Das Erste - kompakt: Chemie Physik Biologie - GK1 (Springer-Lehrbuch) (German Edition) 3540364854, 9783540364856

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Springer-Lehrbuch

Das Erste – kompakt Herausgeber Jesko Priewe Daniel Tümmers Konzept PD. Dr. Dr. Oliver Friedrich Jesko Priewe Daniel Tümmers

Weitere Titel dieser Reihe: Ernst/Krantz/Witt, Chemie Physik Biologie – GK1 978-3-540-36485-6 Friedrich, Physiologie – GK1 978-3-540-36479-5 Krantz, Biochemie – GK1 978-3-540-36470-2 Schön, Medizinische Psychologie und Soziologie – GK1 978-3-540-36361-3 Witt, Anatomie – GK1 978-3-540-36367-5

Jesko Priewe Daniel Tümmers (Hrsg.)

Kompendium Vorklinik – GK1 Mit 638 Abbildungen und 253 Tabellen

123

Jesko Priewe Daniel Tümmers medicu(r)s GbRmbH Hauptstraße 580 53347 Alfter [email protected]

ISBN-13 978-3-540-32877-3 Springer Medizin Verlag Heidelberg Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar. Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte, insbesondere die der Übersetzung, des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen, der Funksendung, der Mikroverfilmung oder der Vervielfältigung auf anderen Wegen und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine Vervielfältigung dieses Werkes oder von Teilen dieses Werkes ist auch im Einzelfall nur in den Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes der Bundesrepublik Deutschland vom 9. September 1965 in der jeweils geltenden Fassung zulässig. Sie ist grundsätzlich vergütungspflichtig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Strafbestimmungen des Urheberrechtsgesetzes. Springer Medizin Verlag springer.de © Springer Medizin Verlag Heidelberg 2007 Produkthaftung: Für Angaben über Dosierungsanweisungen und Applikationsformen kann vom Verlag keine Gewähr übernommen werden. Derartige Angaben müssen vom jeweiligen Anwender im Einzelfall anhand anderer Literaturstellen auf ihre Richtigkeit überprüft werden. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutzgesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürfen. Planung: Renate Scheddin, Kathrin Nühse, Heidelberg Projektmanagement: Sigrid Janke, Heidelberg Lektorat: Dr. med. Susanne Meinrenken, Freiburg Zeichnungen: Oliver Friedrich, Heidelberg; Alexander Dospil, Greifenberg Fotosatz-Service Köhler GmbH, Würzburg Layout und Umschlaggestaltung: deblik Berlin Satz: Fotosatz-Service Köhler GmbH, Würzburg SPIN 11380733 Gedruckt auf säurefreiem Papier

15/2117 – 5 4 3 2 1 0

V

Vorwort DIE Klippe im Medizinstudium ist und bleibt das Physikum, oder wie es nunmehr seit kurzer Zeit genannt wird, das erste Staatsexamen. Nach dem Abitur stellt die Prüfung meist die erste große Bewährungsprobe dar und Sie wissen eigentlich überhaupt nicht, was Sie wann und wie lernen sollen. Es setzt eine immense Disziplin und Motivation voraus, dieses Vorhaben anzugehen und zu einem erfolgreichen Ende zu gelangen. Wir widmen uns seit mittlerweile knapp fünf Jahren der professionellen Bewältigung dieser Hürde, indem wir medicu(r)s – ein Repetitorium für Medizinstudenten – gegründet und seit dieser Zeit schon zahlreiche Studenten erfolgreich durch die Vorbereitung und die anschließende Prüfung geleitet haben. Im Jahr 2004 kam der Springer-Verlag mit der Bitte auf uns zu, ein Kompendium zur Prüfungsvorbereitung auf das neue erste Staatsexamen zu erarbeiten. Wir haben unsere Zusage an die Bedingung geknüpft, dass das Buch sowohl enge klinische Bezüge enthalten muss, als auch durch eine sinnvoll dosierte und eingängige Didaktik geprägt sein soll. Beide Aspekte haben in diesem Buch ihre Umsetzung auf besondere Weise gefunden: Zum einen stellen unsere Klinikboxen in allen Fächern schon erste klinische Bezüge her, die durch die abschließenden klinischen Fallbeispiele am jeweiligen Kapitelende der großen vier Fächer komplettiert werden. Zum anderen bieten die einleitenden Mindmaps einen gut strukturierten Überblick über den Inhalt der jeweiligen Kapitel und die Merke-Boxen sowie Prüfungsfallstricke geben eine Gewichtung vor, worauf Sie in der Vorbereitung besonders achten sollten. Dieses Buch ist streng nach dem aktuellen GK1 gegliedert, um Ihnen, liebe Leser, den Weg zu ebnen, sich strukturiert und allumfassend vorzubereiten, ohne einen thematischen Aspekt zu übersehen oder zu vernachlässigen. Wir möchten uns in diesem Zusammenhang bei unseren Autoren Herrn Professor Dr. Ernst, Herrn Professor Dr. Krantz, Frau Dipl. Psych. Schön, Herrn Professor Dr. Witt und besonders bei Herrn PD Dr. Dr. Friedrich, der zudem auch als einer der »Väter des Konzeptes« zu jeder Tages- und so mancher Nachtzeit immer mit Rat und Tat zur Seite stand, für die gute und vertrauensvolle Zusammenarbeit bedanken. Die Autoren dieses Buches sind schon seit langen Jahren als Dozenten unserer Repetitorien tätig und haben entscheidend dazu beigetragen, dass wir Ihnen heute dieses Buch vorlegen können. Des Weiteren möchten wir uns beim Springer-Verlag bedanken, der letztlich das Erscheinen des Buches ermöglicht hat. Hier danken wir insbesondere Frau Kathrin Nühse für die stets gute und konstruktive Zusammenarbeit und Frau Sigrid Janke für das professionelle Projektmanagement. Nicht unerwähnt lassen möchten wir Frau Martina Siedler, die bis zu Ihrem Ausscheiden aus unserem Projekt eine wichtige Rolle gespielt hat. Zum Schluss danken wir unseren Ehefrauen Nadine und Petra für ihren Rückhalt, ihre Geduld und häufige Rücksichtnahme. Unser großer Wunsch ist es, dass Ihnen, liebe Leser, dieses Buch bei der Bewältigung Ihrer Prüfung hilft und Sie sich im Nachhinein gerne an die »Zeit des Lernens und Leidens« zurückerinnern. Bonn, Juli 2006 Daniel Tümmers und Jesko Priewe

Die Herausgeber Jesko Priewe geboren 1974 in Bonn-Bad Godesberg, verheiratet. Studium der Humanmedizin an der Ruhr-Universität-Bochum und der Rheinischen Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn, Studium der Gesundheitsökonomie, Akademie Prof. Dr. Braunschweig, Köln. 2003 Gründung der Firma medicu(r)s GbRmbH. Geschäftsführer der medicu(r)s GbRmbH von 2003 bis heute. Seit 2006 Tätigkeit in der Klinik für Innere Medizin am Marienhospital Euskirchen. Herausgeber des Bandwerkes »Das Erste – kompakt« mit den Einzelwerken: »Chemie, Physik, Biologie«; »Biochemie«; »Medizinische Psychologie und Soziologie«; »Anatomie«; »Physiologie«. Herausgeber des Kompendiums »Das Erste – kompakt . Kompendium Vorklinik« im Springer-Verlag Heidelberg.

Daniel Tümmers geboren 1976 in Hamm, verheiratet. Studium der Humanmedizin an der Universität Bochum von 1998 bis 2002. Studium der Biologie, Germanistik und Pädagogik an der Universität Essen von 2002 bis 2006. 2003 Gründung der Firma medicu(r)s GbRmbH. Geschäftsführer der medicu(r)s GbRmbH von 2003 bis heute. 2006 Staatsarbeit zum Thema: »Das Arzt-Patienten-Gespräch«. Herausgeber des Bandwerkes »Das Erste – kompakt« mit den Einzelwerken: »Chemie, Physik, Biologie«; »Biochemie«; »Medizinische Psychologie und Soziologie«; »Anatomie«; »Physiologie«. Herausgeber des Kompendiums »Das Erste – kompakt . Kompendium Vorklinik« im Springer-Verlag Heidelberg.

VII

Die Autoren Jürgen Ernst Auf dem Uhlberg 2 53127 Bonn

Oliver Friedrich Universität Heidelberg Institut für Physiologie und Pathophysiologie Im Neuenheimer Feld 326 69120 Heidelberg

Sven Krantz Universität Greifswald Institut für Medizinische Biochemie und Molekularbiologie Klinikum Sauerbruchstraße 17487 Greifswald

Melanie Schön [email protected]

Martin Witt Zentrum für Riechen und Schmecken Institut für Anatomie Medizinische Fakultät der Technischen Universität Dresden Fetscherstr. 74 01307 Dresden

Kompendium Vorklinik: Das neue Lehrbuch Mind Map: grafische Übersicht der wichtigsten Kapitelinhalte, kombiniert mit einer Zusammenfassung

230

Kapitel 1 · Entstehung und Verlauf von Krankheiten

Leitsystem: schnelle Orientierung über alle Fachgebiete und den Anhang

Med. Psychologie/ Soziologie

1 Entstehung und Verlauf von Krankheiten Mind Map Im Folgenden, weitaus größten Kapitel der medizinischen Psychologie und Soziologie, werden Bezugssysteme von Gesundheit und Krankheit und eine Vorstellung verschiedener Gesundheitsund Krankheitsmodelle erklärt. Die Modelle und Bezugssysteme sind im ärztlichen Alltag äußerst wichtig, um Aktionen und Reaktionen des Patienten zu verstehen und entsprechend zu reagieren. Weiterhin wird der wichtige Teil der methodischen Grundlagen wissenschaftlichen Arbeitens und ihrer praktischen Relevanz von Hypothesenbildung und Operationalisierung über Untersuchungskriterien und -planung und Methoden der Datengewinnung sowie Datenauswertung und -inter-

pretation hin zur Ergebnisbewertung behandelt. Schließlich werden noch theoretische Grundlagen zu Entstehung und Verlauf von Krankheiten behandelt: Nach der Schilderung biologischer Grundlagen psychischer Phänomene folgt eine ausführliche Darstellung verschiedener Theorien des Lernens, der Bereiche Kognition, Emotion und Motivation sowie Modelle und Theorien zu den Konstrukten Persönlichkeit und Verhaltensstile. In zwei weiteren Unterkapiteln wird die psychische Entwicklung über den Lebenslauf, von der Kindheit bis zum Senium, geschildert, und abschließend werden soziodemografische und sozialstrukturelle Determinanten des Lebenslaufs betrachtet.

Speichelproduktion

Verweis auf Abbildungen und Tabellen: deutlich herausgestellt und leicht zu finden

Zahlreiche Abbildungen: veranschaulichen komplizierte und komplexe Sachverhalte – mit Extrateil »Farbige Abbildungen«

Gleichungen, Formeln, Gesetze und Theoreme

In den Azinuszellen wird plasmaisotoner Primärspeichel (~290 mosmol/l NaCl) durch sekundär-aktiven Transport sezerniert (. Abb. 7.1b): auf der Blutseite wird Cl– über einen Na/K/2Cl-Symporter in die Azinuszelle aufgenommen und verlässt diese wieder auf luminaler Seite über einen (Ca2+-abhängigen) Cl–-Kanal (transepithelialer Transport!). Hierdurch wird das transepitheliale Potenzial (TEP) lumennegativ und Na+ diffundiert parazellulär nach. Wasser folgt aus osmotischen Gründen. K+ rezirkuliert basolateral über einen K+-Kanal. Der Primärspeichel wird nun flussratenabhängig im Gangepithel der Ausführungsgänge modifiziert: Na+ und Cl– werden resorbiert (Na+: aldosteronabhängig!→ENaC-Kanäle), K+ und HCO3– in geringerem Maße sezerniert (. Abb. 7.1b . Tab. 7.10). . Abb. 5.9. Papilla foliata (Kaninchen), Azan und immunhistochem. Reaktion für Neuronen-spezifische Enolase (NSE). Im Epithel der Papillen (Pap) liegen Geschmacksknospen (GK), deren afferente Fasern (braun) mit dem N. IX zum Hirnstamm geleitet werden. Der untere Pfeil zeigt auf ein parasympath. Ganglion des N. IX für die postganglionären Fasern für die Ebner-Drüsen (E, mit Ausführungsgang), M: quergestreifte Muskelzelle der Zungenbinnenmuskulatur (7 farbige Abb. S. 681)

Ester entstehen bei der Umsetzung von Säuren mit Alkoholen. Die Reaktion ist eine typische Gleichgewichtsreaktion: R - COOH + R ’- OH ´ R - COO - R ’+ H 2O Die Hydrolyse eines Esters (Umkehr der Bildung) im Alkalischen bezeichnet man als Verseifung. Die AlkaliSalze von Fettsäuren werden Seifen genannt. Auch eine Säurehydrolyse von Estern ist möglich. Starke Säuren begünstigen allerdings die Esterbindung über einen katalytischen Effekt der Protonen.

