Schmerz ist eine komplexe und subjektive Erfahrung, die eine entscheidende Rolle für unser Überleben spielt. Er signalisiert dem Körper akute Gefahr und schützt uns vor schädlichen Einflüssen. Die Schmerzwahrnehmung ist ein komplexer Prozess, der von spezialisierten Rezeptoren bis hin zur Verarbeitung im Gehirn reicht. Dieser Artikel beleuchtet die Mechanismen der Schmerzübertragung auf synaptischer Ebene, von der Reizaufnahme bis zur bewussten Wahrnehmung und Modulation des Schmerzes.
Die Grundlagen der Schmerzwahrnehmung
Nozizeptoren: Die Schmerzrezeptoren
Spezialisierte Rezeptoren, die sogenannten Nozizeptoren, erkennen schmerzhafte Reize. Diese freien Nervenendigungen befinden sich in der Haut, fast allen inneren Organen und anderen Geweben. Eine Ausnahme bilden lediglich das Hirngewebe sowie das Leberparenchym. Sie reagieren auf mechanische, thermische oder chemische Signale, die einen bestimmten Schwellenwert überschreiten. 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: Diese sind nur auf eine Reizart spezialisiert.
- Stumme Nozizeptoren: Sie sind im gesunden Gewebe inaktiv und werden erst im Zusammenhang mit Entzündungen sensibilisiert. Sie spielen zudem eine Rolle bei der Chronifizierung von Schmerz.
Nervenfasern: Schnelle und langsame Schmerzleitung
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. Sie vermitteln rasch eine initiale, scharfe Schmerzempfindung, den sogenannten "ersten Schmerz". Außerdem aktivieren sie Reflexe.
- C-Fasern: Die unmyelinisierten C-Fasern leiten langsamer und sind für den dumpfen, bohrenden zweiten Schmerz verantwortlich. Sie besitzen keinerlei Isolation.
Je nach Schmerzreiz werden in den Nervenendigungen der Nozizeptoren eine Reihe unterschiedlicher Ionenkanäle aktiviert, die sehr spezifisch auf Schmerzreize reagieren - etwa nur auf Stöße, oder sie springen lediglich in Anwesenheit bestimmter Chemikalien und Botenstoffe beziehungsweise in einem begrenzten Temperaturspektrum an. In der Folge strömen Ionen - Calcium-, Natrium- oder Kaliumionen - in die Nervenzelle ein bzw. aus. Es kommt zur Depolarisation und zum Entstehen von Aktionspotenzialen: Das Signal “Gefahr” rast in Richtung Rückenmark und von dort zum Gehirn.
Gleichzeitig sensibilisieren erregte Nozizeptoren das umliegende Gewebe. Es wird stärker durchblutet und ist schmerzempfindlicher. Außerdem werden Immunzellen angelockt, die auf Fremdstoffe reagieren und Botenstoffe wie Histamin ausschütten. Daher empfindet die betroffene Region nach einer Prellung auch leichten Druck als schmerzhaft und deshalb gesellt sich zum initialen Pieks nach einem Wespenstich ein Jucken und Brennen.
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Reflexbogen: Blitzschnelle Reaktion auf Gefahr
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.
Schmerzsignale jedweder Art treten über das Hinterhorn in das Rückenmark ein. Hier erfolgt - zumindest beim ersten, von Aδ-Fasern vermittelten Schmerz - eine Rückkopplung mit dem geschädigten Körperteil. Die Information “Gefahr!” gelangt über ein zwischengeschaltetes Interneuron zu motorischen Nervenzellen, die das Rückenmark über das Vorderhorn verlassen und die verbrannte Hand von der heißen Herdplatte zurückschnellen lassen.
Die Rolle des Rückenmarks bei der Schmerzmodulation
Komplexe Verschaltung im Rückenmark
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.
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.
"Gate-Control"-Theorie: Schmerzmodulation im Rückenmark
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.
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Schmerzwahrnehmung im Gehirn
Bewusste Wahrnehmung und Bewertung
Erst im Gehirn angelangt wird der Schmerz bewusst wahrgenommen, bewertet und für Lernprozesse verarbeitet. 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.
Lernprozesse und Schmerzeinschätzung
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.
