Die Reizweiterleitung im Nervensystem ist ein fundamentaler Prozess, der es dem menschlichen Körper ermöglicht, schnell auf unterschiedliche Reize zu reagieren und lebenswichtige Funktionen aufrechtzuerhalten. Im Rettungsdienst ist ein grundlegendes Verständnis der Reizweiterleitung unerlässlich, um Notfallsituationen richtig einschätzen und adäquat behandeln zu können. Dieser Artikel beleuchtet die Grundlagen der Reizweiterleitung, ihre Bedeutung für verschiedene Körperfunktionen und die Implikationen für die Notfallmedizin.
Einführung in die Reizweiterleitung
Die Reizweiterleitung im Nervensystem ist ein komplexer Vorgang, bei dem elektrische und chemische Potenziale genutzt werden, um Informationen schnell zu übertragen. Dies ermöglicht es uns, in Bruchteilen von Sekunden auf unsere Umwelt zu reagieren, beispielsweise im Straßenverkehr, wenn wir einem Auto ausweichen müssen. Ein Reiz kann unterschiedlicher Natur sein, wie die Wahrnehmung einer Temperaturveränderung, ein visueller Reiz oder Schmerz.
Grundlagen der neuronalen Reizweiterleitung
Reizaufnahme und Weiterleitung im Neuron
Die Reizaufnahme im Nervensystem erfolgt über die Dendriten, die dünnen Fortsätze der Neuronen. Der Axonhügel sammelt die bei den Dendriten eingehenden elektrischen Potenziale. Nur wenn eine bestimmte Potenzialschwelle überschritten wird, gibt der Axonhügel das elektrische Potenzial an das Axon weiter. Diese Schutzmaßnahme des Nervensystems verhindert eine Reizüberflutung. Viele Axone im peripheren Nervensystem sind durch Schwann-Zellen elektrisch isoliert, wobei keine durchgängige Umhüllung entsteht. Die Abschnitte, an denen das Axon frei liegt, werden Ranviersche Schnürringe genannt und dienen einer schnelleren Übertragung von Nervensignalen (saltatorische Erregungsleitung).
Ruhepotential und Aktionspotential
Wenn kein Reiz weitergegeben werden muss, zeigt das Neuron eine bestimmte Verteilung elektrischer Ladung: Im Zellinneren herrscht eine hohe Konzentration an Kaliumionen (K+) und organischen Anionen, während außerhalb überwiegend Natrium- (Na+) und Chloridionen (Cl-) anzutreffen sind. Im Ruhezustand besteht ein Gleichgewicht zwischen der Zellinnen- und -außenseite, das durch verschiedene Transportmechanismen (Kaliumkanäle und Natrium-Kalium-Pumpen) aufrechterhalten wird (Ruhepotential). Auf der Innenseite der Zellmembran ist die Ladung zunächst negativ.
Im Falle eines elektrischen Impulses, der durch einen Reiz ausgelöst wurde, öffnen sich unter anderem die Natrium-Kanäle der Zellmembran, und Natriumionen strömen vermehrt ins Zellinnere. Dies bedeutet, dass abschnittsweise die Ladung an der Innen- und Außenseite des Neurons umgekehrt wird. Durch diese lokale Ladungsänderung wird der elektrische Impuls entlang des Axons bis zum Ende weitertransportiert.
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Synaptische Übertragung
Am synaptischen Endknöpfchen, dem Ende des Axons, wird der elektrische Impuls in ein chemisches Signal umgewandelt. Das elektrische Potenzial, das dort ankommt, löst die Ausschüttung chemischer Botenstoffe (Neurotransmitter) aus. Diese Neurotransmitter überwinden den synaptischen Spalt und binden an Rezeptoren der nächsten Nervenzelle oder Zielzelle. Dort löst der Neurotransmitter erneut einen elektrischen Impuls aus, der wieder am Axon entlangwandert und so von Zelle zu Zelle weitergegeben wird.
Nervenzellen und Gliazellen
Nervenzellen verfügen über ein Axon zur Reizweiterleitung an andere Nervenzellen oder Zielorgane. Die Reize werden innerhalb des Neurons grundsätzlich elektrisch mittels Ionenfluss weitergeleitet, während die Überleitung an Synapsen vorwiegend chemisch erfolgt. Neuronen können sowohl untereinander kommunizieren (elektrisch oder chemisch) als auch Reize von Zielorganen empfangen und senden. Für die Reizverarbeitung ist der Nervenzellkörper (Perikaryon oder Soma) zuständig, welcher entscheidet, ob und wohin ein Reiz ausgelöst wird. Von den eigentlichen Nervenzellen werden die Gliazellen abgegrenzt, die unterstützende Funktionen übernehmen.
