Nozizeption, Schmerzbahn und Schmerzhemmung
Wie Nozizeptoren Schmerzreize aufnehmen, über drei Neurone zum Cortex leiten und wie Glutamat, Substanz P und endogene Opioide die Übertragung im Rückenmark steuern.
Das Wichtigste in Kürze
- Nozizeptoren sind freie Nervenendigungen, die gewebeschädigende Reize melden und den ersten Teil der dreineuronigen Schmerzbahn bilden.
- Aδ-Fasern (Klasse III) leiten den schnellen Erstschmerz, marklose C-Fasern (Klasse IV) den dumpfen Zweitschmerz. Dieser ist akut und nicht die Ursache chronischer Schmerzen.
- Die Zellkörper der Nozizeptoren liegen im Spinalganglion oder, für Kopf und Gesicht, im Trigeminalganglion.
- Das zweite Neuron beginnt im Hinterhorn, kreuzt auf Segmenthöhe und zieht im Tractus spinothalamicus zum Thalamus. Das dritte Neuron projiziert zum Gyrus postcentralis.
- Im Hinterhorn erregen Glutamat und Aspartat, Substanz P wirkt als Neuromodulator. Endorphine und andere endogene Opioide hemmen die Übertragung stark, Prostaglandine sensibilisieren dagegen die Nozizeptoren.
Worum es geht
Schmerz entsteht erst im Gehirn. Nozizeptoren melden eine drohende Gewebeschädigung, und eine Kette aus drei Neuronen trägt das Signal bis zum Cortex. An der ersten Synapse im Rückenmark setzen körpereigene Opioide und Arzneistoffe wie Morphin an, Entzündungshemmer wie Ibuprofen dagegen schon im Gewebe.
Nozizeptoren
Ein Nozizeptor ist ein Sinnesrezeptor für gewebeschädigende Reize. Dazu zählen starke Hitze, starker Druck, Schnitte und Chemikalien wie Protonen. Gebaut ist er denkbar schlicht: als freie Nervenendigung ohne Kapsel oder Hilfszellen. Solche Endigungen liegen in Haut, Muskeln, Gelenken und Eingeweiden.
Zwei Fasertypen leiten den Schmerz unterschiedlich schnell weiter. Der Grund ist die Myelinisierung, wie bei der Leitungsgeschwindigkeit erklärt.
- Klasse III, dünn myelinisiert
- etwa 5 bis 30 m/s
- heller, stechender, gut lokalisierbarer Erstschmerz
- Klasse IV, marklos
- etwa 0,5 bis 2 m/s
- dumpfer, brennender, schlecht lokalisierbarer Zweitschmerz
Wer sich das Schienbein stößt, spürt beides nacheinander. Zuerst kommt ein kurzer, scharfer Stich, danach ein flacher, länger anhaltender Schmerz.
Langsam heißt dabei nicht chronisch. Der Zweitschmerz ist eine akute Antwort auf einen aktuellen Reiz und klingt mit ihm ab. Chronischer Schmerz hält über Monate an und beruht auf Umbauprozessen im Nervensystem. Die C-Faser-Nozizeptoren des dumpfen Schmerzes sind also nicht die Ursache chronischer Schmerzen.
Die Zellkörper der Nozizeptoren liegen außerhalb des Zentralnervensystems. Für Rumpf und Gliedmaßen sitzen sie im Spinalganglion der Hinterwurzel (siehe Rückenmark). Für Gesicht und Kopf liegen sie im Trigeminalganglion des fünften Hirnnervs.
Schmerzbahn
Vom Reizort bis ins Bewusstsein braucht das Signal drei hintereinandergeschaltete Neurone. Umgeschaltet wird im Rückenmark und im Thalamus.
- Erstes Neuron: Das ist der Nozizeptor selbst. Er leitet von der freien Nervenendigung der Haut über Spinalganglion und Hinterwurzel ins Hinterhorn des Rückenmarks.
- Zweites Neuron: Sein Zellkörper liegt im Hinterhorn. Das Axon kreuzt auf Segmenthöhe in der vorderen Kommissur zur Gegenseite. Dann steigt es im Tractus spinothalamicus zum Thalamus auf.
- Drittes Neuron: Es projiziert vom Thalamus zum somatosensorischen Cortex im Gyrus postcentralis (siehe Großhirnrinde).
Der Tractus spinothalamicus verläuft im Vorderseitenstrang der weißen Substanz. Sein Name beschreibt den Weg vom Rückenmark zum Thalamus. Neben Schmerz leitet er auch Temperatur und groben Tastsinn.
Die Kreuzung findet gleich im Eintrittssegment statt. Oberhalb davon läuft die Schmerzinformation also auf der Gegenseite. Eine halbseitige Rückenmarksschädigung hebt deshalb das Schmerzempfinden der gegenüberliegenden Körperhälfte unterhalb der Läsion auf.
Drei Neurone, zwei Umschaltungen, eine Kreuzung: Hinterhorn, Thalamus, Gyrus postcentralis. Gekreuzt wird sofort auf Segmenthöhe.
