Das Herz, oft als bloße Pumpe wahrgenommen, ist ein hochkomplexes Organ, dessen Funktion von einem Zusammenspiel elektrischer Impulse und Nervenverbindungen abhängt. Diese Impulse lassen das Herz jeden Tag etwa hunderttausend Mal schlagen. Der Ursprung dieser elektrischen Aktivität liegt im Herzen selbst und wird durch ein ausgeklügeltes System von spezialisierten Zellen und Nervenbahnen gesteuert. Dieser Artikel beleuchtet die Entstehung, Steuerung und Bedeutung der elektrischen Erregungsleitung im Herzen, sowie die Konsequenzen von Störungen in diesem System.
Die Entstehung des elektrischen Stroms im Herzen
Der Taktgeber des Herzens ist der sogenannte Sinusknoten, eine Ansammlung hochspezialisierter Zellen im rechten Vorhof des Herzens. Diese Zellen sind in der Lage, selbstständig elektrische Ströme und damit Impulse zu generieren. Bei einem gesunden Menschen geschieht dies etwa 60- bis 70-mal pro Minute, was einer normalen Herzfrequenz entspricht - man spricht vom Sinusrhythmus.
Die Rolle des AV-Knotens
Der AV-Knoten (Atrio-Ventrikular-Knoten) fungiert als eine Art "Sicherungskasten" im Erregungsleitungssystem. Er verzögert die Weiterleitung der elektrischen Erregung vom Sinusknoten zu den Herzkammern. Diese Verzögerung ist wichtig, damit sich zuerst die Vorhöfe und dann die Herzkammern zusammenziehen können. Zudem verhindert der AV-Knoten, dass bei Fehlleitungen zu viele Impulse an die Kammern weitergeleitet werden. Vom Sinusknoten wird der elektrische Strom zum AV-Knoten geleitet, von wo er an die Herzkammern übertragen wird.
Das Erregungsleitungssystem: Steuerung durch Mineralien
Drei Mineralien spielen eine entscheidende Rolle bei der Steuerung des Erregungsleitungssystems des Herzens: Kalium, Natrium und Calcium. Der Austausch dieser Ionen sorgt dafür, dass eine Muskelzelle beispielsweise innen negativ und außen positiv geladen ist. Durch diesen Ladungsunterschied zwischen dem Zellinneren und -äußeren entsteht die notwendige elektrische Spannung. Es ist jedoch nicht sinnvoll, die Ernährung mit Elektrolyten anzureichern, um das Herz zu stärken, da der Körper diesen Prozess sehr fein selbst regulieren kann.
Die Auswirkungen des elektrischen Stroms auf die Herzmuskelzellen
Das Herz besteht aus verschiedenen Zelltypen, wobei die Herzmuskelzellen die größten und häufigsten sind. Wenn diese Zellen durch den vorbeifließenden elektrischen Strom erregt werden, ziehen sie sich zusammen. Dieser Vorgang führt dazu, dass sich das Herz wie ein Schwamm "auswringt" und das Blut durch den Körper pumpt.
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Störungen des Erregungsleitungssystems
Wenn Teile des Herzmuskels abgestorben oder verändert sind, beispielsweise durch Vernarbungen nach einem Herzinfarkt, können die Herzmuskelzellen an diesen Stellen nicht mehr richtig funktionieren. Infolgedessen kann der elektrische Strom nicht mehr die normale Bewegung des Herzmuskels erzeugen, was zu Herzrhythmusstörungen führen kann. Die gefährlichste Herzrhythmusstörung ist das Kammerflimmern, das unbehandelt innerhalb von Minuten zum Tod führt.
Vorhofflimmern: "Störfeuer" in den Pulmonalvenen
Beim Vorhofflimmern verhindern "Störfeuer" aus den großen Blutadern, die von den Lungen zum Herzen führen (Pulmonalvenen), einen normalen Sinusrhythmus. Dies führt zu einer chaotischen Aktivierung von Herzströmen in den Vorhöfen, wodurch die Vorhofwände zu flimmern beginnen. Eine zusätzliche Schwächung des Herzens kann das Vorhofflimmern verschlimmern, da die Vorhöfe dann häufig verändert oder vergrößert sind.