2.5.1

Genmutationen

Genmutationen sind Veränderungen der Nucleotidsequenz der DNA eines Gens. Sie können Folge sein von: 4 Basensubstitution: Ersatz einer Base durch eine andere (Punktmutation), 4 Basendeletion; Nucleotide gehen verloren, 4 Baseninsertion: neue Basen werden zusätzlich eingefügt, 4 ungleichem Crossing over (Genkonversion): Ein Genabschnitt eines Chromosoms wird als Bruchstück beim Crossing-over in das homologe Chromosom eingefügt (Duplikation).

. Abb. 2.11. Carbonsäurederivate

Aufzählungen: Lerninhalte übersichtlich präsentiert

Navigation: Seitenzahl und Kapitelnummer für die schnelle Orientierung

Inhaltliche Struktur: klare Gliederung durch alle Kapitel

7

231 7.2 · Geometrische Optik

. Tab. 7.2. Brechzahl von Stoffen STPD und Grenzwinkel der Totalreflexion zu Luft für gelbes Na-Licht der Wellenlänge = 589 nm

Feststoff

n

αTR

Fl. Stoff, Gas

n

αTR

Eis

1,310

49,8°

Luft

1,0003

−

Quarzglas

1,459

43,3°

Wasser

1,333

48,6°

Flintglas

1,613

38,3°

Benzol

1,501

41,8°

Diamant

2,417

24,4°

Methyleniodid

1,628

37,9°

7.2.2

Abbildung durch Reflexion an Spiegeln

Konstruiert man nach dem in 7 Kapitel 6.2.3 besprochenen Reflexionsgesetz »Einfallswinkel = Ausfallswinkel« die von einzelnen Punkten eines Gegenstandes ausgehenden Lichtstrahlen, so findet man bei einem ebenen Spiegel Folgendes: die reflektierten Strahlen scheinen von einem Abbild des Gegenstandes herzukommen, das in gleichem Abstand wie der Gegenstand hinter der Spiegelfläche zu stehen scheint. Generell nennt man solche Abbildungen virtuell, da man am vermeintlichen Ort des Bildes es nicht durch eine Mattscheibe oder einen Film aufnehmen oder sichtbar machen kann. Bekanntlich erscheint bei einfacher Spiegelung im virtuellen Bild immer rechts und links gegenüber dem Original vertauscht.

Prüfungsfallstricke Achtung Nomenklatur! Es gibt zahlreiche Inkonsistenzen im Gebrauch der Nomenklatur; z. B. wird die Basallamina in den nomina histologica (1989) anders definiert, hat sich aber nicht durchgesetzt. Endothel, das auch dem Mesoderm entstammt und eine innere Oberfläche (Blutgefäße) auskleidet, wird von vielen Anatomen (cave: mündl. Prüfung!) nicht zu den Epithelien im engeren Sinne gerechnet. Weiterhin wird die Hinterseite der Cornea (bedeckt mit einschichtigem flachen Plattenepithel) im klinischen Gebrauch fälschlicherweise mitunter als »Cornea-Endothel« bezeichnet.

Tabelle: klare Übersicht der wichtigsten Fakten

thyl-FH4 remethyliertwerdenkann.DieseRemethylierung ist nur in beschränktem Umfang möglich. Der Bedarf des Stoffwechsels an Methylgruppen muss zu einem wesentlichen Teil durch die Aufnahme von Methionin mit der Nahrung gedeckt werden. Allerdings stellt diese Reaktion FH4 für den C1-Stoffwechsel wieder zur Verfügung! Methylen-FH4 wird ebenfalls zur Bildung der Methylgruppe im Thymin benötigt (Bildung von dTMP). Durch Decarboxylierungen entsteht CO2 im Stoffwechsel (z. B. Decarboxylasen mit Thiamindiphosphat oder Pyridoxalphosphat als Coenzymen). Carboxylierungsreaktionen bestehen in einer Anlagerung von

KLINIK Der Körpermasse-Index (BMI = body mass index) dient der Definition einer Adipositas. Er errechnet sich aus dem Quotient aus Körpergewicht in kg, dividiert durch die Körpergröße in Metern zum Quadrat. Normal ist ein BMI von 20–24,9. Darüber und darunter hinausgehende Werte sind pathologisch (25–30= Übergewicht; >30= Adipositas; < 20= Magersucht).

Merke Fettsäurebiosynthese und Lipogenese sind gekoppelte Prozesse. Hauptorgane für die Neutralfettsynthese sind Leber und Fettgewebe. Die Lipolyse und Lipogenese werden durch Katecholamine, Glucagon und Insulin reguliert. Schilddrüsenhormone und Glucocorticoide stimulieren den Fettabbau erst nach einer Latenzzeit.

Klinik-Box: klinisch relevantes Wissen für die Praxis

Schlüsselbegriffe: sind fett bzw. kursiv hervorgehoben

Merke: das Wichtigste auf den Punkt gebracht

Fallbeispiel Ein 28-jähriger Bauarbeiter sucht den Hausarzt wegen seit Wochen bestehender Schlappheit, Müdigkeit, Schweißneigung, Appetitlosigkeit und Atemnot bei Belastung vor. Der kräftig und muskulös gebaute Mann gibt an, er habe vor einigen Wochen eine »Grippe« gehabt, sei ein paar Tage zu Hause gewesen, anschließend wieder zur Arbeit gegangen und seinem Sport nachgegangen (Kraftsport). Jedoch sei er nach der »Erkältung« nicht mehr so fit wie vorher gewesen, er habe sich zu allen körperlichen Tätigkeiten zwingen müssen, zumal er häufig Herzrasen hätte. Als am Tag zuvor er nach einem Schläfchen den linken Arm eine halbe Stunde nicht bewegen konnte und Taubheitsgefühl hatte, bekam er es mit der Angst zu tun. Im EKG zeigt sich eine leichte Niedervoltage sowie Tachyarrhythmia absoluta bei Vorhofflimmern (VHF). Im Röntgenthorax zeigt sich eine massive Verbreiterung der linken Herzhälfte. Sein Blutdruck ist

Prüfungsfallstricke: hilft erfolgreich durch die Prüfung

hypoton (RRsyst erniedrigt), diastolisch erhöht. Bei der Auskultation hört man feinblasige basale Rasselgeräusche. Im Herz-Echo zeigt sich ein Rückfluss in den linken Vorhof während der Systole. Periphere Ödeme sind nicht ausgeprägt. Bei bestehender Linksherzinsuffizienz, Mitralinsuffizienz mit Vorhofflimmern und einer eingeschränkten linksventrikulären Pumpfunktion wird der Patient antikoaguliert (Thrombenbildung bei Vorhofflimmern), erhält Betablocker, AT1-Antagonisten, Diuretika und Digitalispräparate. Nun stabilisiert sich der Patient in der Folge und konvertiert wieder in einen Sinusrhythmus. Unter begleitender Rehabilitationsmaßnahme bildet sich die wahrscheinlich post-infektiöse dilatative Kardiomyopathie innerhalb von einigen Monaten weitgehend zurück. Dem Patienten wird eine Umschulungsmaßnahme zu einer leichteren körperlichen Arbeit empfohlen, um weitere Schädigungen des Herzmuskels zu vermeiden.

Fallbeispiel: Gelerntes Wissen praktisch anwenden und umsetzen

Inhaltsverzeichnis Medizinische Psychologie und Soziologie

1.17

M. Schön

2

1

Entstehung und Verlauf von Krankheiten . . . . . . . . . . . . . .

1.1

1.3 1.4

Bezugssysteme von Gesundheit und Krankheit . . . . . . . . . . . Gesundheits- und Krankheitsmodelle . . . . . . . . . . . . . . . Methodische Grundlagen . . . . Theoretische Grundlagen . . . .

2.1 2

. . . . .

4

. . . . . . . . . . . . . . .

8 21 36

2

Ärztliches Handeln . . . . . . . . . . . .

2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6

Arzt-Patient-Beziehung . . . . . . . . Untersuchung und Gespräch . . . . . Urteilsbildung und Entscheidung . . Interventionsformen . . . . . . . . . . Besondere medizinische Situationen Patient und Gesundheitssystem . . .

68 70 76 78 80 84 92

1.2

. . . . . .

. . . . . .

2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8

3.1 3.2

Förderung und Erhalt von Gesundheit . . . . . . . . . . . . . . Prävention . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Maßnahmen . . . . . . . . . . . . . . . . .

98 100 103

Biologie

Grundlagen der Mikrobiologie und Ökologie . . . . . . . . . . . . . . . .

3.1

Morphologische Grundformen der Bakterien . . . . . . . . . . . . . . . . Aufbau und Morphologie der Bakterienzelle (Procyte) . . . . . . . Wachstum der Bakterien . . . . . . . . . Bakteriengenetik . . . . . . . . . . . . . . Pilze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Viren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Prionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ausgewählte Kapitel aus der Ökologie mit Bezügen zur Mikrobiologie . . . . .

3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8

M. Witt 1

Allgemeine Zellbiologie, Zellteilung und Zelltod . . . . . . . . . . . . . . . . .

112

1.1

Zellbegriff und zelluläre Strukturelemente . . . . . . . . . . . . . . . . . Plasmamembran . . . . . . . . . . . . Zellkern . . . . . . . . . . . . . . . . . Cytoplasma, Cytosol . . . . . . . . . Ribosomen . . . . . . . . . . . . . . . Endoplasmatisches Retikulum . . . Golgi-Komplex (Golgi-Apparat) . . Exozytose . . . . . . . . . . . . . . . . Endozytose . . . . . . . . . . . . . . . Lysosomen . . . . . . . . . . . . . . . Peroxisomen . . . . . . . . . . . . . . Mitochondrien . . . . . . . . . . . . . Zytoskelett . . . . . . . . . . . . . . . Zellzyklus und Zellteilung (Mitose) Meiose (Reifeteilung) . . . . . . . . . Zelltod . . . . . . . . . . . . . . . . . .

114 115 115 115 115 115 116 116 116 117 118 119 119 121 122 124

1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 1.10 1.11 1.12 1.13 1.14 1.15 1.16

. . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . .

Genetik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Organisation und Funktion eukaryontischer Gene . . . . . . . . . . . Chromosomen des Menschen . . . . . . Formale Genetik . . . . . . . . . . . . . . . Gonosomen, Geschlechtsbestimmung und -differenzierung . . . . . . . . . . . . Mutationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . Klonierung und Nachweis von Genen bzw. Genmutationen . . . . . . . . . . . . Entwicklungsgenetik . . . . . . . . . . . . Populationsgenetik . . . . . . . . . . . . .

3

3.2

3

Zellkommunikation und SignalTransduktion . . . . . . . . . . . . . . . . .

124 126 128 129 130 133 134 135 136 137

138

.

140

. . . . . .

140 141 142 143 143 144

.

144

Physik J. Ernst 1

Grundbegriffe des Messens und der quantitativen Beschreibung . . .

1.1 1.2

Physikalische Größen und Einheiten . . Messen und Unsicherheiten beim Messen . . . . . . . . . . . . . . . . . Zusammenhänge zwischen physikalischen Größen . . . . . . . . . . .

1.3

2

Mechanik . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.1 2.2 2.3

Bewegungen . . . . . . . . . . . . . . Impuls, Kraft, Kräfte . . . . . . . . . . Drehmoment, Trägheitsmoment, Drehimpuls . . . . . . . . . . . . . . . Arbeit, Energie, Leistung . . . . . . . Mengengrößen, bezogene Größen

2.4 2.5

148 150 152 153

. . . . . .

158 160 161

. . . . . . . . .

163 163 164

XI Inhaltsverzeichnis

2.6 2.7 2.8 2.9

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

164 165 166

. . . . . . .

166

3

Struktur der Materie . . . . . . . . . . .

3.1 3.2

Aufbau der Atome und Atomkerne . . . Festkörper, Flüssigkeiten, Gase . . . . . .

170 172 175

4 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6

Verformung fester Körper . . Druck . . . . . . . . . . . . . . . Kräfte an Grenzflächen . . . . Strömung von Flüssigkeiten und Gasen . . . . . . . . . . . .

Wärmelehre . . . . . . . . . . . . . . . . . Temperatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wärme, Wärmekapazität . . . . . . . . . . Gaszustand . . . . . . . . . . . . . . . . . . Änderung des Aggregatzustandes . . . Wärmetransport, Transportphänomene Stoffgemische . . . . . . . . . . . . . . . .

5

Elektrizitätslehre . . . . . . . . . . . . . .

5.1

Elektrische Ladung, elektrische Stromstärke . . . . . . . . . . . . . . . . Elektrische Feldstärke . . . . . . . . . . Elektrisches Potenzial, elektrische Spannung . . . . . . . . . . . . . . . . . Elektrischer Widerstand . . . . . . . . Elektrischer Stromkreis . . . . . . . . . Elektrische Kapazität . . . . . . . . . . Elektrizitätsleitung . . . . . . . . . . . Elektrische Spannungen an Grenzflächen, Diffusionsspannungen . . . Magnetische Größen, elektromagnetische Induktion . . . . . . . . Wechselspannung, Wechselstrom . . Menschlicher Körper im elektrischen Stromkreis, Schutzmaßnahmen . . .