Synaptische Übertragung von Schmerzsignalen
Die chemische Synapse: Schaltstelle der Schmerzübertragung
Die chemische Synapse ist ein wichtiges Element der neuronalen Informationsübertragung im menschlichen Nervensystem. Über sie erfolgt die Weiterleitung von Erregungen zwischen Nervenzellen oder zwischen Nervenzellen und anderen Zielzellen, etwa Muskel- oder Drüsenzellen. Ihre besondere Struktur und Wirkweise ermöglicht nicht nur eine präzise Signalübertragung, sondern auch eine feine Modulation der neuronalen Kommunikation, was sie grundlegend für höhere Hirnfunktionen wie Lernen, Gedächtnis oder Wahrnehmung macht.
Chemische Synapsen sind spezialisierte Kontaktstellen, an denen eine elektrische Erregung einer Nervenzelle in ein chemisches Signal umgewandelt und an eine benachbarte Zelle weitergegeben wird. Strukturell besteht eine chemische Synapse aus drei Hauptkomponenten:
- Präsynaptische Endigung: Enthält Vesikel mit Neurotransmittern, die bei Erregung freigesetzt werden.
- Synaptischer Spalt: Der Raum zwischen den Zellen, den die Neurotransmitter überqueren.
- Postsynaptische Membran: Enthält Rezeptoren, an die die Neurotransmitter binden.
Der Ablauf der synaptischen Übertragung
Die physiologischen Abläufe an einer chemischen Synapse sind hochkomplex und in mehreren aufeinander abgestimmten Schritten organisiert.
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- Aktionspotenzial erreicht die Präsynapse: Wenn ein Aktionspotenzial das präsynaptische Endknöpfchen erreicht, führt die Depolarisation zur Öffnung spannungsabhängiger Calciumkanäle.
- Calcium-Einstrom: Calciumionen strömen ins Zellinnere und binden dort an das Protein Synaptotagmin.
- Neurotransmitter-Freisetzung: Dieser Prozess löst eine Kaskade aus, an der unter anderem die SNARE-Proteine Syntaxin, SNAP-25 und Synaptobrevin beteiligt sind. Diese Proteine vermitteln die Verschmelzung der Vesikelmembran mit der präsynaptischen Membran, sodass die enthaltenen Neurotransmitter in den synaptischen Spalt freigesetzt werden.
- Bindung an Rezeptoren: Die freigesetzten Neurotransmitter diffundieren über den synaptischen Spalt und binden an Rezeptoren auf der postsynaptischen Membran. Dabei gibt es grundsätzlich zwei Rezeptortypen: ionotrope und metabotrope.
- Ionotrope Rezeptoren: Sind ligandengesteuerte Ionenkanäle, die sich bei Bindung des Transmitters öffnen und unmittelbar Ionen durchlassen. Der einströmende Ionenfluss verändert das Membranpotenzial: Wird es depolarisiert, spricht man von einem exzitatorischen postsynaptischen Potenzial (EPSP), bei Hyperpolarisation entsteht ein inhibitorisches postsynaptisches Potenzial (IPSP).
- Metabotrope Rezeptoren: aktivieren intrazelluläre Signalwege, die indirekt Ionenkanäle beeinflussen oder andere zelluläre Prozesse modulieren.
- Inaktivierung der Neurotransmitter: Nach der Bindung an ihre Rezeptoren werden die Transmitter inaktiviert, um die Signalwirkung zu beenden. Dies geschieht durch enzymatischen Abbau (zum Beispiel durch Acetylcholinesterase), Wiederaufnahme in die Präsynapse (Reuptake, etwa bei Serotonin oder Dopamin) oder durch Aufnahme in Gliazellen.
Neurotransmitter und ihre Rolle bei der Schmerzübertragung
Chemische Synapsen lassen sich anhand des verwendeten Neurotransmitters in verschiedene Typen einteilen. Jeder Transmitter wirkt über spezifische Rezeptoren und erfüllt charakteristische Aufgaben im zentralen und peripheren Nervensystem. Einige wichtige Neurotransmitter im Zusammenhang mit Schmerz sind:
- Glutamat: Der wichtigste exzitatorische Neurotransmitter im zentralen Nervensystem. Glutamat wirkt über mehrere Rezeptortypen, darunter die AMPA-Rezeptoren (schnell aktivierend) und die NMDA-Rezeptoren, die spannungs- und ligandengesteuert sind und vor allem bei der Langzeitpotenzierung (LTP) eine Rolle spielen.
- Substanz P: Vermittelt Schmerzreize im Rückenmark.
- Endorphine: Binden an Opioidrezeptoren und hemmen die Schmerzleitung. Hierbei handelt es sich um einen Mechanismus, der auch bei der Wirkung von Morphin genutzt wird.
