Schmerz ist eine universelle Erfahrung, die jeder Mensch kennt. Ob durch eine Verbrennung, einen Stich oder starken Druck verursacht, Schmerz signalisiert potenziellen Schaden und löst Schutzmechanismen aus. Doch wie genau erkennt unser Körper diese Schmerzreize und leitet sie an das Gehirn weiter? Die Antwort liegt in einem komplexen System, an dem spezialisierte Zellen, die Nozizeptoren, sowie neuronale Schaltkreise und synaptische Übertragungen beteiligt sind. Dieser Artikel beleuchtet die Funktionsweise der Nozizeptor-Impuls-Synapse und die vielfältigen Mechanismen, die der Schmerzwahrnehmung zugrunde liegen.
Nozizeptoren: Die Schmerzdetektoren des Körpers
Nozizeptoren sind sensorische Nervenendigungen, die in fast allen Geweben des Körpers vorkommen, insbesondere in der Haut, den Muskeln, den Gelenken und einigen inneren Organen. Sie fungieren als Schmerzfühler, die auf schädigende oder potenziell schädigende Reize reagieren. Diese Reize können thermischer Natur sein (extreme Hitze oder Kälte), mechanischer Natur (starker Druck, Stich, Schnitt, Quetschung) oder chemischer Natur (pH-Wert-Änderungen, Tiergifte, Entzündungsmediatoren).
Vielfalt der Nozizeptoren
Es gibt verschiedene Arten von Nozizeptoren, die auf spezifische Schmerztypen reagieren. Obwohl alle Nozizeptoren dafür zuständig sind, Schmerz zu detektieren, gibt es feine Unterschiede in der Art und Weise, wie sie auf verschiedene Arten von Schmerz reagieren. Beispielsweise haben Nozizeptoren, die auf extreme Temperaturen reagieren, unterschiedliche Reizschwellen.
- Mechanische Nozizeptoren reagieren auf physischen Druck oder mechanische Verletzungen. Stell dir vor, du trittst auf einen spitzen Stein. Die Nozizeptoren in deinem Fuß erkennen den Druck und die Verletzung, die der Stein verursacht.
- Thermische Nozizeptoren reagieren auf Hitze oder Kälte.
- Chemische Nozizeptoren reagieren auf chemische Reize, wie beispielsweise Entzündungsmediatoren.
- Polymodale Nozizeptoren sind eine bestimmte Art von Nozizeptor, die auf verschiedene Arten von schädlichen Reizen reagieren kann. Sie sind in der Lage, sowohl mechanische als auch thermische und chemische Reize wahrzunehmen. Angenommen, du stolperst und schürfst dir das Knie am Boden. Der mechanische Reiz (der Druck auf deine Haut) und der chemische Reiz (entzündliche Substanzen, die von deinem verletzten Gewebe freigesetzt werden) aktivieren die polymodalen Nozizeptoren in deinem Knie.
Nozizeption: Neuronale Kodierung noxischer Reize
Der Begriff Nozizeption bedeutet neuronale Kodierung der Information über noxische Reize am und im Körper. In diesem Verständnis gibt es also keine „Schmerzrezeptoren“ im eigentlich wörtlichen Sinne in der Peripherie, sondern Nozizeptoren, die elektrische Signale als Information über potenziell verletzende und gefährdende Reize weiterleiten.
Die Entstehung von Schmerz: Ein komplexer Prozess
Die Entstehung von Schmerz bei Nozizeptoren beginnt mit der Aktivierung dieser spezialisierten Neuronen durch schädigende Reize. Nozizeptoren können auch durch inflammatorische Mediatoren sensibilisiert werden, die von verletztem Gewebe oder während einer Entzündungsreaktion freigesetzt werden. Das führt dazu, dass die Nozizeptoren empfindlicher auf schädliche Stimuli reagieren. Die Mechanismen der Schmerzwahrnehmung von Nozizeptoren beinhalten eine Reihe komplexer Prozesse. Ein entscheidender Schritt ist die Transduktion, bei der die Schmerzsignale von der Peripherie zum zentralen Nervensystem weitergeleitet werden.