5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 5.7 5.8 5.9 5.10 5.11

178 180 180 182 183 184 185 188

. . . .

190 191

. . . . .

192 194 196 197 198

. . . . .

. .

202

. . . .

204 208

. .

211

6

Schwingungen und Wellen . . . . . .

6.1 6.2 6.3 6.4

Schwingungen . . . . . . . . Wellen . . . . . . . . . . . . . Schallwellen . . . . . . . . . . Elektromagnetische Wellen

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

214 216 218 220 224

7

Optik . . . . . . . . . . . Licht . . . . . . . . . . . . Geometrische Optik . . Wellenoptik . . . . . . . Optische Instrumente

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

226 228 230 235 237

Ionisierende Strahlung . . . . . Radioaktivität . . . . . . . . . . . . . Röntgenstrahlung . . . . . . . . . . Nachweis ionisierender Strahlen . Strahlenwirkungen . . . . . . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

242 244 246 247 249

7.1 7.2 7.3 7.4

8 8.1 8.2 8.3 8.4

. . . . .

. . . . .

. . . . .

Chemie S. Krantz 1

Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . .

252

1.1

Makroskopische Erscheinungsformen der Materie . . . . . . . . . . . . . . . . . .

254

2

Aufbau und Eigenschaften der Materie . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.1 2.2 2.3

Atome, Isotope, Periodensystem . . . . Chemische Bindungen . . . . . . . . . . Azyklische Kohlenstoffverbindungen, einfache funktionelle Gruppen . . . . . Carbo- und Heterozyklen . . . . . . . . Stereochemie . . . . . . . . . . . . . . . .

. .

256 258 264

. . .

267 277 278

3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9

Stoffumwandlungen . . . . . . . . . . . Homogene Gleichgewichtsreaktionen Heterogene Gleichgewichtsreaktionen Säure-/Base-Reaktionen . . . . . . . . . . Redox-Reaktionen . . . . . . . . . . . . . . Bildung und Eigenschaften der Salze . . Ligandenaustausch-Reaktionen . . . . . Additions-/Eliminierungsreaktionen . . Substitutionsreaktionen . . . . . . . . . . Sonstige Reaktionen . . . . . . . . . . . .

282 284 287 287 291 292 293 293 294 296

4

Kohlenhydrate . . . . . . . . . . . . . . .

4.1 4.2 4.3

Monosaccharide . . . . . . . . . . . . . . . Disaccharide . . . . . . . . . . . . . . . . . Oligo- und Polysaccharide . . . . . . . . .

298 300 302 303

5

Aminosäuren, Peptide, Proteine . . .

5.1 5.2 5.3

Aminosäuren . . . . . . . . . . . . . . . . . Peptide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Proteine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6

Fettsäuren, Lipide . . . . . . . . . . . . .

6.1 6.2 6.3 6.4

Fettsäuren . . . Acylglycerine . Sphingolipide . Steroide . . . .

7

Nucleotide, Nucleinsäuren, Chromatin . . . . . . . . . . . . . . . . . .

7.1 7.2 7.3

Nucleotide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Nucleinsäuren . . . . . . . . . . . . . . . . Chromatin . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.4 2.5

3

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

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. . . .

. . . .

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. . . .

. . . .

306 308 311 313 318 320 321 322 322

326 328 328 331

8

Vitamine, Vitaminderivate, Coenzyme 332

8.1 8.2 8.3

Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . Biochemischer Mechanismus . . . . . . . Pathobiochemie . . . . . . . . . . . . . . .

334 345 345

XII

9 9.1

Inhaltsverzeichnis

Grundlagen der Thermodynamik und Kinetik . . . . . . . . . . . . . . . . .

346

4

Grundbegriffe der Energetik und Kinetik . . . . . . . . . . . . . . . . . .

347

Anatomie M. Witt 1

Allgemeine Embryologie . . . . . . . .

1.1 1.2 1.3

Grundlagen der Reproduktion . . . . . Grundlagen der Embryologie . . . . . . Befruchtung, Furchung und Implantation . . . . . . . . . . . . . . . . Plazentation . . . . . . . . . . . . . . . . . Frühentwicklung . . . . . . . . . . . . . . Organogenese und Ausbildung der äußeren Körperform . . . . . . . . . Mehrlingsbildung, Mehrfachbildung, Fehlbildung . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.4 1.5 1.6 1.7

. .

350 352 355

. . .

356 357 360

.

362

.

364

Allgemeine Anatomie, Gewebelehre und Histogenese . . . . . . . . . . . . . . 366

2.1 2.2

Allgemeine Anatomie . . . . . . . . . Allgemeine Gewebelehre – Begriffsdefinitionen – Methoden . . . . . . . Epithelgewebe . . . . . . . . . . . . . . Allgemeine Anatomie der exokrinen und endokrinen Drüsen . . . . . . . . Binde- und Stützgewebe . . . . . . . Muskelgewebe . . . . . . . . . . . . . . Allgemeine Anatomie des Bewegungsapparats . . . . . . . . . . Nervengewebe . . . . . . . . . . . . . . Allgemeine Anatomie des Nervensystems . . . . . . . . . . . Allgemeine Anatomie des Kreislaufsystems . . . . . . . . . . Blut und Knochenmark . . . . . . . . . Allgemeine Anatomie des Immunsystems . . . . . . . . . . .

2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 2.10 2.11 2.12

3 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9

Obere Extremität . . . . . . . . . . Grundkenntnisse der Entwicklung Knochen . . . . . . . . . . . . . . . . . Gelenke . . . . . . . . . . . . . . . . . Muskeln . . . . . . . . . . . . . . . . . Nerven der oberen Extremität . . . Arterien . . . . . . . . . . . . . . . . . Venen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Lymphknoten und Lymphgefäße . Angewandte und topografische Anatomie . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . .

. . . . . . . . .

Kopf und Kragen . . . . . . . . . . Entwicklung und Wachstum . . . Cranium . . . . . . . . . . . . . . . . Kopf- und Halsmuskeln, Faszien . Kopf- und Halseingeweide . . . . Hirnnerven . . . . . . . . . . . . . . Halsnerven . . . . . . . . . . . . . . Vegetative Innervation am Kopf und Hals . . . . . . . . . . . . . . . . Arterien und Venen . . . . . . . . . Lymphknoten und Lymphgefäße Angewandte und topografische Anatomie . . . . . . . . . . . . . . .

434 436 436 438 442 448 452 453 454

. . .

454

. . . . . . .

. . . . . . .

460 462 466 472 475 490 496

. . . . . . . . . . . .

497 498 503

. . . .

504

. . . .

510 512 518 525 527

. . .

532

. . . . .

. . . . .

534 538 542 544 544

. . . . . .

549 551

. . .

551

8

Bauch- und Beckeneingeweide . . .

556

8.1

Entwicklung von Darmtrakt, Harn- und Sexualorganen . . . . . Organe des Magen-Darm-Kanals Leber, Gallenblase, Pankreas . . . Milz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Endokrine Organe . . . . . . . . . . Harnorgane . . . . . . . . . . . . . .

558 563 570 574 575 577

5

2

Untere Extremität . . . . . . . . . . Grundkenntnisse der Entwicklung Knochen . . . . . . . . . . . . . . . . . Gelenke . . . . . . . . . . . . . . . . . Muskeln . . . . . . . . . . . . . . . . . Nerven . . . . . . . . . . . . . . . . . . Arterien . . . . . . . . . . . . . . . . . Venen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Lymphknoten und Lymphgefäße . Angewandte und topografische Anatomie . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . .

4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8 4.9

5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 5.7 5.8 5.9 5.10

. . . . . . .

. . . . . . . . .

. . . . . . .

. .

368

. . . .

369 371

6

Leibeswand . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . .

374 376 384

6.1 6.2 6.3 6.4

Rücken . . . . . . . . . . Brustwand . . . . . . . . Bauchwand . . . . . . . Becken, Beckenwände

. . . .

387 391

7

. .

394

. . . .

398 403

7.2 7.3 7.4 7.5 7.6

. .

404

Brusteingeweide . . . . . . . . . . . Entwicklung von Pleurahöhlen, Herz und Lunge . . . . . . . . . . . . Atmungsorgane . . . . . . . . . . . . Ösophagus . . . . . . . . . . . . . . . Thymus . . . . . . . . . . . . . . . . . . Herz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Arterien, Venen und Lymphgefäße des Thorax . . . . . . . . . . . . . . . . Nerven . . . . . . . . . . . . . . . . . . Angewandte und topografische Anatomie . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . .

. . . . . . . . .

408 410 410 411 415 421 425 427 428

. . .

428

7.1

7.7 7.8

8.2 8.3 8.4 8.5 8.6

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

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. . . .

. . . . . .

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. . . . . .

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. . . . . .

XIII Inhaltsverzeichnis

8.7 8.8 8.9 8.10 8.11 8.12 8.13 8.14

. . . . . . .

582 587 592 594 595 595 596

. . . .

598

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

602 604 606 611 618 618 622 626 633 640

. . . . . . . . . . . .

642 644

. . . . .

. . . . .

650 652 652 653 657

11

Hör- und Gleichgewichtsorgan . . . .

660

11.1 11.2 11.3 11.4

Entwicklung des Hörund Gleichgewichtsorgans Äußeres Ohr . . . . . . . . . . Mittelohr . . . . . . . . . . . . Innenohr . . . . . . . . . . . .

. . . .

662 662 663 666

12

Haut und Haar . . . . . . . . . . . . . . .

12.1 12.2 12.3 12.4 12.5

Haut und Unterhaut . Behaarung . . . . . . . Nägel . . . . . . . . . . Hautdrüsen . . . . . . Mamma . . . . . . . .

. . . . .

672 674 676 677 677 677

Farbige Abbildungen . . . . . . . . . . . . . . .

679

9 9.1 9.2 9.3 9.4 9.5 9.6 9.7 9.8 9.9 9.10 9.11

10 10.1 10.2 10.3 10.4

Weibliche Geschlechtsorgane . . Männliche Geschlechtsorgane . . Arterien . . . . . . . . . . . . . . . . Venen . . . . . . . . . . . . . . . . . . Lymphgefäße und Lymphknoten Vegetatives Nervensystem . . . . Peritoneum . . . . . . . . . . . . . . Angewandte und topografische Anatomie . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . .

Zentralnervensystem . . . . Entwicklung . . . . . . . . . . . . Rückenmark . . . . . . . . . . . . Hirnstamm . . . . . . . . . . . . Mesencephalon . . . . . . . . . Cerebellum (Kleinhirn) . . . . . Diencephalon (Zwischenhirn) Telencephalon . . . . . . . . . . Systeme . . . . . . . . . . . . . . Innere Liquorräume . . . . . . . Hirn- und Rückenmarkshäute, äußere Liquorräume . . . . . . Gefäßversorgung . . . . . . . . Sehorgan . . . . . . . . . . . Entwicklung . . . . . . . . . . Orbita . . . . . . . . . . . . . . Bulbus oculi (Augzwiebel) . Zusätzliche Einrichtungen .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

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. . . . . . . . . .

. . . . .

. . . .

. . . . .

Biochemie S. Krantz 1

Bioenergetik und Biokatalyse . . . . .

694

1.1

Energetik und Kinetik biochemischer Reaktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . .

696

2

Prinzipien der Stoffwechselregulation . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3

Kataboler Stoffwechsel und Energiegewinnung . . . . . . . . .

3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8

»Energiereiche« Verbindungen . . . . Kohlenhydratabbau . . . . . . . . . . . Triacylglycerin- und Fettsäureabbau Ketonkörpersynthese und -abbau . . Protein- und Aminosäureabbau . . . Ethanolabbau . . . . . . . . . . . . . . . Pyruvatdehydrogenase, Citratzyklus Atmungskette und oxidative Phosphorylierung . . . . . . . . . . . . Pathobiochemie . . . . . . . . . . . . .

3.9

4 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5

704

. . . . . . .

712 714 714 720 723 724 736 736

. . . .

740 745

Bildung von Energiespeichern . . . . Kohlenhydrate . . . . . . . . . . . . . . . . Lipide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Proteine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Regulation der Energiespeicherbildung und -verwertung . . . . . . . . . . . . . . . Pathobiochemie . . . . . . . . . . . . . . .

748 750 756 766

. . . . . . .

766 767

5

Speicherung, Übertragung und Expression genetischer Information

5.1 5.2 5.3 5.4 5.5

Nucleotide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Nucleinsäuren . . . . . . . . . . . . . . . . Faltung und Modifikation von Proteinen Proteolyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Tumorbiochemie . . . . . . . . . . . . . .

6

Zellstrukturen und interzelluläre Matrix; allgemeine Zytologie . . . . .