Das Zentrale Nervensystem (ZNS)
Das Zentrale Nervensystem umfasst Gehirn und Rückenmark. Das Gehirn schafft die Grundlage für das Bewusstsein und komplexe Funktionen.
Gehirn
Das Großhirn (Endhirn) ist der größte Hirnabschnitt und beinhaltet graue Substanz in der Großhirnrinde (Cortex cerebri) und tiefer gelegenen Kerngebieten. Das Großhirn wird in verschiedene Lappen (Lobi) eingeteilt, die bestimmte Hirnfunktionen wahrnehmen. Das Zwischenhirn (Diencephalon) liegt zwischen Großhirn und Hirnstamm. Unterhalb der Kalotte befindet sich die harte Hirnhaut (Dura mater) als erste der Hirnhäute. Zwischen Schädelkalotte und Dura mater kann sich der Epiduralraum ausbilden, beispielsweise im Falle einer Blutung. Der Dura mater schließt sich die Arachnoidea (Spinngewebshaut) als mittlere Hirnhaut an. Zwischen Dura mater und Arachnoidea befindet sich der Subduralraum.
Rückenmark
Über das verlängerte Mark geht das Gehirn nahtlos in das Rückenmark über, welches den zweiten Teil des zentralen Nervensystems darstellt. Das Rückenmark verläuft als Strang von kranial nach kaudal innerhalb des Wirbelkanals der Wirbelsäule. Wie das Gehirn wird auch das Rückenmark von mehreren Häuten umgeben, den Rückenmarkshäuten. Auch hier gibt es eine Unterteilung in graue und weiße Substanz. Der Mensch verfügt über zwölf Hirnnerven, die unmittelbar vom Gehirn abgehen und für elementare Funktionen des Kopfbereichs verantwortlich sind.
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Funktionelle Einteilung des Nervensystems
Die funktionelle Einteilung des Nervensystems umfasst die bewusste Wahrnehmung von Sinnesreizen und die willentliche Steuerung von Bewegungen. Bei diesen Vorgängen ist stets die Großhirnrinde die maßgebliche Steuerungszentrale. Das vegetative Nervensystem steuert unwillkürliche Körperfunktionen und wird in Sympathikus und Parasympathikus unterteilt. Der Sympathikus wirkt anregend und bereitet auf Kampf oder Flucht vor, während der Parasympathikus für Ruhe und Erholung zuständig ist.
Rezeptoren und Synapsen
Damit Zellen auf Reize reagieren können, benötigen sie eine entsprechende Empfangseinrichtung (Rezeptoren) und einen Überträger der Information. Rezeptoren sind dreidimensionale Proteine, die selektiv bestimmte Liganden (Botenstoffe) binden können und damit aktiviert werden. Die Wirkung hängt davon ab, an welchen Rezeptor der Neurotransmitter bindet (Schlüssel-Schloss-Prinzip). Synapsen sind Verbindungsstellen zwischen zwei Zellen, entweder zwei Nervenzellen oder eine Nervenzelle und eine Zielzelle eines Organs. Die Präsynapse repräsentiert das Axonende der Nervenzelle, von der der Reiz ausgeht. Dort diffundieren die Neurotransmitter zur Postsynapse und binden an die dortigen Rezeptoren, wodurch eine Reaktion ausgelöst wird. Im Rettungsdienst spielen vor allem die Adrenorezeptoren eine große Rolle. α1-Adrenorezeptoren finden sich vorwiegend in den Blutgefäßen, β1-Adrenorezeptoren am Herzen und β2-Rezeptoren in den Gefäßen, in denen eine bessere Durchblutung erwünscht ist.
Reize und ihre Wahrnehmung
Reize bilden die Grundlage jeglicher Sinneswahrnehmung und stellen physikalische oder chemische Einwirkungen dar, die von spezialisierten Sinneszellen registriert und in elektrische Signale umgewandelt werden. Die Signale werden in Form von Aktionspotenzialen über das Nervensystem weitergeleitet und im zentralen Nervensystem verarbeitet und lösen eine physiologische Reaktion aus. Ein Reiz ist eine Einwirkung, die zu einer Reizantwort an einem spezifischen Rezeptor oder einer Sinneszelle führt.
