig ist. Bei chemischen Synapsen wird der elektrische Impuls in einen chemischen umgewandelt. Trifft der elektrische Impuls vom Axon auf die Nervenenden, werden dort Calziumkanäle aktiviert. Diese öffnen sich und lassen Calzium-Ionen von außen nach innen fließen. Diese Calzium-Ionen wiederum veranlassen die Vesikelzellen dazu, mit der Zellmembran zu verschmelzen, um nach außen zu gelangen. So werden von den Endknöpfen des sendenden Teils aus den Vesikelzellen Botenstoffe über den synaptischen Spalt ausgesendet und von Rezeptoren an den Dendriten der empfangenden Nervenzelle aufgenommen.

Diagnostische Verfahren zur Untersuchung von Nervenbahnen

Sowohl die Weiterleitung der elektrischen Impulse als auch die elektrische Aktivität im Muskel werden mit entsprechenden Apparaten gemessen. Verschiedene diagnostische Verfahren ermöglichen es, die Funktion und Integrität der Nervenbahnen zu beurteilen:

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• Neurografie: Die Nervenbahnen der Extremitäten werden an verschiedenen Stellen mit leichten, harmlosen elektrischen Reizen stimuliert. Gleichzeitig wird an anderen Stellen mittels auf die Haut aufgeklebter Oberflächenelektroden die typische elektrische Antwort empfangen.
• Elektromyografie (EMG): Die elektrische Aktivität von Muskelzellen wird direkt gemessen. Mittels dünner Ableitnadeln, die in einzelne Muskeln gestochen werden, können sowohl die gesunde elektrische Antwort als auch krankhafte spontane Erregungen des Muskels erfasst werden. Die Ableitung erfolgt zunächst im Ruhezustand des Muskels, im weiteren Untersuchungsablauf wird der Patient aufgefordert, den Muskel leicht oder auch maximal anzuspannen.
• Evozierte Potentiale: Kleine elektrische Signale, die von bestimmten Teilen des Körpers ausgelöst werden, wenn sie elektrisch oder akustisch stimuliert werden. Die Ergebnisse dieser Untersuchung sind wichtig um Störungen im Verlauf von Nervenbahnen beispielsweise bei akuten und chronischen Erkrankungen der Nerven, des Rückenmarks sowie des Gehirns zu diagnostizieren. Evozierte Potentiale können verwendet werden, um die Funktionsfähigkeit von Seh-, Hör-, Sprach- und Bewegungsnerven zu testen. Ein elektrischer Impuls an Arm oder Bein führt nach etwa 20 beziehungsweise etwa 40 Millisekunden zu einer Antwort der Hirnzellen, die für die Wahrnehmung sensibler Impulse zuständig sind.
• Elektroenzephalografie (EEG): Ein EEG wird zur Untersuchung von Funktionsstörungen des Gehirns eingesetzt. Die Untersuchung ist schmerzfrei. 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.
• Ultraschalldiagnostik von Nerven (Nervensonographie): Die Nervensonographie kann Nervenverletzungen, Nerventumoren oder Einklemmungen von Nerven sichtbar machen. Die Darstellung vieler Nerven gelingt mit dem Ultraschall besser als mit der Kernspintomographie.
• Doppler- und Duplex-Sonographie: 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.

Therapeutische Anwendung elektrischer Impulse: Elektrostimulation

Elektrostimulation hat als schonende, nicht-medikamentöse Therapieform bei neurologischen Beschwerden in den letzten Jahren deutlich an Bedeutung gewonnen. Bei Erkrankungen wie Multiple Sklerose, Zerebralparese oder Fibromyalgie können damit Schmerzen gelindert, Muskeln gestärkt und die Beweglichkeit verbessert werden. Elektrostimulation bedient sich eines physikalischen Prinzips, bei dem elektrische Signale entweder die gewohnten Nervensignale ersetzen oder deren Wirkung ergänzen. Dadurch kann beispielsweise die überaktive Weiterleitung von Schmerz gemindert und schwache Muskeln gezielt aktiviert werden.

Funktionsweise der Elektrostimulation

Elektrostimulation nutzt elektrische Impulse, um gezielt Nervenfasern und Muskeln anzuregen - ganz ohne Medikamente. Über Elektroden, die auf der Haut kleben, wird ein definierter Stromimpuls ins Gewebe geleitet. Diese direkte elektrische Einwirkung verändert das Ruhepotential der Nerven- und Muskelzellen. In der Folge können Schmerzen blockiert, die Durchblutung gesteigert oder Muskelzuckungen ausgelöst werden.