6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6 6.7 6.8 6.9 6.10 6.11 6.12 6.13 6.14

Prokaryonte Zellen . . . . . . . . . . Eukaryonte Zellen . . . . . . . . . . . Membranen . . . . . . . . . . . . . . . Zellkern . . . . . . . . . . . . . . . . . Mitochondrien . . . . . . . . . . . . . Lysosomen . . . . . . . . . . . . . . . Peroxisomen . . . . . . . . . . . . . . Endoplasmatisches Retikulum (ER) Golgi-Apparat . . . . . . . . . . . . . Zytoskelett . . . . . . . . . . . . . . . Extrazelluläre Matrix . . . . . . . . . Zellzyklus . . . . . . . . . . . . . . . . Apoptose . . . . . . . . . . . . . . . . Pathobiochemie . . . . . . . . . . . .

7

Säurebasenhaushalt, Wasser- und Elektrolythaushalt, Spurenelemente 806

7.1 7.2

Säurebasenhaushalt . . . . . . . . . . . . Wasser- und Elektrolyt-Haushalt . . . . .

. . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . .

770 772 776 789 791 791

794 796 796 796 798 799 799 799 799 800 800 801 804 805 805

808 808

XIV

Inhaltsverzeichnis

15

Niere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

15.1 15.2 15.3 15.4 15.5

Energiestoffwechsel . . . . . . . Endokrine Funktionen . . . . . Grundlagen der Harnbildung . Rückresorption . . . . . . . . . . Ausscheidung von Säuren und Ammoniak . . . . . . . . . .

. . . .

882 884 884 884 884

. . . . . .

884

16

Muskulatur . . . . . . . . . . . . . . . . . .

16.1 16.2 16.3 16.4

Energiestoffwechsel . . . Kontraktion, Relaxation Endokrine Funktionen . Pathobiochemie . . . . .

. . . .

886 888 888 888 888

830 831

17

Stützgewebe . . . . . . . . . . . . . . . .

890

17.1

9.7 9.8 9.9

Grundlagen . . . . . . . . . . . . . Stoffwechselregulation . . . . . . Wachstum und Differenzierung, Fortpflanzung . . . . . . . . . . . Regulation von Verdauung und Resorption . . . . . . . . . . . Elektrolyt- und Wasserhaushalt . Calcium- und Phosphatstoffwechsel . . . . . . . . . . . . . . . Gewebshormone, Mediatoren . Zytokine . . . . . . . . . . . . . . . Pathobiochemie . . . . . . . . . .

. . . .

832 833 835 836

17.2 17.3 17.4

Aufbau von Knorpel, Knochen, Zahnhartsubstanz . . . . . . . . Extrazelluläre Matrix . . . . . . Knorpelgewebe . . . . . . . . . Knochen, Zahnhartsubstanz .

. . . .

892 893 893 893

18

Nervensystem . . . . . . . . . . . . . . .

10

Immunsystem . . . . . . . . . . . . . . .

10.1 10.2

Aufbau des Immunsystems . . . . . . . . Störungen des Immunsystems . . . . . .

838 840 847

18.1 18.2 18.3 18.4

Energiestoffwechsel . . . . . . . . . . . Liquor cerebrospinalis . . . . . . . . . Myelin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Erregungsleitung und -übertragung

. . . .

894 896 896 896 896

11

Blut . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

11.1 11.2 11.3 11.4

19

Auge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

898

7.3 7.4

Spurenelemente . . . . . . . . . . . . . . . Pathobiochemie . . . . . . . . . . . . . . .

808 810

8 8.1 8.2 8.3

Bewegung . . . . . Kontraktile Systeme Motile Systeme . . . Pathobiochemie . .

. . . .

812 814 814 814

9

Hormone und Zytokine . . . . . . . . .

9.1 9.2 9.3

. . . . . . . . . .

816 818 823

. . . . .

827

. . . . . . . . . . . . . .

9.4 9.5 9.6

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

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. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . . . . . . . . . . . . .

848 850 856 856

11.5 11.6

Erythropoese und Erythrozyten Pathobiochemie . . . . . . . . . . Lymphozyten . . . . . . . . . . . . Blutstillung, Blutgerinnung und Fibrinolyse . . . . . . . . . . . Pathobiochemie . . . . . . . . . . Blutplasma . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . .

856 860 860

O. Friedrich 1

Allgemeine Physiologie und Zellphysiologie, Zellerregung . . . . .

12

Leber . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

12.1 12.2 12.3 12.4 12.5 12.6

Energiestoffwechsel . . . . . . . . . . Serviceleistungen . . . . . . . . . . . Cholesterin . . . . . . . . . . . . . . . Gallenflüssigkeit und Gallensäuren Biotransformation . . . . . . . . . . . Endokrine Funktionen . . . . . . . .

864 866 866 867 867 867 868

1.1 1.2 1.3 1.4 1.5

Stoffmenge und Konzentration . Stofftransport . . . . . . . . . . . . . Osmose . . . . . . . . . . . . . . . . Zellorganisation und -beweglichkeit . . . . . . . . . . . . Elektrische Phänomene an Zellen

13

Magendarmtrakt . . . . . . . . . . . . .

13.1 13.2 13.3 13.4 13.5

Grundlagen der Ernährung Verdauung und Resorption Wasser, Elektrolyte . . . . . . Endokrine Funktionen . . . Pathobiochemie . . . . . . .

14

Fettgewebe . . . . . . . . . . . . . . . . .

14.1 14.2

Stoffwechselleistungen . . . . . . . . . . Endokrine Funktion . . . . . . . . . . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

Physiologie

. . . . .

. . . . .

. . . . . .

. . . . .

. . . . . .

. . . . .

. . . . . .

. . . . .

. . . . . . . . . . . .

906 908 908 916

. . . . . . . .

917 918

. . . .

924 926 926 931 932

.

938 948 950 958

2

Blut und Immunsystem . . . . . . . . .

870 872 873 876 876 876

2.1 2.2 2.3 2.4 2.5

Blut . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Erythrozyten . . . . . . . . . . . . . . . . Blutplasma . . . . . . . . . . . . . . . . . Hämostase und Fibrinolyse . . . . . . . Abwehrsystem und zelluläre Identität (Immunologie) . . . . . . . . . . . . . . .

878 880 880

3

Herz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.1 3.2

Elektrophysiologie des Herzens . . . . . Mechanik des Herzens . . . . . . . . . . .

XV Inhaltsverzeichnis

3.3 3.4

Ernährung des Herzens . . . . . . . . . . . Steuerung der Herztätigkeit . . . . . . .

968 970

4

Blutkreislauf . . . . . . . . . . . . . . . . .

4.1 4.2 4.3 4.4 4.5

Allgemeine Grundlagen . . . . . . Hochdrucksystem . . . . . . . . . . Niederdrucksystem . . . . . . . . . Organdurchblutung . . . . . . . . Fetaler und plazentarer Kreislauf .

974 976 985 988 990 992

5

Atmung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 5.7 5.8 5.9

Morphologische Grundlagen . . . . . . Nichtrespiratorische Lungenfunktion . Physikalische Grundlagen . . . . . . . . Atemmechanik . . . . . . . . . . . . . . . Lungenperfusion . . . . . . . . . . . . . Gasaustausch in der Lunge . . . . . . . Atemgastransport im Blut . . . . . . . . Atmungsregulation . . . . . . . . . . . . Atmung unter ungewöhnlichen Bedingungen . . . . . . . . . . . . . . . . Säure-Basen-Gleichgewicht und Pufferung . . . . . . . . . . . . . . .

5.10

6

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . . . . .

994 996 997 997 998 1007 1008 1011 1014

. 1016

11

Sexualentwicklung und Reproduktionsphysiologie . . . . . . . 1108

11.1 11.2 11.3 11.4 11.5 11.6 11.7 11.8 11.9 11.10 11.11

Geschlechtsfestlegung und Pubertät Weibliche Sexualhormone . . . . . . . Menstruationszyklus . . . . . . . . . . Androgene . . . . . . . . . . . . . . . . Gameten . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kohabitation und Befruchtung . . . . Schwangerschaft . . . . . . . . . . . . Fetus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Geburt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Laktation . . . . . . . . . . . . . . . . . . Alter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

12

Funktionsprinzipien des Nervensystems . . . . . . . . . . . . 1118

12.1 12.2 12.3 12.4 12.5 12.6

Ionenkanäle . . . . . . . . . . . . . . . . . Ruhemembranpotenzial . . . . . . . . . Signalübertragung in Zellen . . . . . . Signalübertragung zwischen Zellen . Signalverarbeitung im Nervensystem Funktionsprinzipien sensorischer Systeme . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. 1017

. . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . .

. . . .

1110 1111 1111 1113 1114 1114 1115 1116 1116 1116 1117

1120 1120 1120 1125 1134

. 1136

Arbeits- und Leistungsphysiologie 1024 Allgemeine Grundlagen . . . . . . . . . . 1026 Organbeteiligung . . . . . . . . . . . . . . 1028 Erfassung von Leistung und Leistungsbeurteilung . . . . . . . . . 1031

13

Muskulatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1138

13.1 13.2

Allgemeine Muskelphysiologie . . . . . . 1140 Quergestreifte und glatte Muskulatur 1145

14

Vegetatives (autonomes) Nervensystem . . . . . . . . . . . . . . . 1152

7

Ernährung, Verdauungstrakt, Leber 1034

14.1

7.1 7.2

Ernährung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Organisation und Integrative Steuerung der Magendarmfunktion . . . . . . . . . . Motorik des Magendarmtrakts . . . . . . Sekretion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Aufschluss der Nahrung . . . . . . . . . . . Absorption . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Morphologische Grundlagen, Entwicklung und funktionelle Komponenten des VNS . . . . . . . . . . . 1154 Zelluläre und molekulare Mechanismen der Signaltransduktion im VNS . . . . . . 1158 Funktionelle Organisation des VNS . . . 1163

6.1 6.2 6.3

7.3 7.4 7.5 7.6

1036 1038 1040 1044 1052 1052

8

Energie- und Wärmehaushalt . . . . . 1056

8.1 8.2

Energiehaushalt . . . . . . . . . . . . . . . 1058 Wärmehaushalt und Temperaturregulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1058

9

Wasser- und Elektrolythaushalt, Nierenfunktion . . . . . . . . . . . . . . . 1064

9.1 9.2

Wasser- und Elektrolythaushalt . . . . . 1066 Niere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1073

10

Hormonale Regulation . . . . Grundlagen und Allgemeines . Wasser- und Elektrolythaushalt Energiehaushalt und Wachstum

10.1 10.2 10.3

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

1092 1094 1097 1097

14.2 14.3

15 15.1 15.2 15.3 15.4 15.5 15.6 15.7 15.8 15.9

Motorik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Programmierung der Willkürmotorik . . Motorische Repräsentation auf dem Cortex . . . . . . . . . . . . . . . . Efferente Projektion der motorischen Cortices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Neuronale Systeme des Rückenmarks Motorische Funktionen des Hirnstamms . . . . . . . . . . . . . . . Basalganglien . . . . . . . . . . . . . . . . . Cerebellum . . . . . . . . . . . . . . . . . . Integrale motorische Funktionen des Zentralnervensystems . . . . . . . . . . Störungen der Motorik . . . . . . . . . . .

1172 1174 1174 1177 1179 1187 1189 1192 1194 1195

XVI

Inhaltsverzeichnis

16

Somatoviszerale Sensorik . . . . . . . 1198

16.1

Funktionelle und morphologische Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . Tastsinn . . . . . . . . . . . . . . . . . Temperatursinn . . . . . . . . . . . . Tiefensensibilität . . . . . . . . . . . . Viszerale Sensorik . . . . . . . . . . . Nozizeption . . . . . . . . . . . . . . .

16.2 16.3 16.4 16.5 16.6

17 17.1 17.2 17.3 17.4

Visuelles System . . . . . . . . . . Dioptrischer Apparat . . . . . . . . Signalverarbeitung in der Retina . Zentrale Repräsentation des visuellen Systems . . . . . . . . Informationsverarbeitung in der Sehbahn . . . . . . . . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

1200 1206 1207 1208 1208 1209

18.4 18.5

Zentrale Hörbahn und corticale Repräsentation . . . . . . . . . . . . . . . . 1244 Sprachbildung und Sprachverständnis . . . . . . . . . . . 1244

19

Chemische Sinne . . . . . . . . . . . . . 1246

19.1 19.2 19.3

. . . . 1216 . . . . 1218 . . . . 1224

Grundlagen der chemischen Sinne . . . 1248 Geschmack . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1248 Geruchssinn und trigeminaler chemischer Sinn . . . . . . . . . . . . . . . 1250

20

Integrative Leistungen des Zentralnervensystems . . . . . . . 1252

. . . . 1229

20.1

Allgemeine Physiologie und funktionelle Anatomie der Großhirnrinde . . . . . . . . . . . . . . 1254 Integrative Funktionen durch corticale und subcorticale Interaktionen . . . . . . 1259

. . . . 1230 20.2

18

Auditorisches System . . . . . . . . . . 1236

18.1 18.2 18.3

Physiologische Akustik . . . . . . . . . . . 1238 Gehörgang und Mittelohr . . . . . . . . . 1241 Innenohr . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1241

Sachverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1265

Medizinische Psychologie und Soziologie M. Schön

1

Entstehung und Verlauf von Krankheiten – 2

2

Ärztliches Handeln

3

Förderung und Erhalt von Gesundheit – 98

– 68

3

1 Entstehung und Verlauf von Krankheiten Mind Map Im Folgenden, weitaus größten Kapitel der medizinischen Psychologie und Soziologie, werden Bezugssysteme von Gesundheit und Krankheit und eine Vorstellung verschiedener Gesundheitsund Krankheitsmodelle erklärt. Die Modelle und Bezugssysteme sind im ärztlichen Alltag äußerst wichtig, um Aktionen und Reaktionen des Patienten zu verstehen und entsprechend zu reagieren. Weiterhin wird der wichtige Teil der methodischen Grundlagen wissenschaftlichen Arbeitens und ihrer praktischen Relevanz von Hypothesenbildung und Operationalisierung über Untersuchungskriterien und -planung und Methoden der Datengewinnung sowie Datenauswertung und -inter-

pretation hin zur Ergebnisbewertung behandelt. Schließlich werden noch theoretische Grundlagen zu Entstehung und Verlauf von Krankheiten behandelt: Nach der Schilderung biologischer Grundlagen psychischer Phänomene folgt eine ausführliche Darstellung verschiedener Theorien des Lernens, der Bereiche Kognition, Emotion und Motivation sowie Modelle und Theorien zu den Konstrukten Persönlichkeit und Verhaltensstile. In zwei weiteren Unterkapiteln wird die psychische Entwicklung über den Lebenslauf, von der Kindheit bis zum Senium, geschildert, und abschließend werden soziodemografische und sozialstrukturelle Determinanten des Lebenslaufs betrachtet.