Transduktion und Transformation
Die Aufnahme und Weitergabe eines Reizes verläuft in zwei Schritten: Zuerst werden sie über die Sensoren wahrgenommen und in ein Rezeptorpotenzial umgewandelt (Transduktion). Anschließend werden die Rezeptorpotenziale in Aktionspotenziale umgewandelt (Transformation). Das Rezeptorpotenzial ist dem Reiz in Dauer und Amplitude analog. Die Amplitude des Rezeptorpotenzials wird durch die Frequenz der Aktionspotenziale kodiert (Umkodierung). Je größer das Rezeptorpotenzial, desto höher die Frequenz der Aktionspotenziale. Das Rezeptorpotenzial wird passiv weitergeleitet und wird dabei immer schwächer, je weiter es sich vom Entstehungsort entfernt.
Adäquate und inadäquate Reize
Ein adäquater Reiz ist die passende Einwirkung, auf die ein Rezeptor maximal reagiert (z.B. Licht für Lichtsinneszellen). Ein inadäquater Reiz ist ein nicht passender Reiz, der keine oder nur bei sehr starker Einwirkung eine Erregung auslöst. Ein überschwelliger Reiz ist stark genug, um in der Nervenzelle ein Aktionspotenzial auszulösen, während ein unterschwelliger Reiz zu schwach ist.
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Bedeutung von Reizen
Reize sind die Grundlage der Sinneswahrnehmung und dienen dem Organismus zur Orientierung, Reaktion auf Umweltreize und zur Aufrechterhaltung der Homöostase. Schmerzreize lösen Schutzreflexe aus, während visuelle oder akustische Reize das Verhalten steuern und die Aufmerksamkeit lenken. Die Fähigkeit, Reize aus der Umwelt wahrzunehmen und zu verarbeiten, beruht auf einem komplexen Zusammenspiel von Sinnesorganen, Nervenbahnen und zentralnervösen Strukturen.
Störungen der Signalweiterleitung
Störungen der Signalweiterleitung entstehen oft auf neuronaler Ebene, wie bei peripheren Neuropathien oder Rückenmarksläsionen. In solchen Fällen gelangen Signale nicht mehr korrekt zum Gehirn. Im zentralen Nervensystem kann eine gestörte Verarbeitung zu Wahrnehmungsstörungen führen, wie bei zentralen Schmerzsyndromen. Solche Dysfunktionen können sich in Form einer Überempfindlichkeit gegenüber Reizen (Hyperästhesie) oder einer verminderten Empfindlichkeit (Hypästhesie) äußern. Beide Zustände sind Ausdruck einer gestörten Reizverarbeitung und können die Lebensqualität der Betroffenen erheblich beeinträchtigen.
Primäre Sinneszellen
Zu den primären Sinneszellen gehören Zellen, die dazu beitragen, dass der Mensch ein präzises Bild seiner Umgebung zeichnen kann und Warnsignale senden. Sie zeichnen sich dadurch aus, dass sie Aktionspotenziale generieren können. Primäre Sinneszellen nehmen einen Reiz meist über Rezeptoren wahr und generieren dann aus dem entstandenen Rezeptorpotenzial ein Aktionspotenzial, das über das Axon der Sinneszelle weitergeleitet wird. Eine nachgeschaltete Synapse überträgt dann die Erregung auf das nächste Neuron und leitet das Signal somit weiter. Beispiele sind Schmerzrezeptoren (Nozizeptoren) und Zellen der Riechschleimhaut.
Riechsinneszellen
Im Riechepithel der Nase sitzen mehrere zehn Millionen primäre Sinneszellen, die Geruchssinneszellen genannt werden. Ihre Rezeptoren sind G-Protein gekoppelt und werden durch Duftstoffe aktiviert. Jede Zelle besitzt nur einen Typ von Rezeptor. Hohe Konzentrationen an cAMP führen zur Öffnung von Kationenkanälen (CNG-Kanäle) in der Membran der Sinneszellen. Der Kationen-Einstrom bewirkt eine Depolarisation. Zusätzlich öffnen die Calcium-Ionen Chlorid-Kanäle, wodurch Chlorid-Ionen aus der Zelle strömen und die Depolarisation verstärken.
Nozizeptoren
Bei Nozizeptoren handelt es sich um freie Nervenendigungen im Gewebe, die Schmerz wahrnehmen. Ihre Rezeptoren auf der Zellmembran registrieren Noxen und Stoffe, die bei Schädigungen von Gewebe vermehrt ausgeschüttet werden. Die TRPV-Rezeptoren nehmen schädliche Hitze wahr, während TRPA1 ein Rezeptor ist, der noxische Kälte erkennt. Zerstörte Zellen setzen ATP frei, welches über P2-Rezeptoren als Gewebsschädigung wahrgenommen und Schmerz auslösen kann.