- GABA (γ-Aminobuttersäure): Der wichtigste hemmende Mechanismus im ZNS. Diese inhibitorische Wirkung stabilisiert das neuronale Gleichgewicht und verhindert Übererregung.
- Glycin: Ein weiterer hemmender Transmitter, der vor allem im Rückenmark und Hirnstamm aktiv ist.
Erregende und hemmende Synapsen
Synapsen können entweder erregend oder hemmend wirken. Erregende Synapsen depolarisieren die postsynaptische Membran und erhöhen die Wahrscheinlichkeit für ein Aktionspotenzial, während hemmende Synapsen hyperpolarisieren und die Wahrscheinlichkeit verringern. Das Gleichgewicht zwischen erregenden und hemmenden Signalen ist entscheidend für die korrekte Verarbeitung von Schmerzsignalen.
- Erregende Synapse: Die über den Neurotransmitter Glutamat eine Depolarisation und somit ein exzitatorisches postsynaptisches Potential (EPSP) erzeugt.
- Hemmende Synapse: Die über den Neurotransmitter GABA eine Hyperpolarisation und somit ein inhibitorisches postsynaptisches Potential (IPSP) erzeugt.
Chronischer Schmerz und synaptische Plastizität
Veränderungen im Rückenmark bei chronischem Schmerz
Die Vorgänge im Rückenmark können auch an der Entstehung von chronischem Schmerz beteiligt sein. Denn starker oder andauernder Schmerz hinterlässt bleibende Spuren. Hauptverursacher sind Calcium-Ionen, die infolge der synaptischen Erregung in Nervenzellen eindringen können. Ist die Stimulation stark oder lang anhaltend, erreicht der Calciumeinstrom auch den Zellkern.
Das wiederum zieht eine Reihe von epigenetischen Veränderungen nach sich, also Veränderungen, die auf einer der DNA übergeordneten Ebene dafür sorgen, dass andere Gene aktiv werden oder in anderem Maße zum Tragen kommen als bisher. Nun zeigt sich, dass das Calcium-Signal auch die Nervenzellen des Rückenmarks derart verändern kann, dass Schmerz chronisch wird.
Das Schmerzgedächtnis
An dieser Stelle scheint bei chronischen Schmerzen etwas schief zu laufen: wird ein Informationsweg über eine Synapse, also die Verbindung zweier Nervenköpfchen häufig verwendet (z.B. bei anhaltendem Schmerz), verändert sich diese Synapse: sie wird größer und die Übertragung funktioniert effektiver. Es entsteht eine “Spur” im schmerzverarbeitenden System. Neurowissenschaftler bezeichnen diesen Vorgang als Langzeitpotenzierung. Eine Schlüsselrolle spielen dabei Calcium-Ionen, die den Umbau der Synapse steuern. Die Spur setzt sich bis ins Gehirn fort und kann mit modernen bildgebenden Verfahren sichtbar gemacht werden. Das Schmerzgedächtnis ist entstanden.
So können nach 3 - 6 Monaten aus akuten Schmerzen chronische Schmerzen werden. Diese lösen sich dann oft von ihrer ursprünglichen Quelle und auch ohne Reiz erfolgt ein Signal an das Gehirn.
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.
Therapeutische Ansätze zur Schmerzlinderung
Pharmakologische Interventionen
Viele Medikamente zielen auf die synaptische Übertragung ab, um Schmerzen zu lindern. Dazu gehören:
- Opioide: Wirken an Opioidrezeptoren und hemmen die Schmerzleitung.
- Nichtsteroidale Antirheumatika (NSAR): Reduzieren Entzündungen und die Freisetzung von schmerzvermittelnden Substanzen.
- Antidepressiva und Antikonvulsiva: Werden häufig bei neuropathischen Schmerzen eingesetzt, da sie die Aktivität von Neurotransmittern wie Serotonin, Noradrenalin und GABA beeinflussen.
Nicht-pharmakologische Interventionen
Neben Medikamenten gibt es auch eine Reihe von nicht-pharmakologischen Ansätzen zur Schmerzlinderung:
- Physiotherapie: Kann helfen, die Muskulatur zu stärken, die Beweglichkeit zu verbessern und Schmerzen zu reduzieren.
- Psychotherapie: Kann helfen, mit Schmerzen umzugehen, Stress zu reduzieren und die Lebensqualität zu verbessern.
- Entspannungstechniken: Wie Atemübungen, Yoga und Meditation können helfen, das Nervensystem zu beruhigen und Schmerzen zu lindern.
- Placebo-Effekt: 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.