1

Med. Psychologie/ Soziologie

4

Kapitel 1 · Entstehung und Verlauf von Krankheiten

1.1

Bezugssysteme von Gesundheit und Krankheit

1.1.1 Begriffsklärungen Betrachtungsweisen von Gesundheit und Krankheit: Dichotomie. Es gilt: entweder nur »gesund« oder

nur »krank«. Kontinuum. Extrempole »gesund« und »krank« mit zahlreichen Abstufungen dazwischen (diese Betrachtungsweise erscheint logischer).

Normen zur Beurteilung von Gesundheit und Krankheit Es werden folgende Normen zur Beurteilung unterschieden: 4 Biologische und physiologische Normen bestimmen, was biologisch/physiologisch »normal« ist (z. B. Blutdruck, Cholesterinspiegel). Abweichungen gelten als »pathologisch«. 4 Soziale Normen sind Verhaltensregeln in einem Sozialsystem. Sie sind schicht- und kulturspezifisch, besitzen unterschiedliche Verbindlichkeitsgrade und werden durch Sozialisation erlernt. 4 Statistische Norm beschreibt den Ist-Wert: »normal« ist, was »durchschnittlich« ist. 4 Idealnorm bezeichnet einen durch Wünsche und Ideale gebildeten Soll-Wert zur Orientierung. 4 Funktionale Norm beschreibt die Funktionsfähigkeit bezüglich individueller Leistungsgrenzen. 4 Bezugsnorm stellt Normen einer Bezugsgruppe der Orientierung und Identifikation dar. 4 Rollennorm beinhaltet Anforderungen an den Träger einer Rolle. Als Fachbegriffe in Zusammenhang mit Gesundheit und Krankheit sind zu nennen: 4 Ätiologie: Krankheitsursache (Suche nach Kausalitäten). 4 Pathogenese: Krankheitsverlauf. Entstehung und Entwicklung einer Erkrankung (empirische Betrachtung, nicht kausal).

4 Risikofaktoren: Umstände, die eine bestimmte Erkrankung begünstigen (aber nicht zwingend zum Krankheitsausbruch führen müssen). 4 Protektive Faktoren: »Schutzfaktoren«; diese können Belastungen abfangen und helfen, trotz vorhandener Risikofaktoren nicht zu erkranken. 4 Resilienz: Widerstandsfähigkeit, Belastungskapazität. Wenn Personen trotz Einfluss zahlreicher Risikofaktoren nicht erkranken, sind sie sehr resilient. Die Resilienz kann trainiert und gestärkt werden. 4 Chronifizierung: Übergang von der vorübergehenden zur dauerhaften Präsenz eines Symptoms oder einer Erkrankung. 4 Rezidiv: Wiederauftreten einer Krankheit nach Abheilung. 4 Rehabilitation: »Wieder-Fähig-Machen«; 7 Kap. 3.2.3.

1.1.2 Die betroffene Person Subjektives Empfinden und Erleben (health and illness) Das subjektive Empfinden und Erleben wird mit folgenden Begriffen beschrieben: 4 Wohlbefinden: Ein Zustand subjektiver Gesundheit und Freiheit, der durch äußere und innere Faktoren bestimmt wird. 4 Handlungsvermögen: Fähigkeit und Leistungsvermögen. 4 Beschwerden: Defizit in Wohlbefinden und Handlungsvermögen. 4 Symptom: Krankheitsanzeichen. 4 Symptomaufmerksamkeit: Menschen unterscheiden sich hinsichtlich ihrer Symptomwahrnehmung bzw. ihrer Symptomtoleranz. Man spricht von mangelhafter sowie erhöhter Symptomaufmerksamkeit. 5 Mangelhafte Symptomaufmerksamkeit: Zahlreiche Beschwerden liegen vor, werden jedoch nicht beachtet (hohe Symptomtoleranz). Die Gründe hierfür können sehr vielfältig sein. Depressive Patienten neigen z. B. dazu, Symptome nur mäßig wahrzunehmen.

5 1.1 · Bezugssysteme von Gesundheit und Krankheit

5 Erhöhte Symptomaufmerksamkeit: Körperlichen Prozessen wird in erhöhtem Maß Aufmerksamkeit gewidmet und kleinste Veränderungen werden ängstlich registriert (niedrige Symptomtoleranz). Eine erhöhte Symptomaufmerksamkeit findet sich bei der Hypochondrie. KLINIK Bei der Somatisierungsstörung finden sich körperliche Symptome ohne (ausreichende) organische Ursache. Es werden v.a. psychosoziale Faktoren als Ursache diskutiert. Eine besonders gravierende Form ist die Schmerzstörung, bei welcher die Patienten oft jahrelang unter chronischen Schmerzen leiden, für welche es keine Ursache zu geben scheint.

1

1.1.3 Die Medizin als Wissens-

und Handlungssystem Medizinische Befunderhebung und Diagnose (health and disease) Zur medizinischen Befunderhebung und Diagnose gehören: 4 Anamnese: Vorgeschichte der Erkrankung. 4 Exploration: Befragung. 4 Verhaltensbeobachtung. 4 Körperliche Untersuchung: Diese erfolgt visuell, akustisch (Perkussion) und taktil (Palpation) sowie mittels verbaler Kommunikation (»Sprechstunde«). 4 Medizinisch-diagnostische Verfahren: z. B. Laboruntersuchungen oder Reflexprüfung. KLINIK

Um Beschwerden Aufmerksamkeit widmen zu können, bedarf es der Körperwahrnehmung: 4 Interozeption: Innenwahrnehmung. 5 Propriozeption: Wahrnehmung des Bewegungsapparats. 5 Viszerozeption: Organwahrnehmung. 5 Nozizeption: Schmerzwahrnehmung (ist besonders ausgeprägt). 4 Exterozeption: Man kann den eigenen Körper auch »von außen« wahrnehmen (Körperteile betrachten bzw. sich im Spiegel anschauen, sich hören, riechen, schmecken). Zur Bewertung der subjektiven Gesundheit beurteilt die Person Informationen aus den verschiedenen Kanälen der Innen- und Außenwahrnehmung sowie ihre eigene Handlungsfähigkeit. Gesundheitsbezogene Lebensqualität ist ein mehrdimensionales Konstrukt und bezieht sich auf physisches, psychisches und soziales Wohlbefinden sowie Handlungsvermögen von Patienten. Menschen haben unterschiedliche subjektive Vorstellungen von Gesundheit und Krankheit (implizite Krankheitstheorien). Diese können sehr von wissenschaftlichen Theorien abweichen. Emotionale und kognitive Einflüsse spielen eine große Rolle bei der Beurteilung von Wohlbefinden, subjektiver Gesundheit und Krankheit.

Bildgebende Verfahren gewinnen in der medizinischen Diagnostik zunehmend an Bedeutung. Nach der Entwicklung der Röntgentechnik um 1900 ergaben sich neue Möglichkeiten mittels Hirnstromanalysen in den 1930er und Ultraschallbildern in den späten 1960er Jahren. Der Fortschritt geht stetig voran: Heutzutage erlauben Verfahren wie Magnetresonanztomographie (MRT), Computertomographie (CT) und Positronenemissionstomographie (PET) strukturelle bzw. funktionelle Analysen.

Klassifikationssysteme für psychische und somatische Krankheiten (7 Kap. 2.3.2) Instrumente der kategorialen Diagnostik prüfen das Vorliegen einer Erkrankung (qualitative Diagnostik). Bei der dimensionalen (quantitativen) Diagnostik hingegen wird u.U. in einem zweiten Schritt die Stärke der Ausprägung der Krankheit geprüft.

Merke Klassifikationssysteme dienen der kategorialen Diagnostik.

International Statistical Classification of Diseases (ICD); WHO

1893 wurde eine Nomenklatur für Todesursachen von Jacques Bertillon im Auftrag des Internationa-

Med. Psychologie/ Soziologie

6

Kapitel 1 · Entstehung und Verlauf von Krankheiten

len Statistischen Instituts eingeführt. Sie wurde von der Weltgesundheitsorganisation WHO 1948 um Krankheiten und Verletzungen erweitert und mittlerweile vielfach überarbeitet. Derzeit liegt die zehnte Revision (ICD-10) vor. ICD-11 ist nicht in Planung, vielmehr soll nun ICD-10 jährlich von der WHO aktualisiert werden. Es werden insgesamt über 2500 somatische und psychische Krankheiten definiert, aufgeteilt in 21 Kategorien. Dieses System wird in Deutschland in der ärztlichen Praxis verwendet, da Deutschland Mitglied der WHO ist. Diagnostisches und Statistisches Manual Psychischer Störungen (DSM); APA

Mitte des 19. Jh. wurden in Amerika erste Klassifikationen für Schwachsinn/Wahnsinn eingeführt, an welchen nach dem Zweiten Weltkrieg durch die Veteranenverbände und die US-Armee weitergearbeitet wurde. 1952 übernahm die American Psychiatric Association (APA) die weitere Ausarbeitung. Das DSM hat ebenfalls mehrere Aktualisierungen durchlaufen. Seit 2000 liegt die derzeit aktuellste Fassung, DSM-IV-TR (Text-Revision des Vorgängers DSMIV) vor, DSM-V ist in Planung. Das DSM besitzt größere Bedeutung in der psychologischen Forschung als das ICD. Konvergenz und Divergenz von subjektivem Befinden und medizinischem Befund

Befinden beschreibt eine subjektive Erlebnisgröße. Befund beschreibt objektive Daten.

Merke Ein positiver Befund (entspricht der Erhebung eines Krankheitsbefundes) und ein positives Befinden laufen in entgegengesetzte Richtungen!

. Abbildung 1.1 zeigt ein Vier-Felder-Schema von

Befund und Befinden. Im Folgenden werden die Inhalte der einzelnen Felder erläutert. Vier-Felder-Tafel von Befund und Befinden: 4 Feld A: Trotz subjektivem Wohlbefinden werden bei einer Routineuntersuchung Normabweichungen festgestellt. Beispiele: Bluthochdruck, Diabetes mellitus, schmerzfreie Verläufe von Krebserkrankungen. Kranke Gesunde.

Befund + – Befinden

+

A

B

–

C

D

. Abb. 1.1. Vier-Felder-Tafel von Befund und Befinden (Erklärungen im Text)

4 Feld B: Subjektives Wohlbefinden, keine Befunde: Im besten Falle ist der »Patient« tatsächlich gesund (zu beachten sind: Vortäuschung des Wohlbefindens, Schmerzunempfindlichkeit des Patienten, Insuffizienz der diagnostischen Methoden). 4 Feld C: Der Patient berichtet Beschwerden, der Arzt findet pathologische Befunde. Der Zusammenhang ist nicht so eindeutig, wie es scheint: Bei Rückenschmerzpatienten zeigen Röntgenuntersuchungen passende Befunde, es gibt jedoch viele Menschen mit denselben Befunden, aber ohne Beschwerden. Das Zusammenpassen von Befund und Befinden erleichtert jedoch Kommunikation und Zusammenarbeit mit dem Patienten. 4 Feld D: Jemand fühlt sich unwohl, es kann jedoch kein Befund erbracht werden (häufig bei der Somatisierungsstörung, v.a. bei Schmerzpatienten). Der Arzt darf den Patienten nicht als Simulanten behandeln. Auch bei der Hypochondrie handelt es sich um eine Erkrankung (Abweichung von ärztlichem Befund und subjektivem Befinden ist hier ein wichtiges Diagnosekriterium). Gesunde Kranke.

1.1.4 Die Gesellschaft Da der Mensch Teil einer Gesellschaft ist, ergibt sich auch eine soziale Sichtweise auf die Aspekte Gesundheit und Krankheit.