Mechanorezeptoren
Die meisten Mechanorezeptoren sind auch primäre Sinneszellen. Ruffini-Körperchen nehmen vor allem Druck wahr und sind Axone, die von einer Kapsel aus Perineurium umgeben sind. Auch bei Vater-Pacini-Körperchen handelt es sich um Axone, die von Schwann-Zellen umgeben sind.
Unterschied zwischen primären und sekundären Sinneszellen
Primäre Sinneszellen besitzen ein eigenes Axon, können selbst Aktionspotenziale erzeugen und leiten diese direkt an das zentrale Nervensystem weiter (z.B. Riechzellen). Sekundäre Sinneszellen haben kein Axon, erzeugen nur ein Rezeptorpotenzial und geben dieses über eine Synapse an ein nachgeschaltetes Neuron weiter, das dann das Aktionspotenzial bildet (z.B. Haarzellen im Innenohr oder Geschmackszellen).
Reizweiterleitung und Herzrasen
Herzrasen kann verschiedene Ursachen haben, die im Rettungsdienst relevant sind. Gerade bei älteren Menschen ist die Angst groß, dass es sich um einen Herzinfarkt handelt.
Mögliche Ursachen für Herzrasen
- Körperliche Anstrengung bzw. Vorhofflimmern/Vorhofflattern: Vorhofflimmern/Vorhofflattern entsteht durch eine ungeordnete elektrische Reizung.
- KHK (Koronare Herzerkrankung): Eine Störung der Herzdurchblutung infolge einer Arteriosklerose der Herzkranzgefäße.
- Sinustachykardie: Der Sinusknoten ist beschleunigt (>100 Erregungen/Minute).
- Ventrikuläre Tachykardie: In den Herzkammern kommt es zu zusätzlichen Impulsen, wodurch der Herzschlag beschleunigt wird.
- Wolf-Parkinson-White-Syndrom: Eine angeborene zusätzliche Reizweiterleitung zwischen Kammer und Vorhof.
Erste Maßnahmen bei Herzrasen
Tritt Herzrasen bei geriatrischen Patienten auf, ist es wichtig, den Patienten zu beruhigen und den Blutdruck zu messen. Bei sehr hohem Blutdruck oder Arrhythmien sollte sofort der Notarzt verständigt werden. Bis zum Eintreffen des Notarztes muss der Patient konstant überwacht werden.
Herzrasen bei Diabetes mellitus
Wenn ein Patient mit Diabetes mellitus über Herzrasen klagt, sollten sowohl der Blutdruck als auch der Blutzuckerspiegel sofort überprüft werden. Bei niedrigem Blutzuckerspiegel (Hypoglykämie) sollten schnell verfügbare Kohlenhydrate gegeben werden, sofern der Patient bei Bewusstsein ist und schlucken kann. Bei sehr hohem Blutzuckerspiegel sollte ein Notarzt verständigt werden.
Weitere Ursachen und Maßnahmen
- Blockierter Wirbel der Brustwirbelsäule: Kann ebenfalls Herzrasen verursachen.
- Eisenmangel: Kann zu Herzrasen und Herzstechen führen.
- Schilddrüsenerkrankungen: Eine Über- oder Unterfunktion der Schilddrüse kann Herzrasen verursachen.
Wann ist der Notarzt zu verständigen?
Tritt Herzrasen in Verbindung mit Atemnot, Übelkeit und Schwindel auf, ist sofort ein Notarzt zu verständigen. Verschwindet das Herzjagen nicht oder tritt es in Verbindung mit anderen Symptomen, wie z. B. Kurzatmigkeit, ein Engegefühl, Atemnot, starken Brustschmerzen oder Angstgefühlen auf, ist ebenfalls sofort der Notarzt zu verständigen.
Diagnostik und Therapie
Wird ein Arzt aufgesucht, wird dieser eine Anamnese durchführen und den Patienten körperlich untersuchen. Je nach Diagnose wird ein Behandlungsplan aufgestellt, der die Einnahme von Medikamenten (z. B. Antiarrhythmika, Betablocker) beinhalten kann. In manchen Fällen kann ein operativer Eingriff notwendig sein.
Anästhesietechniken und Reizweiterleitung
Im Rahmen der Anästhesie werden verschiedene Techniken eingesetzt, um die Reizweiterleitung zu beeinflussen.
Allgemeinanästhesie
Eine Allgemeinanästhesie lässt sich als balancierte Anästhesie ausführen, bei der verschiedene Substanzen (Hypnotika, Analgetika, Muskelrelaxantien) in unterschiedlicher Ausprägung zum Einsatz kommen. Verfahrensimmanent bedingt eine Allgemeinanästhesie nahezu immer eine Sicherung der Atemwege mittels eines Endotrachealtubus oder einer Larynxmaske.