Spezialisierte Herzmuskelzellen: Erregungsbildung und -leitung
Die elektrischen Impulse, die für die Kontraktion des Herzens notwendig sind, werden von spezialisierten Herzmuskelzellen erzeugt. Diese Zellen geben den Takt vor, in dem das Herz schlägt (Erregungsbildung), und sind außerdem in der Lage, die Erregung schnell weiterzuleiten. Dies ist wichtig, damit sich die Muskelzellen in den Herzkammern gleichzeitig zusammenziehen können.
Der Weg des elektrischen Impulses durch das Herz
- Sinusknoten: Der Haupttaktgeber für den Herzschlag, der im rechten Vorhof liegt. Seine Zellen geben in regelmäßigen Abständen elektrische Impulse ab - normalerweise etwa 60 bis 80 pro Minute (Herzfrequenz). Bei körperlicher Anstrengung, psychischem Stress oder Fieber kann sich die Herzfrequenz erhöhen.
- AV-Knoten: Der Atrio-Ventrikular-Knoten, der sich etwa in der Mitte des Herzens befindet, nimmt die Impulse vom Sinusknoten auf und leitet sie rasch in die Herzkammern weiter. Er gibt sie an das sogenannte His-Bündel ab. Die Zellen im AV-Knoten können auch selbst Impulse auslösen, falls der Sinusknoten ausfällt.
- His-Bündel: Ein kurzer Strang aus besonderen Muskelzellen in der Herzscheidewand, der sich in zwei Äste aufteilt.
- Kammerschenkel (Tawara-Schenkel): Die Äste des His-Bündels ziehen als rechter und linker Kammerschenkel in die Herzspitze und verzweigen sich dort in viele dünnere Fasern, die den Herzmuskel durchziehen und einen Impuls schnell auf beide Herzkammern verteilen.
- Vorhof- und Kammermuskulatur: Der elektrische Impuls breitet sich zuerst in der Muskulatur der beiden Vorhöfe gleichmäßig aus, wodurch sich die Vorhof-Muskulatur zusammenzieht und das Blut in die Kammern pumpt. Anschließend breitet sich der Impuls über das His-Bündel, die Kammerschenkel und die Purkinje-Fasern rasch über die Herzkammern aus. Die Herzmuskelzellen ziehen sich dadurch kräftig zusammen und pumpen das Blut in den Körper und die Lunge.
Nach einem Herzschlag entspannen sich alle Herzmuskelzellen wieder und warten auf den nächsten Impuls.
Das "Herzgehirn": Die Kommunikation zwischen Herz und Gehirn
Lange Zeit wurde das Herz mechanistisch als reine Pumpe betrachtet. Doch es verfügt auch über ein Netz aus Nervenzellen und übernimmt wichtige Aufgaben der Steuerung selbst. Herz und Gehirn kommunizieren auf verschiedene Weise miteinander, insbesondere über das Nervensystem und minimale elektrische Impulse, die von den Nervenzellen ausgehen. Die Kommunikation erfolgt hier über sympathische und parasympathische Nervenfasern. Die sympathischen Nervenfasern (Herznerven) beschleunigen die Herzfrequenz, während die parasympathischen Fasern (Nervus vagus) für die Entspannung und Verlangsamung des Herzschlags sorgen. Diese Nervenfasern enden in einem Nervengeflecht, dem sogenannten Plexus cardiacus, an der Herzbasis.
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Forscher haben außerdem entdeckt, dass im Herz ein eigenständiges neuronales System mit etwa 40.000 Nervenzellen existiert, das sogenannte "Herzgehirn". Dieses Nervensystem steht mit dem Gehirn in Verbindung.
Das Zusammenspiel von Nerven und Blutgefäßen im alternden Herzen
Jüngste Forschungsergebnisse zeigen, dass es im alternden Herzen an der Schnittstelle von Blutgefäßen und Nervensystem zu Veränderungen kommt: die Nerven bilden sich zurück. Dem Herzen fällt es danach schwerer, auf entsprechende Anforderungen unter Belastungssituationen mit der Herzschlagfrequenz, dem Puls, zu reagieren. Ausgelöst wird diese Reaktion dadurch, dass Blutgefäße im Herzen mit zunehmendem Alter u.a. den Botenstoff Semaphorin-3A in ihre Umgebung freisetzen, der das Wachstum und die Aussprossung von Nervenzellen im Herzmuskelgewebe hemmt. Eine zentrale Rolle für den Rückgang der Nervenzellen im Herzen scheinen alternde, sogenannte ‚seneszente‘ Zellen des Gefäßsystems zu spielen. Verhindert man experimentell die Anzahl dieser ‚seneszenten‘ Zellen durch gezielte Medikamente (sogenannte Senolytica), wachsen die Nervenzellen wieder nach und das Herz gewinnt die autonome Kontrolle über die Pulsregulation wieder zurück.