Formen der Elektrostimulation

• Transkutane elektrische Nervenstimulation (TENS): Hier sendet das Gerät niedrigfrequente Impulse aus, die gezielt Nerven im Rückenmark beeinflussen und dadurch das sogenannte „Schmerztor“ verschließen. Die Schmerzleitung wird abgeblockt und das störende Signal wird weniger stark wahrgenommen.
• Neuromuskuläre Stimulation (EMS/NMES): Hier wird mit stärkerer Spannung an den motorischen Nerven gearbeitet. Jeder Impuls erzeugt eine Muskelkontraktion. So können auch gelähmte oder sehr schwache Muskeln trainiert werden.

Anwendungsbereiche der Elektrostimulation

Elektrotherapie wird bei verschiedenen neurologischen Krankheitsbildern eingesetzt:

• Multiple Sklerose (MS): Elektrostimulation kann MS-assoziierte Spastik lockern und die Muskelfunktionen verbessern.
• Zerebralparese (CP): Bei angeborenen Bewegungsstörungen hilft die Kombination aus passiver Stimulation und aktiver Therapie. EMS- oder FES-Systeme entspannen spastische Muskeln und fördern die Koordination.
• Fibromyalgie: Tägliche, mehrminütige TENS-Sitzungen können die Schmerzintensität und Erschöpfung signifikant reduzieren.
• Spastiken (z. B. nach Schlaganfall oder Rückenmarksverletzung): Auch hier kann E-Stimulation gezielt Entspannung bringen.
• Querschnittlähmung: Bei kompletten oder inkompletten Rückenmarksverletzungen kann Elektrostimulation dazu beitragen, Muskelabbau zu verhindern und verbliebene Nervenbahnen zu trainieren.
• Neuropathischer Schmerz: Bei Nervenschmerzen kann Elektrostimulation Schmerzlinderung verschaffen.
• Weitere Einsatzbereiche: Die Elektrotherapie unterstützt zudem bei sensomotorischen Neuropathien (z. B. bei Diabetes), Muskelschwund oder als Ergänzung in der Parkinson-Therapie.

Funktionelle Elektrostimulation (FES)

Die funktionelle Elektrostimulation (FES) nutzt die Aktionspotenziale im Körper, um gezielt Muskeln oder Nerven zu stimulieren. Bei der funktionellen Elektrostimulation werden externe elektrische Impulse erzeugt, um Muskeln oder Nerven zu stimulieren und Bewegungen auszulösen. Die elektrischen Impulse der funktionellen Elektrostimulation aktivieren die Muskeln, indem sie die natürlichen elektrischen Signale imitieren. Durch die gezielte Anregung der Muskeln können Bewegungen erzeugt werden, wenn die körpereigene Steuerung nicht oder nicht ausreichend funktioniert. Mehrkanalstimulatoren wie KT Motion fördern den Ausgleich fehlender Funktionen bei peripheren und zentralen Lähmungen. Bis zu vier Muskelgruppen können stimuliert und komplexe, alltagsrelevante Bewegungen gezielt ausgeführt werden. Mit KT Motion können Patienten mehrmals täglich bequem von zuhause aus verloren gegangene Bewegungen trainieren.

Periphere Nervenfeldstimulation (PNS)

Die periphere Nervenfeldstimulation (PNS) ist eine neuromodulatorische Behandlungsmethode, bei der elektrische Impulse verwendet werden, um Schmerzen zu lindern, indem spezifische periphere Nerven oder Nervenfelder stimuliert werden. Diese Technik wird vor allem bei chronischen Schmerzen eingesetzt, die durch periphere Nerven verursacht werden, und ist eine Alternative oder Ergänzung zu anderen Schmerzbehandlungen, wie z. B. medikamentösen Therapien oder chirurgischen Eingriffen.

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Funktionsweise der PNS

Die PNS verwendet elektrische Impulse, die direkt an periphere Nerven abgegeben werden, um die Schmerzwahrnehmung zu beeinflussen. Diese Impulse blockieren die Schmerzweiterleitung oder verändern die Art und Weise, wie das Gehirn Schmerzsignale verarbeitet. Die Impulse werden über elektrodenbasierte Geräte abgegeben, die in der Nähe des betroffenen Nerven oder Nervenfeldes implantiert oder auf die Haut aufgeklebt werden. Die periphere Nervenfeldstimulation nutzt die Mechanismen der Gate-Control-Theorie und der Endorphinausschüttung, um Schmerzen zu lindern. Durch die elektrische Stimulation wird die Schmerzleitung im betroffenen Nerv blockiert, gleichzeitig wird die Ausschüttung von körpereigenen schmerzlindernden Substanzen (wie Endorphinen) gefördert.