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Transduktion: Umwandlung von Reizen in elektrische Signale
Nozizeptoren sind spezialisierte Sinneszellen, die Schmerzreize erkennen und in elektrische Signale umwandeln. An der Oberfläche des Nozizeptors befinden sich verschiedene Signalempfänger (sog. Rezeptoren) für die unterschiedlichen Reizarten. Die Rezeptoren peripherer sensorischer Neurone setzen die spezifischen Eigenschaften des Stimulus in eine definierte Folge von Aktionspotenzialen um. Die Interaktion zwischen Rezeptoren und Stimuli wird durch deren Art, Intensität, Dauer und Lokalisation bestimmt. Der Reiztyp wird durch den Rezeptortyp (z. B. Mechanorezeptor, Thermorezeptor, Nozizeptor) erkannt. Die Reizintensität beeinflusst die Frequenz der Aktionspotenziale und die Anzahl der erregten Nervenfasern. Die Reizdauer bedingt die Geschwindigkeit der Adaptation des nozizeptiven Systems. Die Lokalisation des Stimulus wird durch die Dichte des sog. rezeptiven Felds, d. h. des Areals, das von einem Nervenende innerviert wird, determiniert.
Besonders beachtenswert ist der TRPV1 Kanal (Transient Receptor Potential Vanilloid 1), ein Schlüsselrezeptor, der an der Schmerztransduktion beteiligt ist.
Weiterleitung der Schmerzsignale: Von der Peripherie zum Gehirn
Die Schmerzleitung von den Peripherien zum Gehirn erfolgt entlang spezifischer Schmerzbahnen und beinhaltet die Verwendung verschiedener Neurotransmitter und Modulatoren. Zu den aufsteigenden Bahnen, die Schmerzsignale zum Gehirn leiten, gehören vor allem der Tractus spinothalamicus und der Tractus spinoreticularis. Periphere sensorische Nervenfasern lassen sich entsprechend der Struktur ihrer freien peripheren Endigungen, des Durchmesser, der Myelinisierung sowie Leitungsgeschwindigkeit z. B. Diese sog. Nozizeptoren sind primär afferente Neurone mit nichtmyelinisierten sensorischen Nervenendigungen und nichtmyelinisierten Axonen (C-Fasern, Leitung unter 2,5 m/s) oder dünnen, schwach myelinisierten Axonen (A-δ-Fasern, Leitung mit 2,5-30 m/s). Die Zellkörper liegen in Spinalganglien bzw.
- A-Delta-Fasern: Sie leiten aufgrund der sie umgebenden schützenden, isolierenden Myelinscheide die Schmerzimpulse schnell weiter (mit bis zu 30 Metern pro Sekunde). Sie vermitteln einen einschießenden, hellen Sofortschmerz, der gut lokalisierbar ist und sich spitz, schneidend oder brennend darstellt. Entsprechende Reflex- beziehungsweise Abwehrhandlungen (z. B. blitzschnelles Zurückziehen der Hand von der heißen Herdplatte) sind die Folge.
- C-Fasern: Sie sind nicht myelinisiert, weshalb sich die Schmerzimpulse deutlich langsamer ausbreiten (mit bis zu zwei Metern pro Sekunde) und das Rückenmark später erreichen. Sie lösen einen dumpfen, drückenden, schlecht lokalisierbaren zweiten Schmerz aus, der länger als der Oberflächenschmerz anhält.
Die Rolle des Rückenmarks
Eine wichtige Zwischenstation ist das Rückenmark, das zusammen mit dem Gehirn das zentrale Nervensystem (ZNS) bildet. Das Rückenmark fungiert als Schaltstelle zwischen der Körperperipherie, wo der Schmerzreiz aufgenommen wurde, und dem Gehirn, wo in verschiedenen Hirnregionen die Auswertung des ankommenden Signals - also die Reizverarbeitung und damit die eigentliche Wahrnehmung und Bewertung des Schmerzes stattfindet.
Die Schmerzimpulse nehmen im Rückenmark zwei Wege:
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- Direkte Rückkopplung: Zum einen erfolgt eine direkte Rückkopplung zum geschädigten Körperteil. Dafür werden die elektrischen Impulse der aufsteigenden Bahnen unmittelbar ohne Beteiligung des Gehirns auf absteigende (efferente) motorische Neuronen umgeschaltet. Diese verlassen das Rückenmark über das Vorderhorn und lösen beim betroffenen Körperteil eine unwillkürliche Reaktion reflexartig aus (z. B. Wegziehen der Hand von der Herdplatte).