Regeneration des Herzens: Erkenntnisse aus der Zebrafischforschung
Anders als beim Menschen können sich Zebrafisch-Herzen nach Schäden vollständig regenerieren. Dafür sorgt das Zusammenspiel zwischen Nerven- und Immunsystem. Die Forschenden untersuchten Zebrafisch-Larven, deren Herzmuskelzellen eine fluoreszierende Substanz bilden und sich dadurch im Mikroskop leicht ausfindig machen lassen. Dann verursachten sie im Herzen der Fisch-Larven eine Verletzung, die einem Infarkt ähnelt und blockierten die Forschenden verschiedene Rezeptoren auf der Oberfläche der Makrophagen. Das Ergebnis: Adrenerge Signale aus dem autonomen Nervensystem entscheiden, ob sich Makrophagen vermehren und in Verletzungsstelle einwandern. Die Signalweitergabe ist entscheidend dafür, dass sich das Herz regenerieren kann. Ist die Signalweitergabe unterbrochen, kommt es stattdessen zur Vernarbung. Werden Makrophagen durch die adrenergen Signale des autonomen Nervensystems aktiviert, kommunizieren sie wiederum mit Fibroblasten. Fibroblasten-Typen, die die Regeneration unterstützen, verändern die extrazelluläre Matrix an der beschädigten Stelle. Dadurch entsteht letztlich eine Umgebung, in der Blut- und Lymphgefäße wachsen können und neue Herzmuskelgefäße entstehen.
Sinusknoten und Sinusrhythmus
Der Sinusknoten ist eine Gewebestruktur im rechten Vorhof des Herzens, die aus Muskelgewebe und Nerven besteht. Von dort aus sendet der Knoten elektrische Impulse an das gesamte Herz weiter, damit es sich zusammenzieht und Blut durch den Körper pumpt. Er gibt also den Takt vor, wie langsam oder schnell das Herz schlägt und steuert so den Sinusrhythmus. Normalerweise findet der Herzschlag etwa 60- bis 80-mal pro Minute statt, Fachleute sprechen auch vom Ruhepuls. Unter Aufregung oder beim Sport beschleunigt sich der Puls, damit alle Organe ausreichend mit Blut versorgt werden und für die Situation entsprechend leistungsfähig sind. Die Botschaft dafür bekommt der Sinusknoten vom Gehirn, das über Nervenfasern des vegetativen Nervensystems mit dem Taktgeber verbunden ist. Ein erhöhter Sinusrhythmus heißt Sinustachykardie (über 100 Schläge in der Minute). Im Gegensatz dazu gibt es auch die Sinusbradykardie (unter 60 Schläge in der Minute). Die Bradykardie kann beispielsweise unter der Behandlung von Betablockern in Erscheinung treten, unabhängig davon, ob der Sinusknoten normal arbeitet.
Sinusarrhythmie: Schwankungen der Herzschlagfrequenz
Alles was von der normalen Abfolge des Herzschlags abweicht, wird unter Herzrhythmusstörungen zusammengefasst. Sie kommen sehr häufig vor und sind meist harmlos. Manchmal sind sie aber auch ein Zeichen für eine Erkrankung. Bei der Sinusarrhythmie ist beides möglich. Diese Art der Rhythmusstörung zählt zu den sogenannten Reizbildungsstörungen, da sie vom Sinusknoten ausgehen, der keine regelmäßigen Signale aussendet.
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Folgende zwei Formen der Sinusarrhythmie werden unterschieden:
- Respiratorische Sinusarrhythmie (RSA): Die Schwankung des Sinusrhythmus kommt durch die Atmung zustande und hat keinen Krankheitswert. So nimmt der Herzschlag während der Einatmung zu und bei der Ausatmung ab. Diese Arrhythmie ist bei Kindern und Jugendlichen stärker ausgeprägt als bei Erwachsenen.
- Nicht respiratorische Sinusarrhythmie: Der Sinusknoten ist in Folge einer anderen Erkrankung beschädigt - wie bei der koronaren Herzkrankheit - oder selbst von einer Krankheit betroffen, zum Beispiel beim Sick-Sinus-Syndrom (Sinusknotensyndrom).