Erfüllung bzw. Abweichung von sozialen Normen und Rollen (health and sickness) In diesem Zusammenhang spielen folgende Begriffe eine Rolle: 4 Normen: Verhaltenserwartungen (7 Kap. 1.1.1). Normen regeln das Zusammenleben und stehen in Zusammenhang mit sozialen Rollen.

7 1.1 · Bezugssysteme von Gesundheit und Krankheit

4 Position: Stellung einer Person in einem sozialen Bezugssystem. 4 Soziale Rolle: Gesamtheit von Verhaltenserwartungen an Inhaber bestimmter sozialer Positionen. 4 Rollendifferenzierung: Unterschiedliche soziale Positionen ergeben sich durch die Aufgabenspezialisierung. 4 Rollensektor: Teil einer Rolle; Erwartungsbündel einzelner Bezugsgruppen an eine Rolle. Patienten haben z. B. andere Erwartungen an den Arzt als das Klinikpersonal. 4 Rollenschöpfung: Übernahme von Rollen in einer neu gebildeten Gruppe. 4 Formelle Rollen: Positionsspezifische, genau festgelegte Erwartungen an den Rollenträger, z. B. »Arztrolle«. 4 Informelle Rollen: Variable Verhaltensmuster bzw. -erwartungen, z. B. »Vaterrolle«. 4 Erworbene Rollen: Der Erwerb erfolgt durch Ausbildung, Befähigung, Sozialisation; richtet sich nach dem Leistungsprinzip. Beispiele sind bestimmter Beruf, Schülersprecher. 4 Zugeschriebene Rollen: Charakteristische Rollenmerkmale sind nicht vom Individuum beeinflussbar, z. B. Geschlechtsrolle. 4 Rollendistanz: Abstand zwischen dem Selbst des Individuums und der ausgeübten Rolle. Sie ist eine wichtige Voraussetzung für die Veränderung von Rollenmustern (Beispiel: Emanzipation). 4 Rollenidentifikation: Ausmaß der Akzeptanz und der Bejahung der Rolle. 4 Interrollenkonflikt: Konflikt zwischen Verhaltenserwartungen bezüglich verschiedener Rollen ein und derselben Person. So erwartet z. B. der Klinikleiter von der Ärztin, sie soll Überstunden machen (Arztrolle), ihre Familie hingegen wünscht sich, mehr Zeit mit ihr zu verbringen (Mutterrolle). 4 Intrarollenkonflikt: Konflikt zwischen unvereinbaren Erwartungen einer Rolle. So erwartet z. B. der Arzt von einem Patienten Mithilfe und Selbstständigkeit, das Klinikpersonal hingegen fordert, er solle sich in den Klinikalltag einfügen.

1

Rollenkonformität (Verhalten gemäß der Rolle) wird mittels Sanktionierung geregelt: 4 Positive Sanktionen: Belohnungen (Lob, Zustimmung, etc.; auch innere Belohnung durch das Gefühl der Befriedigung). 4 Negative Sanktionen: Strafen (Äußerungen von Missbilligung, Entzug von Befriedigungsmöglichkeiten, etc.). (Rollen-) Normabweichendes Verhalten wird Devianz genannt; dabei gilt: die Primäre Devianz bezeichnet die Normabweichung an sich, das »AndersSein«. Unter Sekundärer Devianz versteht man, dass die Reaktionen der Umwelt das abweichende Verhalten verstärken.

Rechtliche Regelungen des Gesundheitsund Sozialsystems 4 Krankschreibung: Attestierung des Arzts zur rechtswirksamen Befreiung von Arbeit, Prüfungen oder Gerichtsterminen. 4 Berufsunfähigkeit: Patient kann seinem ursprünglich ausgeübten Beruf aus gesundheitlichen Gründen nicht mehr nachgehen; andere berufliche Möglichkeiten stehen jedoch zur Verfügung. Bescheinigt wird sie von dafür vorgesehenen Institutionen oder entsprechenden Versorgungsämtern. 4 Erwerbsunfähigkeit: Dem Patienten stehen durch Erkrankung keine beruflichen Möglichkeiten mehr zur Verfügung. 4 Invalidität: Eine dauernde Beeinträchtigung der körperlichen oder geistigen Leistungsfähigkeit aufgrund eines Unfalls. Der Invaliditätsgrad wird entsprechend einer Gliedertaxe bestimmt. 4 Berentung: Altersrente, vorzeitige Altersrente unter bestimmten Voraussetzungen, Rente wegen teilweiser Erwerbsminderung, Rente wegen voller Erwerbsminderung, Rente wegen Todes (Witwen- und Waisenrenten). 4 Pflegestufen (7 Kap. 3.2.3)

Soziokulturelle Bewertung von Gesundheit und Krankheit Gesundheit wird als Normalfall betrachtet, Krankheit des Einzelnen bedeutet auch für die Gesellschaft Einbußen.

Med. Psychologie/ Soziologie

8

Kapitel 1 · Entstehung und Verlauf von Krankheiten

Diskriminierung psychisch Kranker. Besonders psy-

chisch Kranke haben mit Stigmatisierung zu rechnen. Psychische Erkrankungen werden wegen der mit ihnen assoziierten Persönlichkeitsveränderung stark negativ bewertet. Ferner verlaufen psychische Erkrankungen häufig chronisch, was gesellschaftlich als langfristiger »Funktionsausfall« gesehen wird. In totalitären gesellschaftlichen Systemen werden solche Etikettierungen noch verstärkt, da die gesellschaftliche Funktionalität des Einzelnen hier von noch größerer Bedeutung ist.

1.2

Gesundheits- und Krankheitsmodelle

1.2.1 Verhaltensmodelle Lerntheoretische und kognitionstheoretische Grundlagen Mit »Lerntheorie« (auch: »Behaviorismus«) sind die Lernprinzipien der klassischen (respondentes Lernen) und operanten Konditionierung (Lernen am Erfolg) gemeint (Lerntheoretische Prinzipien Kap. 1.4.2). Im »klassischen« Behaviorismus wurden zunächst innere mentale Prozesse nicht berücksichtigt, da man sich um objektive wissenschaftliche Empirie bemühte (mentale Prozesse schienen sich der empirischen Beobachtung zu entziehen). Später wurde die

Theorie um kognitive Konzepte erweitert (kognitive Lerntheorie).

Verhaltensanalytisches Genesemodell (7 Kap. 2.2.2) Mittels 5 Bedingungsgrößen sollen viele menschliche Verhaltensweisen und auch -störungen erklärt werden können: 4 S: Stimuli: auslösende Reize, spezifische auslösende Situationen. 4 O: Organismusvariablen: körperliche Variablen (angeborene Dispositionen, biologische Besonderheiten, Vorschädigungen). 4 R: Reaktionen: Formen des jetzt gezeigten Verhaltens. 4 K: Konsequenzen: Output-Variablen. Konsequenzen wirken als Verstärker und zeigen Rückwirkungen auf das Verhalten. 4 C: Contingenzen: Diese geben Auskunft über den Zusammenhang zwischen R und K (zeitliche Nähe und Stärke des Zusammenhangs). Aufrechterhalten wird ein Verhalten R in der Regel durch sofortige, intensive Verstärkung oder Strafreize. Nachfolgende andere Konsequenzen spielen hierbei eine modifizierende Rolle. . Tabelle 1.1. verdeutlicht das S-O-R-K-C-Modell an einem Beispiel.

Verhaltensmedizinische Ansätze KLINIK Beispiel der Konditionierung bei Chemotherapie: Häufige Nebenwirkungen der Chemotherapie sind Übelkeit und Erbrechen. Da die Medikamenteneinnahme für den Patienten stets an bestimmte räumliche Bedingungen gekoppelt ist, kommt es zu einer klassisch konditionierten Reaktion: Nach mehreren Wiederholungen kann bereits der Weg zur Therapiestation Übelkeit und Erbrechen auslösen. Manchmal reicht hier auch schon eine einmalige Kopplung: Lebensmittel- und andere Unverträglichkeiten nehmen den seltenen Fall ein, bei welchem eine einzige schlechte Erfahrung häufig für eine stabile klassisch konditionierte Reaktion ausreichen kann.

Verhaltensmedizin ist ein interdisziplinäres Forschungs- und Anwendungsfeld, in dem die Beziehungen zwischen Störungen (Krankheiten), Verhalten und Umwelt untersucht und experimentalpsychologisch gewonnene Forschungsergebnisse der Lernpsychologie auf medizinische Vorgehensweisen angewandt werden. Ein ärztliches Handlungsziel wird also mit verhaltensmodifikatorischen Mitteln erreicht. Beispiel: Biofeedback (7 Kap. 2.4.3).

Verhaltensgenetik Die Verhaltensgenetik befasst sich mit individuellen Verhaltensunterschieden, die z.T. auf unterschiedliche genetische Veranlagungen zurückzuführen sind. Dabei beschreibt der Genotyp die genetische Ausstattung und der Phänotyp das gezeigte Erscheinungsbild, hier also das Verhalten (hängt auch von Umgebungsfaktoren ab).

9 1.2 · Gesundheits- und Krankheitsmodelle

1

. Tab. 1.1. Das S-O-R-K-C-Modell am Beispiel von Phobie und Vermeidung S

Gefürchtete Situation, z. B. bevorstehende Prüfung

O

Übererregbarkeit, Nervosität

R

Angstreaktionen, die schließlich zur Vermeidung führen (der Prüfling meldet sich wieder ab)

K

Erleichterungsgefühl (positive Konsequenz, K+) Nichterreichen des Studien/Berufsziels (negative Konsequenz, K-)

C

Zeitliche Nähe und Stärke zwischen R und K: Die sofortige massive Erleichterung durch die Vermeidung wirkt als negative Verstärkung (Entfernung eines unangenehmen Stimulus, 7 Kap. 1.4.2) und stärkt somit die Verbindung zwischen dem Auftreten der Angstgefühle und der daraufhin gezeigten Vermeidungsreaktion. Die später eintretenden, mehr oder weniger emotional besetzten Konsequenzen (Nichterreichen des Studien-/Berufsziels) können jedoch modifizierend wirken

Merke Psychische Störungen sind immer Störungen des Phänotyps, daher sollte man nie von einer direkten Vererbung von psychischen Störungsbildern (z. B. Schizophrenie oder Angststörung) sprechen. Der Genotyp kann vererbt werden; die Manifestation der Störung im Phänotyp hängt von Bedingungsfaktoren ab.

In der verhaltensgenetischen Forschung kommen v a. Familien- (Vergleich von Familienmitgliedern) und Zwillingsstudien (Vergleich von eineiigen [monozygoten, MZ] und zweieiigen [dizygoten, DZ] Zwillingen) zum Einsatz. Die so gewonnenen Daten sind nicht immer leicht zu interpretieren, denn Einflüsse von Erziehung und Modell-Lernen spielen ebenfalls eine Rolle. Daher sind die Untersuchungen getrennt aufgewachsener Zwillinge und Adoptionsstudien sehr geeignet, aber selten. Hier ist es möglich, einen gewissen Prozentsatz des genetischen Hintergrundes vor unterschiedlichen Umgebungsfaktoren zu untersuchen.

1.2.2 Biopsychologische Modelle Biologische Modelle verstehen Krankheit als durch Veränderungen von Organismen entstehende Störung der Homöostase. Da bei jeder Erkrankung (bei der Entstehung sowie bei den Folgen) psychische und soziale Faktoren hinzukommen, geht man heute von einem bio-psycho-sozialen Krankheitsmodell aus.

Subliminale Wahrnehmungsprozesse und Krankheit Subliminale Reize liegen unterhalb der Schwelle bewusster Wahrnehmung. Dennoch können sie unbewusst vom Organismus aufgenommen und weiterverarbeitet werden, wie in vielen Experimenten nachgewiesen wurde. Sie können für Entstehung bzw. Aufrechterhaltung von Krankheit mitverantwortlich sein.

Emotion, Stress und Krankheit Hier spielen folgende Begriffe eine Rolle: 4 Stressoren: Stressoren stellen eine breite Klasse von inneren und äußeren Reizen dar. Jeder Reiz von hoher Intensität, irritierender Neuartigkeit und (tatsächlicher oder gefürchteter) Bedrohlichkeit kann Stressor-Qualität annehmen. 4 Stressreaktion: Körperliche Antwort auf Stressoren. Stress führt im Allg. zu einer verstärkten Sympathikusaktivierung, Adrenalinausschüttung, Herzfrequenz- und Blutdruckerhöhung; im EEG zeigt sich Desynchronisation. 4 Eustress: Positiv; ein gewisses Maß an Stress kann anregend sein (z. B. berufliche Herausforderung). 4 Distress: Negativ; zermürbender (Dauer-)Stress kann zu psychosomatischen Störungen führen.

Merke Es ist individuell sehr verschieden und hängt von den jeweiligen Verarbeitungsmöglichkeiten ab, ob Stress krank macht und wenn ja, welche Erkrankungen daraus resultieren.