- Umwandlung in chemische Signale: Zeitgleich erfolgt im Rückenmark eine Umwandlung der elektrischen Impulse, die aus der Peripherie im Rückenmark ankommen, in chemische Signale, bevor sie dann wieder als elektrische Impulse zum Gehirn weitergeleitet werden können. Die Umwandlung ist immer erforderlich, wenn eine Weiterleitung des Reizes von einem Neuron auf das nächste Neuron stattfindet. Aktionspotentiale können den synaptischen Spalt - die Verbindungsstelle zwischen zwei Neuronen - nicht überwinden.
Synaptische Übertragung: Die Weiterleitung an der Synapse
Im Rückenmark befinden sich Nervenschaltstellen, die sogenannten Synapsen, die mittels Botenstoffen (sog. Neurotransmittern) das Schmerzsignal von einer Nervenzelle auf die nächste weiterleiten. Dafür öffnen sich Calcium-Kanäle der präsynaptischen Zellmembran, sobald der elektrische Impuls die Synapse erreicht hat. Der darauffolgende Calciumeinstrom veranlasst die Nervenzelle, Neurotransmitter (z. B. Glutamat, Substanz P) in den synaptischen Spalt zu entlassen. Dies geschieht, indem die mit Neurotransmittern gefüllten kleinen Bläschen - die synaptischen Vesikel - mit der präsynaptischen Zellmembran verschmelzen und dabei ihre Ladung abgeben.
Die Neurotransmitter überqueren den synaptischen Spalt und binden an Rezeptoren der benachbarten Nervenzelle. Dadurch öffnen sich an der postsynaptischen Zelloberfläche Ionenkanäle, so dass Natrium-Ionen in die Zelle einströmen und damit wieder ein elektrisches Signal auslösen, das seinen Weg zum Gehirn nimmt.
Die Rolle des Gehirns bei der Schmerzwahrnehmung
Als erstes erreicht das Schmerzsignal den Thalamus, den größten Teil des Zwischenhirns. Von dort werden die Impulse ins limbische System weitergeleitet, wo der Schmerz emotional bewertet („Es tut kaum/unerträglich weh.“) und mit emotional ausgelösten Reaktionen (z. B. Weinen) beantwortet wird. Dabei spielen bisherige Erfahrungen sowie das körperliche und seelische Befinden ebenso eine Rolle wie Persönlichkeitsstrukturen (z. B. pessimistische oder optimistische Grundhaltung).
Daher können beispielsweise Schmerzen von Personen mit gedrückter Stimmung intensiver als von zuversichtlichen Menschen erlebt werden. Schließlich gelangt das Signal zur Großhirnrinde. Dort wird die Schmerzwahrnehmung bewusst („Es tut weh.“) und es werden Gegenmaßnahmen (z. B. Einnehmen von Schonhaltungen) eingeleitet. Zudem wird der Entstehungsort des Schmerzes erkannt und der Schmerz als Erfahrung abgespeichert. Vegetative Reaktionen wie Schweißausbruch oder Herzklopfen werden im Hirnstamm ausgelöst.
Die Antworten des Gehirns erfolgen über absteigende (efferente) motorische Nervenfasern, die ihre Signale in umgekehrter Richtung zum Rückenmark senden. Diese Signale setzen auch schmerzlindernde Substanzen (z. B. Endorphine) frei. Die Ausschüttung körpereigener Endorphine geschieht beispielsweise in Extremsituationen wie starker körperlicher Anstrengung (z. B. Sport) oder nach schweren Verletzungen (z. B. Unfall). Sie heben die Schmerzempfindung vorrübergehend auf und wirken zugleich einer Schmerzsensibilisierung entgegen.
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Modulation der Schmerzwahrnehmung: Die "Gate-Control-Theorie"
Ein weiterer wesentlicher Punkt ist die "Gate-Control-Theorie" des Schmerzes, die besagt, dass schmerzhemmende Signale - oft aus anderen sensorischen Neuronen kommend - die Schmerzsignale "blockieren" können, bevor sie das Gehirn erreichen. Stell dir vor, du stößt dein Schienbein an einem Tischbein. Die Nozizeptoren in der Haut um die verletzte Stelle erkennen den mechanischen Schaden und senden ein Schmerzsignal an dein Gehirn. Gleichzeitig schickst du Berührungssignale, indem du die betroffene Stelle reibst. Diese Berührungssignale können dazu beitragen, das Schmerzsignal zu reduzieren.