Da die respiratorische Sinusarrhythmie ein normaler Vorgang ist, bedarf sie keiner Behandlung. Liegt eine nicht-respiratorische Sinusarrhythmie vor, muss die Grunderkrankung therapiert werden, damit das Herz keinen weiteren Schaden erleidet. Das Sick-Sinus-Syndrom bedarf insbesondere bei vorliegender Herzinsuffizienz entsprechender Maßnahmen, um einer Verschlechterung vorzubeugen.
Was passiert, wenn der Sinusknoten ausfällt?
Der Haupttaktgeber für den Herzschlag ist der Sinusknoten. Das heißt aber nicht, dass das Herz stillsteht, wenn er seine Funktion einbüßt. Es gibt weitere Schrittmacher im Herzen, die in diesem Fall seine Aufgabe übernehmen, wie beispielsweise den AV-Knoten (liegt zwischen dem Vorhof und der Herzkammer) oder das His-Bündel (kurz unterhalb den AV-Knotens in Richtung der Herzscheidewand). Je weiter (von oben nach unten) die Erregungsbildung vom Sinusknoten entfernt ist, desto langsamer wird der Herzschlag. Beim AV-Knoten geht der Herzschlag in Ruhe auf 50 Schläge herunter, beim His-Bündel auf etwa 40 Schläge.
Beeinflussung der Herzfrequenz: Chronotropie und autonome Regulation
Unter Chronotropie versteht man die Beeinflussung der Geschwindigkeit der Erregung auf der Ebene der Schrittmacherzellen und somit die Herzfrequenz. Die Frequenz des SA-Knotens wird hauptsächlich vom vegetativen Nervensystem beeinflusst. Das sympathische Nervensystem erhöht die HF (positive Chronotropie), indem es über die β1-adrenergen Rezeptoren des SA-Knotens eingreift. Das parasympathische Nervensystem verringert die HF (negative Chronotropie) über den Nervus vagus, indem es über die muskarinischen Rezeptoren (M2) am SA-Knoten einwirkt.
AV-Blockierungen: Störungen der Überleitung
Blockierungen im Bereich des AV-Knotens bedeuten, dass eine anatomische oder funktionelle Beeinträchtigung des Reizleitungssystems des Herzens eine Verzögerung oder Unterbrechung der Übertragung von Aktionspotentialen von den Vorhöfen auf die Ventrikeln auf Höhe des AV-Knotens verursacht. Dies kann zu Bradyarrhythmien sowie Bewusstseinsstörungen führen.
- AV-Block 1. Grades: Verzögerte Überleitung durch den AV-Knoten. Betroffene Personen haben einen Sinusrhythmus mit ggf. verlängerter PQ-Zeit im normalen Elektrokardiogramm (EKG).
- AV-Block 2. Grades: Verzögerte Überleitung durch den AV-Knoten. Mobitz Typ II: keine progressive Zunahme der verzögerten Überleitung (PQ-Zeit). Willkürlicher Ausfall von Reizen und Kammererregung.
- AV-Block 3. Grades: Vollständiger Block des AV-Knotens, der zu einer atrial-ventrikulären Dissoziation führt (unabhängige Erregung und Kontraktion, da keine atrialen Reize mehr die Ventrikel erreichen). Bradyarrhythmien, welche von einem Schrittmacherzentrum distal der Blockierung vorgegeben wird (z. B. AV-Knoten oder His-Bündel).
Schenkelblöcke: Störungen im His-Purkinje-System
Schenkel- und Hemiblöcke treten auf, wenn die physiologische elektrische Aktivität im His-Purkinje-System gestört oder unterbrochen ist. Es existieren unterschiedliche Genesen, die die Struktur des Herzens und/oder des Reizleitungssystems direkt beeinflussen können (z. B. Kardiomyopathien). Schenkelblöcke sind eine Blockade der elektrischen Reizleitung durch einen His-Schenkel im Bereich des Septum interventrikulare. Durch die Blockierung wird der elektrische Reiz zuerst über den anderen Schenkel geleitet, sodass dieser Ventrikel als erstes depolarisiert.
Antiarrhythmika: Behandlung von Herzrhythmusstörungen
Antiarrhythmika werden verwendet, um Herzrhythmusstörungen zu behandeln.
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