Med. Psychologie/ Soziologie

10

Kapitel 1 · Entstehung und Verlauf von Krankheiten

Stressmodelle Das allgemeine Adaptationssyndrom (nach Selye) wird mit folgenden Stadien beschrieben: 4 Alarmstadium: Kräfte werden mobilisiert: kurzfristiger Blutdruckabfall, Tachykardie, Hypoglykämie (Schockphase). Wenig später: verstärkte ACTH-Ausschüttung, Sekretionssteigerung der Nebennierenhormone, v.a. Cortison (Gegenschockphase). 4 Widerstandsstadium: Die mobilisierten Kräfte werden eingesetzt. Pathogenetisch bedeutsam ist die zeitliche Dauer der Stressbelastung. Höhere Sympathikusaktivität und weitere Steigerung der Hormonproduktion der Nebennierenrinde (NNR). Es kommt zur Hypertrophie des steroiden Adrenalgewebes der Nebennieren. 4 Erschöpfungsstadium: Die ständige Cortisolausschüttung hat zur Immunsuppression geführt. Die Bedingungen für funktionelle Fehlsteuerungen und Krankheitsentwicklung sind gegeben. Durch dauerhafte Sympathikusaktivierung kann es z. B. zu einem erhöhten Herz-Kreislauf-Risiko kommen. Beim Stress-Diathese-Modell bedeutet: 4 Diathese: Individuelle Stress-Anfälligkeit (StressVulnerabilität). Diese Anfälligkeit hat angeborene und erworbene Anteile. Ob ein Individuum durch Stressoren belastet wird, hängt vom jeweiligen Vulnerabilitätsgrad ab. Im Modell der Homöostase-Allostase gelten folgende Begriffe: 4 Homöostase: Gleichgewicht des inneren Milieus (physiologisch, psychologisch, sozial). Stress kann als ein Zustand definiert werden, bei dem das Gleichgewicht des Organismus gefährdet ist. 4 Allostase: In diesem Zusammenhang bezeichnet dies die Fähigkeit, das innere Milieu trotz äußerer Einflüsse konstant zu halten. Die hierfür notwendigen Anpassungsmechanismen sind dabei z.T. angeborene zerebrale Regelkreise, z.T. aber auch erworbene und sich ständig verändernde Reaktionsmuster. Dem Psychoneuroendokrinen Stressmodell nach Henry zufolge wird ein Stressor im frontotempora-

len Cortex verarbeitet. Anschließend kommt es zu einer emotionalen Bewertung: 4 Bewertung als Furcht: Die Weiterverarbeitung findet v.a. in den basalen Amygdalakernen statt. Als Verhalten folgt Flucht. Hormonell dominiert eine Adrenalinausschüttung, der Anstieg von Noradrenalin und Cortisol ist geringer. 4 Bewertung als Ärger: Weiterverarbeitung vorwiegend in den zentralen Kernen des Corpus amygdalae. Das resultierende Verhalten ist Kampf/Anstrengung und geht mit einer starken kardiovaskulären Reaktion (Herzfrequenz- und Blutdruckanstieg) einher. Endokrinologisch dominiert ein Noradrenalinanstieg. Auch der Testosteronspiegel steigt, der Cortisolspiegel jedoch bleibt unverändert. 4 Bewertung als Depression: Weiterverarbeitung vornehmlich im Hippocampus. Resultat ist ein Verhalten von Kontrollverlust/Unterordnung. Endokrinologisch dominiert die Cortisolausschüttung, ferner kommt es zu einem Testosteronabfall. Im Fehlregulationsmodell nach Schwartz kann Folgendes ausschlaggebend für Krankheiten sein: 4 Außergewöhnlicher Stress aus der Umwelt; 4 Katastrophen (Krieg, Naturkatastrophen); 4 persönliche Stressoren (Scheidung, Arbeitsverlust, familiärer Todesfall, Erkrankung,etc.); 4 Hintergrundstressoren (Wohngegend, familiäre Auseinandersetzungen, schwache Schulleistungen, etc.); 4 idiosynkratische Körperreaktionen auf Stress (z. B. erhöhte Magensäureproduktion, erhöhter Blutdruck, etc.); 4 Rückmeldemechanismen (Homöostase) funktionieren nicht richtig. Folgen: z. B. erhöhter Blutdruck oder erhöhte Magensäure werden nicht richtig herabreguliert. Im Coping-Modell von Lazarus und Launier wird Stressverarbeitung als Stufenprozess gesehen: 4 Primäre Bewertung (primary appraisal): Erste Bewertung eines Reizes als bedrohlich/belastend, günstig/positiv oder neutral/irrelevant. 4 Sekundäre Bewertung (secondary appraisal): Bewertung der eigenen Handlungsfähigkeit.

11 1.2 · Gesundheits- und Krankheitsmodelle

4 Einsatz einer Bewältigungsstrategie (Coping): 5 Informationssuche (z. B. weitere Ärzte zu Rate ziehen, im Internet recherchieren); 5 Direkte Aktionen (z. B. Verhaltensänderungen, Aufsuchen von Leidensgenossen); 5 Aktionshemmung (z. B. emotionaler und sozialer Rückzug, Einstellung von Arbeit und Freizeitunternehmungen); 5 Intrapsychische und kognitive Prozesse (z. B. Herunterspielen von Symptomen, aber auch Überbewertung derselben). 4 Neubewertung (reappraisal) der Situation unter Einbezug eigener Fähigkeiten. In diesem Modell beginnt Stress mit der Antizipation einer Gefährdung oder Bedrohung des Selbst. Die Arten der Stressbewältigung (Coping) stehen im Vordergrund. Im Zentrum stehen kognitive und emotionale Prozesse.

Aktivations- und Bewusstseinszustände Aktivations- und Bewusstseinszustände variieren von hellem Bewusstsein mit hoher Aufmerksamkeit über zahlreiche Abstufungen von Bewusstseinseinschränkungen (z. B. Rausch, Einschlafstadium, Traum) hin zu Bewusstlosigkeit im Tiefschlaf und im Koma. Indikatoren der Aktivation sind: 4 EEG-Desynchronisation (Einsetzen von Betawellen und Alpha-Blockade), 4 Erhöhung von Herz- und Atemfrequenz, 4 Blutdrucksteigerung, 4 periphere Vasokonstriktion, 4 Erhöhung der Sympathikusaktivität (Pupillenerweiterung!), 4 erhöhte Hautleitfähigkeit (elektrodermale Aktivität), 4 Gefühl psychischer Anspannung, 4 Konzentrationserhöhung, 4 Verkürzung der Reaktionszeit, 4 vermehrte Ausschüttung von Katecholaminen, 4 erhöhte Ausscheidung von ACTH (adrenocorticotropes Hormon), 4 Tonuserhöhung der Skelettmuskulatur, 4 Reizschwellenerniedrigung. Das Yerkes-Dodson-Gesetz besagt, dass zwischen Aktivation und Leistung ein umgekehrt U-förmiger

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Leistung

Aktivation . Abb. 1.2. Yerkes-Dodson-Gesetz. Umgekehrt U-förmiger Zusammenhang zwischen Aktivation und Leistung

Zusammenhang besteht (. Abb. 1.2.), d. h., dass es für ein Leistungsoptimum ein mittleres ideales Aktivationsniveau gibt; Über- bzw. Unteraktivierung ist für die Leistung eher ungünstig. Je schwieriger eine Aufgabe, desto niedriger das Aktivationsoptimum (und umgekehrt). Orientierungs- und Defensivreaktion sowie die Prozesse Habituation und Dishabituation sind spezielle Formen der Aktivierung: 4 Orientierungsreaktion (OR) meint den Spezialfall einer in mehreren Funktionsbereichen ablaufenden (unspezifischen) Aktivierung, ausgelöst durch eine Veränderung im Reizumfeld des Individuums. Zu den Komponenten des Verhaltensmusters einer OR gehören: Aufmerksamkeitshinwendung, Hautleitfähigkeitserhöhung, Absinken der Herzfrequenz durch erhötes Volumenangebot wegen Vasokonstriktion der peripheren Blutgefäße (Schaffung einer »Reserve«). Weiterhin gehören dazu Vasodilatation der zerebralen, pulmonalen und koronaren Gefäße, Desynchronisation im EEG (Einsetzen von Betawellen, Alphablockade), P300-Komponente (s. u.) im evozierten Potential. Die OR wurde erstmals von Pawlow beobachtet und als »Wasist-das?«-Reflex bezeichnet. Die Funktion wird interpretiert als universelle Vorkehrung gegen das Ignorieren möglicherweise biologisch bedeutsamer Umweltreize. 4 Habituation: Wiederkehrende, durch keine neue Information ausgezeichnete Reize werden nicht mehr mit einer OR beantwortet, das Bewusstsein blendet sie aus. Eine Änderung in der Reizinformation löst wiederum eine OR aus. 4 Dishabituation bezeichnet die Zunahme einer – infolge der Habituation schon abgeklungenen – Reaktion durch Zwischenschalten eines

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Kapitel 1 · Entstehung und Verlauf von Krankheiten

Fremdreizes, wobei sich der Begriff »Dishabituation« auf die wieder angestiegene Reaktion auf den Standardreiz bezieht, nicht auf den Fremdreiz. 4 Defensivreaktion (DR) ist eine Verteidigungsreaktion. Sie wird primär ausgelöst durch sehr intensive sensorische Reize oder durch Reize mit noxischen bzw. aversiven Qualitäten. Physiologische Komponenten: Anstieg von Puls und Blutdruck und des Herzzeitvolumens (bei vielen Patienten zu beobachten, wenn der Arzt z. B. zum Blutabnehmen kommt), Hautleitfähigkeitsanstieg und Vasokonstriktion der Kopfgefäße. Die DR zeigt nur geringe oder keine Habituation (ein Aufschaukeln der Reaktionsamplituden kann sogar zu Panik führen). Im Gegensatz zur OR kommt es zu einem unmittelbaren Abbruch des Reizkontakts bei gleichzeitiger Anbahnung von Abwehrmaßnahmen.

Merke Der Ausprägungsgrad und die Habituationsresistenz der OR sind dann groß, wenn der Auslöser von vornherein biologisch bedeutsame Hinweise für Instinktverhalten liefert (z. B. das Piepsen einer Maus für eine Katze) oder der Reiz ein durch Erfahrung gelerntes psychologisch bedeutsames Signal darstellt (z. B. der Zuruf »Achtung!«).

Schlaf. . Tabelle 1.2. gibt eine Übersicht über die verschiedenen Schlafstadien und daran beteiligte biologische Prozesse.

Diese Phasen werden in ungefähr 90-minütigen Durchgängen pro Nacht bis zu 5-mal durchlaufen. Hierbei sind in den ersten ein bis zwei Durchgängen alle Phasen wie in . Tab. 1.2. dargestellt vertreten. Danach verkürzen sich die ersten Phasen zugunsten des REM-Schlafs (Traumschlaf). Die Stadien 1 bis 4 werden auch Non-REM- oder NREM-Schlaf genannt. Schlafdauer und REM-Schlafphase nehmen im Alter ab.

Merke Während des Tiefschlafs kann auch geträumt werden.

Für Schlafentzug gilt: 4 Nach langem Schlafentzug wird in der ersten Nacht Tiefschlaf nachgeholt, REM-Schlaf wird erst in der zweiten Nacht nachgeholt. 4 EEG-Veränderungen: Rückgang von Alphawellen, Zunahme von Theta- und Deltawellen. Erhöhung der Wahrnehmungsschwellen. Wahrnehmungsstörungen (Doppelbilder). 4 Depressive Reaktionstendenzen. Der Schlaf-Wach-Rhythmus ist ein zirkadianer Rhythmus: Tägliche Schwankungen (circa = etwa; dies = Tag) von biologischen Funktionen, z. B. der Körpertemperatur. Der Schlaf-Wach-Rhythmus wird zudem (so wie vermutlich auch andere zirkadiane Rhythmen) durch äußere Faktoren (Licht, soziale Kontakte) gesteuert. Fallen diese Impulsgeber weg, so verlängert sich der Schlaf-Wach-Rhythmus auf 25 h.

. Tab. 1.2. Schlafstadien und beteiligte biologische Prozesse Stadium 1 (Einschlafstadium)

Alphawellen nehmen ab, Thetawellen treten auf, abnehmender Muskeltonus; Beginn des Schlafs, wenn Alphawellen verschwunden sind.

Stadium 2 (leichter Schlaf )

Thetawellen, weitere Frequenzabnahme bis zu Deltawellen, dazwischen Schlafspindeln und K-Komplexe.

Stadium 3 (mittlerer Schlaf )

Übergang zu Deltawellen, keine K-Komplexe und keine Schlafspindeln mehr (Slow-wavesleep).

Stadium 4 (Tiefschlaf )

Vorwiegend Deltawellen (Slow-wave-sleep).

Stadium 5 (»Traumschlaf«)

EEG-Muster wie in Stadium 1, rasche Augenbewegungen, vollständige Atonie der Muskulatur – lediglich Myoklonien (Muskelzuckungen), große Variabilität der Herz- und Atemfrequenz, Erektion. Dieses Stadium wird auch paradoxer Schlaf genannt, weil das EEG relativ »wach« (Stadium 1) und die Muskulatur extrem entspannt ist (Stadium 4).