Periphere und zentrale Sensibilisierung: Wenn Schmerz chronisch wird
Sich ständig wiederholende oder sehr starke Schmerzsignale können vielmehr die Reizschwelle der Nozizeptoren für Schmerzimpulse senken. Sie werden überempfindlich, was mit einer Veränderung der Nervenzellen einhergeht. Aufgrund der Überempfindlichkeit kann die Reaktion auf Schmerzreize verstärkt sein (Hyperalgesie) oder es kann sich eine gesteigerte Schmerzempfindlichkeit auf normalerweise harmlose, nicht schmerzhafte Reize wie Berührung zeigen (Allodynie).
In manchen Fällen treten Schmerzen sogar ohne Reiz auf. An der Sensibilisierung sind Schmerzmediatoren wie Bradykinin, Substanz P, Histamin und Serotonin beteiligt, die im entzündeten oder verletzten Gewebe bereitgestellt werden. Neben diesen peripheren Vorgängen stellen sich auch Veränderungen auf Rückenmarksebene ein, die zu einer zentralen Sensibilisierung führen. Hier spielen eine erhöhte Freisetzung von Glutamat und in Folge eine langanhaltende Erregung von Glutamatrezeptoren, die an der Gedächtnisbildung beteiligt sind, eine Rolle.
Nozizeptorschmerz vs. neuropathischer Schmerz
Schmerzen, die durch die Erregung von Nozizeptoren entstehen, werden als Nozizeptorschmerz bezeichnet. Je nachdem wo sich der Ort der Schädigung befindet, wird dieser noch weiter in einen somatischen oder viszeralen Schmerz unterteilt. Kommt die schmerzauslösende Ursache von Haut, Bindegewebe, Knochen, Gelenken oder Muskeln, spricht man von einem somatischen Schmerz. Dieser lässt sich noch weiter in einen Oberflächenschmerz und einen Tiefenschmerz differenzieren. Der viszerale Schmerz geht von Organen des Magen-Darm-Traktes aus (z. B. Blinddarmentzündung, Gallenkolik). Er hat einen ähnlich dumpfen Charakter wie der Tiefenschmerz und wird auch Eingeweideschmerz genannt. Er tritt oft in Wellen auf und ist schlecht zu lokalisieren.
Vom Nozizeptorschmerz sind neuropathische Schmerzen abzugrenzen. Bei diesen liegt keine direkte Schädigung des Gewebes vor, auch werden keine Nozizeptoren gereizt. Vielmehr ist der Nerv im peripheren oder zentralen Nervensystem selber geschädigt und er meldet seine eigene Funktionsstörung durch eine unphysiologische Erregung an der Läsionsstelle (spontane Aktionspotentiale).
Die Bedeutung der Schmerzforschung
Die moderne Medizin verlängert häufig das Leben ja nicht einfach, indem sie den Zustand vor einer Erkrankung wiederherstellt, sondern erkauft Erfolge mit Restschäden, die sich oft erst nach Jahren bemerkbar machen. Mit der Überalterung der Bevölkerung nehmen solche Folgen der kurativen Anstrengungen zu - und dadurch sowie durch natürlichen Verschleiß Schmerzzustände, die nicht selten chronisch sind. So ist nicht verwunderlich, daß die Behandlung von Schmerzen und damit auch deren Erforschung die Mediziner immer mehr interessiert.
In den letzten Jahren sind enorme Fortschritte erreicht worden, und es kann besser erklärt werden, welche Zellen und Moleküle für die synaptische Plastizität im Rückenmark verantwortlich sind. Ein Schwerpunkt der gegenwärtigen und künftigen Arbeiten ist es, die molekularen Grundlagen von Schmerzkrankheiten zu ergründen, die klinisch bedeutend und schwierig zu therapieren sind, beispielsweise die Kniearthrose, die chronische Bauchspeicheldrüsenentzündung, vor allem aber Krebsschmerzen.
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