Regionalanästhesie
Regionalanästhesie bedeutet die Verabreichung von Lokalanästhetika in die unmittelbare Umgebung nervaler Strukturen. Dies führt zu einer temporären bidirektionalen Unterbrechung der Reizweiterleitung durch Blockade von schnellen Na+-Kanälen. Daraus resultiert eine senso-motorische Blockade. Die verwendeten Lokalanästhetika unterscheiden sich in ihrem pharmakokinetischen Profil (Plasmaproteinbindung, Lipophilie, pKa-Wert usw.), was sich im klinischen Alltag im Sinne unterschiedlicher Wirkdauern nutzen lässt.
Regionalanästhesiologische Verfahren bei Hüftendoprothetik
Regionale Verfahren lassen sich in zentrale (rückenmarknah) und periphere Techniken unterteilen. Zentral bedeutet in diesem Kontext spinal, sprich die Injektion eines Lokalanästhetikums in den Liquorraum im Bereich der Lendenwirbelsäule unterhalb LWK 2. Im Rahmen einer Spinalanästhesie werden wenige Milliliter eines Lokalanästhetikums im Bereich der unteren Lendenwirbelsäule in den subarachnoidalen Raum verabreicht. Dies führt innerhalb weniger Minuten zu einer profunden sensomotorischen Blockade, je nach verabreichter Menge, bis etwa auf Höhe der Rückenmarksegmente Th8-10. Hierbei finden in der Regel sog. atraumatische Nadeln Anwendung, die das Auftreten postpunktionaler Kopfschmerzen minimieren. Systemtoxische Nebenwirkungen sind auf Grund der geringen Mengen an Wirksubstanz nicht zu erwarten. Standardsubstanz ist im Rahmen der Hüftendoprothetik Bupivacain 0,5 %, mit einer mittleren Wirkdauer von 4-6 Stunden.
Im Gegensatz zur Spinalanästhesie werden bei den peripheren Nervenblockaden größere Volumina an Lokalanästhetika verwendet, was in puncto Systemtoxizität unter Umständen von Bedeutung sein kann. Um die Effektivität peripherer Nervenblockaden beurteilen zu können, ist es empfehlenswert, sich die grobe Innervation der Hüftregion zu vergegenwärtigen. Den Hauptanteil übernehmen dabei nervale Strukturen aus dem Plexus lumbalis (N. femoralis, N. obturatorius) sowie im dorsalen Bereich Anteile aus dem sakralen Plexus mit dem N. ischiadicus als wichtigstem Anteil.
Neurogener Schock
Beim neurogenen Schock handelt es sich um einen distributiven Schock aufgrund einer Imbalance zwischen sympathischer und parasympathischer Regulation der Herzaktion und der Gefäßmuskulatur. Im Vordergrund steht eine ausgeprägte Vasodilatation mit relativer Hypovolämie bei zunächst unverändertem Blutvolumen. Häufigste Ursache ist die traumatische Durchtrennung des Rückenmarks beispielsweise nach Stürzen aus großer Höhe. Im Bereich unterhalb der Läsion kommt es zur fehlenden Regulation des Sympathikus, weshalb es zu einer peripheren Gefäßweitstellung und einem einhergehenden Blutdruckabfall kommt. Durch den Sympathikus gesteuerte Kompensationsmechanismen wie die Freisetzung von Katecholaminen, wodurch eine Vasokonstriktion sowie ein Anstieg der Herzfrequenz ausbleibt, entfallen. Gekennzeichnet ist der neurogene Schock durch einen plötzlichen SRR-Abfall auf < 100 mmHg und einer Herzfrequenz von < 60/min, einhergehend mit Bewusstseinseintrübungen. Hinzukommt der inkomplette oder komplette Verlust von Sensibilität und Motorik im Bereich unterhalb der Verletzung.
Die Therapie erfolgt symptomorientiert mithilfe des ABCDE-Schemas und muss je nach Höhe der Läsion des Rückenmarks individuell auf den Patienten angepasst werden. Zwingend sollte eine hochdosierte O2-Gabe mittels Maske mit Reservoir und eine Volumentherapie über bestenfalls zwei großlumige i.v.-Zugänge erfolgen. Der Transport muss unter vollständiger Immobilisierung mittels Vakuummatratze erfolgen. Frühzeitig sollte an einen schonenden luftgebundenen Transport bei längeren Fahrtstrecken gedacht werden.
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