Anwendungsgebiete der PNS

PNS wird insbesondere bei chronischen, lokalen Schmerzen eingesetzt, die durch periphere Nervenschäden oder Entzündungen verursacht werden. Zu den häufigsten Indikationen gehören:

• Chronische Schmerzsyndrome der Extremitäten: Schmerzen, die durch Nervenverletzungen, Entzündungen oder Kompressionen der peripheren Nerven verursacht werden (z. B. Karpaltunnelsyndrom, Schmerzhafte Schulter oder Radikulopathien).
• Postoperative Schmerzen: Chronische Schmerzen nach Operationen, insbesondere wenn diese mit Nervenschäden oder -irritationen verbunden sind.
• Phantomschmerzen: Schmerzen, die nach einer Amputation auftreten, oft verursacht durch Nervenreizung im Bereich der amputierten Extremität.
• Neuropathische Schmerzen: Schmerzen, die durch eine Schädigung der Nerven entstehen (z. B. diabetische Neuropathie, postzosterische Neuralgie).
• Tennisellbogen oder andere lokale Entzündungen der Sehnen, die Schmerzsignale an benachbarte Nerven senden.
• Schmerzhafte Migräne oder Clusterkopfschmerzen (in einigen Fällen).

Durchführung der PNS

• Diagnostische Blockade (Trial-Phase): Zu Beginn wird oft eine diagnostische Blockade durchgeführt, bei der Lokalanästhetika oder andere Medikamente an den betroffenen Nerven injiziert werden, um zu überprüfen, ob eine Schmerzlinderung zu erwarten ist. Die Testphase kann auch beinhalten, dass temporäre Elektroden an den betroffenen Nerven oder Nervenfeldern platziert werden. Diese Elektroden sind mit einem tragbaren Stimulator verbunden, und der Patient kann testen, ob die PNS die Schmerzlinderung erzielt, die er erwartet.
• Implantation des Stimulators: Wenn die Testphase erfolgreich war und eine ausreichende Schmerzlinderung erzielt wurde, wird ein dauerhaftes Stimulationsgerät implantiert. Dabei wird ein kleines, tragbares Gerät mit einer Batterie, das die elektrischen Impulse erzeugt, unter die Haut implantiert (häufig im Bereich der Hüfte, des Oberschenkels oder der Schulter). Ein dünner Draht mit den Elektroden wird dann an den betroffenen Nerv oder Nervenbereich angebracht, meist unter der Haut oder an einer Stelle, an der der Nerv gut zugänglich ist. Der Stimulator kann vom Patienten über eine Fernbedienung oder ein tragbares Gerät gesteuert werden, um die Intensität und Dauer der Stimulation je nach Bedarf anzupassen.

Vorteile der PNS

• Minimale Invasivität: Im Vergleich zu anderen chirurgischen Eingriffen (z. B. spinaler Stimulation) ist die PNS weniger invasiv und erfordert keine größere Operation.
• Geringere Nebenwirkungen: Da die PNS nur lokale Nerven betrifft, sind die Nebenwirkungen in der Regel begrenzt. Es gibt keine systemischen Nebenwirkungen, wie sie bei medikamentösen Behandlungen auftreten können.
• Verbesserung der Lebensqualität: Viele Patienten berichten von einer signifikanten Schmerzlinderung, was eine Verbesserung der täglichen Funktionalität und der Lebensqualität zur Folge hat.
• Anpassungsfähigkeit: Die Intensität und Dauer der Stimulation können leicht angepasst werden, um die bestmögliche Schmerzlinderung zu erreichen.
• Reduzierung des Medikamentengebrauchs: Die PNS kann dazu beitragen, den Bedarf an Schmerzmitteln, insbesondere an Opioiden, zu verringern, was wiederum das Risiko von Nebenwirkungen und Abhängigkeit reduziert.

Periphere Nervenfeldstimulation (PNFS)

Das Verfahren und der Ablauf bei einer PNFS sind sehr ähnlich wie bei der bereits beschriebenen PNS. Bei der PNFS werden ebenfalls Elektroden zur Schmerzbehandlung eingesetzt, die elektrische Impulse abgeben. Bei diesem Verfahren werden diese jedoch nur ca. 1cm unter der Haut (subkutan) platziert. Die elektrischen Impulse werden von einem Generator erzeugt, welcher am Gesäß implantiert wird. Die periphere Nervenfeldstimulation (PNFS) ist vor allem bei älteren Patienten bestens indiziert, da sie weniger invasiv ist, die Operationsdauer kürzer ist und keine Gefahr besteht, die Nerven zu verletzen.

Indikationen zur peripheren Nervenfeldstimulation (PNFS)

Schmerzen in einem umschriebenen Areal mit einem Durchmesser von ca.

Anwendung im Alltag

Elektrostimulation kann problemlos im Alltag eingesetzt werden, sei es zu Hause oder in der Praxis. Moderne Reizstrom-Geräte sind kompakt und leicht bedienbar. Klebepads lassen sich an Armen, Beinen, Schultern oder am Rücken anbringen, je nach Beschwerden. Nach fachlicher Einweisung können die Elektroden selbstständig an Rücken, Schultern oder Beinen platziert und die Stimulationsstärke über das Gerät geregelt werden.