Transmitter und Schmerzhemmung
An der ersten Synapse im Hinterhorn entscheidet sich, wie stark das Signal weitergegeben wird. Hier wirken erregende und hemmende Überträgerstoffe gegeneinander. Die Grundbegriffe stehen bei den Neurotransmittern.
Erregung: Glutamat und Substanz P
Der Nozizeptor schüttet als schnellen Neurotransmitter vor allem Glutamat aus. Es öffnet postsynaptisch die ionotropen AMPA- und NMDA-Rezeptoren und depolarisiert das zweite Neuron. Auch Aspartat wirkt hier als erregende Aminosäure. Zusammen mit Glutamat setzt die Endigung das Neuropeptid Substanz P frei. Es bindet an metabotrope NK1-Rezeptoren und wirkt als Neuromodulator.
Ein Neuromodulator löst selbst kein schnelles postsynaptisches Potential aus. Er verändert über G-Protein-gekoppelte Rezeptoren langsamer und länger anhaltend, wie stark ein Neuron auf den eigentlichen Transmitter antwortet.
Substanz P stellt das zweite Neuron gewissermaßen lauter. Das verstärkt besonders den anhaltenden Schmerz.
Hemmung: endogene Opioide
Endogene Opioide sind körpereigene Peptide, die an dieselben Opioidrezeptoren binden wie Morphin. Dazu gehören die Endorphine wie β-Endorphin sowie Enkephaline und Dynorphine. Sie hemmen die Schmerzübertragung im Rückenmark stark. Enkephalinerge Interneurone im Hinterhorn geben sie direkt an der ersten Synapse ab. Absteigende Bahnen aus dem Hirnstamm aktivieren diese Interneurone.
Die Hemmung greift an zwei Stellen:
- präsynaptisch: Opioidrezeptoren schließen spannungsgesteuerte \(\ce{Ca^2+}\)-Kanäle. Die Nozizeptor-Endigung setzt weniger Glutamat und Substanz P frei.
- postsynaptisch: Sie öffnen \(\ce{K+}\)-Kanäle. Das zweite Neuron hyperpolarisiert und ist schwerer erregbar.
Opioid-Analgetika wie Morphin ahmen genau diesen Mechanismus nach. Acetylcholin und Cholin gehören dagegen nicht zu den stark wirksamen körpereigenen Schmerzhemmern dieser Synapse. Diese Rolle haben die Opioidpeptide.
Sensibilisierende Mediatoren
Prostaglandine wie \(\ce{PGE2}\) entstehen im entzündeten Gewebe. Sie hemmen die Schmerzleitung nicht, sondern sensibilisieren die Nozizeptoren. Deren Reizschwelle sinkt, und schon schwache Reize schmerzen. Deshalb lindern Cyclooxygenase-Hemmer wie Ibuprofen Entzündungsschmerz, und zwar vor allem am Ort der Prostaglandinbildung. Auch Leukotriene sind Entzündungsmediatoren und keine Hemmstoffe der Schmerzübertragung. Bildung und Funktion dieser Lipidmediatoren gehören zur angeborenen Abwehr.
Quiz
Aussage 1
Die Zellkörper der Nozizeptoren aus der Gesichtshaut liegen im Hinterhorn des Rückenmarks.
Sie liegen im Trigeminalganglion. Nozizeptoren von Rumpf und Gliedmaßen haben ihre Zellkörper im Spinalganglion, das Hinterhorn enthält die Zellkörper des zweiten Neurons.
Aussage 2
Der dumpfe, brennende Zweitschmerz wird über marklose C-Fasern der Klasse IV geleitet.
C-Fasern sind marklos und langsam. Sie vermitteln den schlecht lokalisierbaren Zweitschmerz, Aδ-Fasern den Erstschmerz.
Aussage 3
Endogene Opioide vermindern präsynaptisch den \(\ce{Ca^2+}\)-Einstrom in die Nozizeptor-Endigung und damit die Glutamatfreisetzung.
Opioidrezeptoren schließen präsynaptisch Calciumkanäle und öffnen postsynaptisch Kaliumkanäle. Beides hemmt die Schmerzübertragung.
Aussage 4
Das zweite Neuron der Schmerzbahn steigt zunächst auf derselben Seite bis in den Hirnstamm auf und kreuzt erst dort zur Gegenseite.
Das zweite Neuron kreuzt bereits auf Segmenthöhe in der vorderen Kommissur und steigt dann im Tractus spinothalamicus der Gegenseite zum Thalamus auf.
Aussage 5
An der ersten Synapse der Schmerzbahn ist Glutamat der schnelle Transmitter, während Substanz P als Neuromodulator wirkt.
Glutamat depolarisiert das zweite Neuron über AMPA- und NMDA-Rezeptoren. Substanz P verstärkt über NK1-Rezeptoren langsamer dessen Erregbarkeit.
Aussage 6
Prostaglandine wirken im Hinterhorn als körpereigene Hemmstoffe der Schmerzübertragung.
Prostaglandine sensibilisieren die Nozizeptoren und senken deren Reizschwelle. Stark hemmend wirken die endogenen Opioide wie die Endorphine.
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