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Wichtige Hinweise zur Anwendung

• Achten Sie auf saubere, trockene Haut vor dem Anlegen der Elektroden. Vermeiden Sie öl- oder lotionhaltige Substanzen, die die Leitfähigkeit stören.
• Wechseln Sie die Klebepads bei Verschleiß.
• Starten Sie mit sehr niedriger Stromstärke und erhöhen Sie die Intensität nur allmählich, bis ein deutliches, aber keinesfalls schmerzhaftes Kribbeln wahrgenommen wird.
• Kleben Sie die Pads genau nach Anleitung auf. Ein kleiner Versatz kann die Wirkung erheblich verändern. Reinigen und trocknen Sie die Haut vor dem Anlegen. Vermeiden Sie aufgekratzte Haut, entzündete Areale oder frische Narben.
• Lassen Sie Ihren Therapieplan von Fachleuten begleiten. Da sich Beschwerden über die Zeit verändern können, ist es sinnvoll, Reizparameter (Frequenz, Pulsbreite, Stimulationsdauer) bei Bedarf anzupassen.
• Personen mit Herzschrittmacher, Defibrillator oder bestimmten Herzrhythmusstörungen sollten vor Anwendung ärztlichen Rat einholen. Auch bei Epilepsie, akuten Entzündungen oder in der Schwangerschaft wird Vorsicht empfohlen.

Elektrische Impulse im Herzen

Elektrische Impulse lassen das Herz jeden Tag etwa hunderttausend Mal schlagen. Der Ausgangspunkt für diesen Strom liegt im Herzen selbst. Auch die nötigen Verbindungen, um die Energie zu übertragen, verlaufen durch die Herzmuskulatur.

Entstehung des elektrischen Stroms im Herz

Der Taktgeber des Herzens ist der sogenannte Sinusknoten. Er besteht aus einer hochspezialisierten Zellansammlung im rechten Vorhof des Herzens. Diese Zellen können elektrischen Strom und damit einen Impuls generieren. Bei einem gesunden Menschen passiert das etwa 60- oder 70-mal in der Minute - entsprechend einer normalen Herzfrequenz. Man spricht auch vom Sinusrhythmus. Der AV-Knoten funktioniert wie ein Sicherungskasten. Er verzögert die Weiterleitung der elektrischen Erregung, sodass sich erst die Vorhöfe und dann die Herzkammern zusammenziehen. Außerdem sorgt der AV-Knoten dafür, dass beispielsweise bei Fehlleitungen nicht zu viele Impulse weitergeleitet werden. Vom Sinusknoten wird der elektrische Strom zum AV-Knoten geleitet, von wo er an die Herzkammern übertragen wird.

Steuerung des Erregungsleitungssystems

Drei Mineralien steuern das Erregungsleitungssystem des Herzens: Kalium, Natrium und Calcium. Ihr Austausch sorgt dafür, dass eine Muskelzelle zum Beispiel innen negativ und außen positiv geladen ist. Durch diesen Unterschied der Ladungen im Zelleninneren und -äußeren entsteht die notwendige elektrische Spannung.

Auswirkungen des elektrischen Stroms auf die Herzmuskelzellen

Es gibt viele verschiedene Zelltypen im Herzen. Die größten und häufigsten sind die Herzmuskelzellen. Werden sie durch den vorbeifließenden Strom erregt, können sie sich zusammenziehen. Das führt dazu, dass sich das Herz auswringt wie ein Schwamm.

Störungen des Erregungsleitungssystems

Wenn Teile des Herzmuskels abgestorben oder verändert sind - weil beispielsweise durch einen Herzinfarkt Vernarbungen entstanden sind - funktionieren die Herzmuskelzellen an diesen Stellen nicht mehr. Dann kann der elektrische Strom nicht mehr die normale Bewegung des Herzmuskels erzeugen, und die Patientinnen oder Patienten können Herzrhythmusstörungen entwickeln. Die gefährlichste Herzrhythmusstörung ist das Kammerflimmern. Unbehandelt führt es innerhalb von Minuten zum Tod. Beim Vorhofflimmern verhindern „Störfeuer“ aus den großen Blutadern, die von den Lungen zum Herzen führen (Pulmonalvenen), einen normalen Sinusrhythmus. Dann kommt es in den Vorhöfen zu einer chaotischen Aktivierung von Herzströmen, die Vorhofwände beginnen zu flimmern. Verschlimmert wird das Vorhofflimmern, wenn zusätzlich noch das Herz geschwächt ist, weil die Vorhöfe dann häufig verändert, zum Beispiel vergrößert sind.

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