13 1.2 · Gesundheits- und Krankheitsmodelle

Die menschliche Tagesperiodik wird von zentralen Systemen gesteuert. Ein zentraler Schrittmacher für zirkadiane Rhythmik liegt im Nucleus suprachiasmaticus des Hypothalamus. Die Chronobiologie menschlichen Leistungsvermögens zeichnet sich durch folgende Merkmale aus: 4 Unmittelbare Gedächtnisfunktionen korrelieren mit der Körpertemperatur. Das Leistungsmaximum liegt am Morgen, am Abend besteht nur minimale Leistungsfähigkeit, danach steigt die Leistung bis 23.00 Uhr an. Je schwieriger die Gedächtnisaufgabe, desto mehr verschiebt sich die Leistungsfähigkeit in die Tagesmitte. 4 Das Leistungsmaximum für Rechenaufgaben liegt zwischen 12.00 und 13.00 Uhr. 4 Das Leistungsmaximum für sprachlich-logische Denkaufgaben liegt zwischen 14.00 und 15.00 Uhr. 4 Das Leistungsmaximum für einfache akustische Reaktionszeitaufgaben liegt gegen 3.00 Uhr morgens, das Leistungsminimum bei 15.00 Uhr. 4 Die Kurve der Daueraufmerksamkeit (= Vigilanz) verläuft entgegengesetzt der Kurve für einfache Reaktionszeitaufgaben.

Psychophysiologische, -endokrinologische und immunologische Zusammenhänge Psychophysiologische Modelle beleuchten Zusammenhänge zwischen physiologischen Reaktionen des menschlichen Organismus einerseits und Verhalten sowie subjektivem Erleben andererseits (zur Erfassung psychophysiologischer Prozesse 7 Kap. 1.3.5). Die physiologischen Reaktionen können abhängen von: 4 den Situationsbedingungen (Situationsstereotypie), 4 individuellen konstanten Merkmalen (Reaktionsstereotypie). Entsprechend unterscheidet man bei den Reaktionen an sich: 4 Stimulusspezifische/reizspezifische Reaktion: Bestimmte Reize können bestimmte Reaktionen hervorrufen. 4 Individualspezifische Reaktion: Personen reagieren in unterschiedlichen Situationen mit für

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sie typischen physiologischen und vegetativen Veränderungen. Psychoendokrinologische Modelle fokussieren Zusammenhänge zwischen hormonellen Vorgängen auf der einen und Verhalten sowie subjektivem Erleben auf der anderen Seite. Biologische Rhythmen und Schlaf gehören zu den wichtigsten Reglern der Hormonproduktion. Das Immunsystem hat die Aufgabe, körperfremde, schädigende Stoffe zu erkennen und abzuwehren. Man unterteilt hierbei die spezifische und die unspezifische Immunabwehr (GK Physiologie, 7 Kap. 2). Es gibt eine Reihe angeborener oder erworbener Schädigungen des Immunsystems.

Merke Ein immunoneuroendokrines Netzwerk wird postuliert; die Aktivität des Netzwerks soll durch Reize auf unterschiedlichen Ebenen verändert werden können.

Gehirn und Verhalten: Elektro-Enzephalogramm In der Psychophysiologie, der Neuromedizin, aber auch in anderen psychologischen und medizinischen Bereichen spielen EEG-Messungen eine große Rolle. Hierzu werden nach einem bestimmten Schema Elektroden auf der Schädeldecke der zu untersuchenden Person angebracht und so die elektrische Aktivität des Gehirns abgeleitet. Man unterscheidet grundsätzlich zwei Arten messbarer Hirnaktiviät: 4 Spontan-EEG: Ableitung eines elektrischen »Grundmusters« tonischer Prozesse, das sich in Form über einen längeren Zeitraum kontinuierlich vorhandener Wellenbänder (Alpha-, Beta-, Theta- und Deltawellen) darstellt. 4 Evozierte Potenziale (auch ereigniskorrelierte Potenziale [EKP], event-related potentials [ERP]). Veränderungen der hirnelektrischen Aktivität, welche in einem zeitlichen Zusammenhang zu einem Ereignis (einem Reiz) stehen. EKPs lassen sich ausgehend vom auslösenden Ereignis hinsichtlich Latenz, Amplitude und Richtung beschreiben. Potenzial meint die nicht konstante Verschiebung von Ladungsverhältnis-

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Kapitel 1 · Entstehung und Verlauf von Krankheiten

sen in einer komplexen Wellenform. EKPs werden unterteilt in: 5 Sensorisch evozierte Potenziale: Diese folgen zeitlich unmittelbar auf einen sensorischen Reiz. Man unterscheidet: – Exogene Komponente oder primäres Potenzial: Maximale Latenz nach dem Reiz von 50–100 ms. Diese Komponente ist relativ unabhängig von psychologischen Variablen, bildet die Verarbeitung der physikalischen Reizeigenschaften ab, und ist auch im Schlaf ableitbar. – Endogene Komponente oder sekundäres Potenzial: Latenz von mehr als 100 ms. Diese Komponente bildet von psychologischen Variablen beeinflusste kognitive Prozesse ab. Am bekanntesten ist die P300-Komponente, die zwischen 250 und 600 ms nach dem Reiz auftritt und u. a. das unerwartete Eintreten von Reizen abbildet. 5 Motorisch evozierte Potenziale: Diese sind vor und während der Ausführung einer Willkürbewegung ableitbar. Der als »Bereitschaftspotenzial« bekannte Potenzialdrift im motorischen Potenzial ist eine Form der unten genannten langsamen Potenzialverschiebung. 5 Erlebenskorrelierte Potenziale: Diese sind an die »Bedeutung« eines Reizes für den Organismus gebunden. Die Interpretationen hierzu sind z. T. uneinheitlich. 5 Langsame Potenzialverschiebungen bzw. langsame Hirnpotenziale: Diese treten meist als Vorbereitung auf eine motorische Reaktion oder auf Informationsverarbeitung auf. Am bekanntesten ist die Contingente Negative Variation (CNV), die nach einem Signalreiz und vor einem zweiten Reiz nachweisbar ist und die Antizipation dieses imperativen Reizes abbildet. Neuropsychobiologische Grundlagen von Gehirn und Verhalten 7 Kap. 1.4.1. Informationsverarbeitungs- und Aufmerksamkeitsprozesse 7 Kap. 1.4.3.

Schmerz Als Schmerz bezeichnet man ein unangenehmes Erlebnis, das mit einer aktuellen oder potenziellen Gewebeschädigung verbunden ist, wobei jedoch das Ausmaß von subjektiven Schmerzen unabhängig vom messbaren Grad und Ausmaß der Schädigung ist. Menschen unterscheiden sich erheblich in Schmerzanfälligkeit, Schmerzempfindlichkeit und dem Verhältnis zwischen Ursache und Empfindung des Schmerzes. Ferner können Schmerzen vorübergehend nicht registriert werden, z. B. bei nachhaltiger Ablenkung (immer mit dem Patienten sprechen) oder Konkurrieren des Schmerzes mit Vermeidungssituationen. Es werden folgende Begriffe verwendet: 4 Algesie: Schmerzempfindung. 4 Analgesie: Aufhebung der Schmerzempfindung. 4 Algesimetrie: Messung der Schmerzempfindung. 4 Wahrnehmungsschwelle: Schwelle, ab welcher ein Reiz wahrgenommen wird. 4 Schmerzschwelle: Schwelle, ab welcher ein bewusst wahrgenommener Reiz als schmerzhaft wahrgenommen wird. 4 Interventionsschwelle: Ab hier unternimmt der Patient erste Schritte zur Schmerzlinderung (Ruhigstellung, Medikamente, Arztkontakt). 4 Erträglichkeitsschwelle: Diese spielt bei chronischen Schmerzpatienten eine Rolle. Eine Adaptation an Schmerzreize ist nicht möglich, Schmerzen können aber gelindert und somit erträglich gemacht werden. 4 Toleranzschwelle: Die maximale Intensität an Schmerz, die ein Mensch aushalten kann. Bei Überschreitung sind Verlust der Selbstkontrolle; Schock und Koma möglich. 4 Phantomschmerzen: Lokalisierung von Schmerzen in einem nicht mehr vorhandenen Körperglied. Erklärung: Reorganisation sensorischer Kortexareale. 4 Chronische Schmerzen: Schmerzen, die länger als 6 Monate anhalten. Psychologische Kennzeichen: anwachsende Unsicherheit und Angst, auf Dauer schädigende Inaktivität sowie depressive Symptome. 4 Schmerzgedächtnis: Schmerzen verblassen im Gedächtnis ebenso wie andere (negative) Erlebnisse. Traumatisierende Ereignisse und Schmer-

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zen können jedoch intensiv erinnert werden. Hinzu kommen (unbewusste) Erinnerungsverzerrungen. 4 Gate-Control-Modell: Dieses Modell besitzt derzeit den größten Erklärungswert für die Schmerzkontrolle; ein Modulationsmechanismus im Rückenmark soll durch afferente und efferente Impulse die Auslösung von Schmerz kontrollieren. Das Tor (gate) soll sich in den Hinterhornneuronen des Rückenmarks befinden. Efferente (vom Gehirn abwärts gerichtete) Impulse sind in der Lage, das Tor auf spinaler Ebene für afferente (zum Hirn aufsteigende) Impulse zu schließen.

Merke Die Schmerzempfindlichkeit wird reduziert durch die Hoffnung auf Heilung, aber auch durch die Minderung der Vigilanz und zunehmendes Alter. Sie steigt bei Depressionen sowie sozialer Isolation.

Die Schmerzkomponenten sind: 4 affektive Komponente: unlustbetonte Emotion; 4 kognitiv-bewertende Komponente: Beurteilung des Schmerzerlebens, z. B. als »nicht lebensbedrohlich«; 4 motorische Komponente: z. B. Fluchtreaktion; 4 sensorische Komponente: Aktivität von Nozizeptoren (Rezeptoren der Schmerzwahrnehmung); 4 vegetative Komponente: z. B. Erweiterung der Hautgefäße, Erhöhung der Herzfrequenz und Blutdruckanstieg.

1.2.3 Psychodynamische Modelle Das Modell basiert auf der Theorie der Psychoanalyse von Sigmund Freud und sieht unbewusste Konflikte für die Entstehung von Krankheit ursächlich. Psychoanalytische Therapie 7 Kap. 2.4.3.

Das topografische Modell der Persönlichkeit Freud gliedert die menschliche Persönlichkeit in drei Teile:

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4 Das Bewusste: Alle augenblicklichen Wahrnehmungen und Gedanken, alles bewusste Erleben. 4 Das Vorbewusste: Erinnerungen und Wissensinhalte, die zwar nicht unmittelbar bewusst sind, aber jederzeit ins Bewusstsein gebracht werden können. 4 Das Unbewusste: Dieser Teil ist dem Bewusstsein nicht zugänglich. Hier verbleiben verdrängte Traumata und nicht erlaubte Triebwünsche. Wegen der damit verbundenen Angst besteht ein heftiger Widerstand gegen die Erinnerung. Verdrängt heißt nicht vergessen: Nach Freud haben verdrängte Inhalte nachhaltigen Einfluss auf das Verhalten des Menschen!

Das Drei-Instanzen-Modell und die Triebtheorie Die Psyche besteht nach Freud aus den Teilen Es, Ich und Über-Ich. Es. Das Es besteht von Geburt an, liefert die gesamte

Energie für das psychische Geschehen und besteht aus den grundlegenden Bedürfnissen nach Nahrung, Wasser, Ausscheidung, Wärme, Zuwendung und Sexualität. Freud glaubte, dass die Es-Energie physiologischen Ursprungs sei und sich später irgendwie in psychische Energie umwandle. Innerhalb des Es unterschied Freud zwei grundlegende Triebe: 4 Eros: Lebensintegrierende Kraft von grundsätzlich sexueller Natur; dazugehörige Energie: Libido. 4 Thanatos: Todestrieb. Dieser spielt bei Freud eine untergeordnete Rolle. Das Es sucht unmittelbare Befriedigung und folgt dem Lustprinzip. Durch Ausbleib von Befriedigung entsteht Spannung, die durch Reflexaktivität beseitigt werden soll (z. B. hungriger Säugling: Such- und Saugbewegungen). Primärprozess: Nach Befriedigung drängende Trieb- oder Instinktansprüche. Ich. Das Ich entwickelt sich aus dem Es in der 2. Hälf-

te des 1. Lebensjahres (bezieht seine komplette Energie aus dem Es). Das Ich versucht, die vom Es unmittelbar verlangte Triebbefriedigung im Sekundärprozess aufzuschieben (planen und entscheiden; regulatorische Vorgänge des Ich).

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Kapitel 1 · Entstehung und Verlauf von Krankheiten

Ich muss zwischen Es und Realität vermitteln und folgt dem Realitätsprinzip. Über-Ich. Das Über-Ich ist Träger der moralischen Normen der Gesellschaft (»Gewissen«); es entwickelt sich mit dem Ödipuskomplex (s. u.).

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Merke Menschliches Verhalten wird in der Psychoanalyse als komplexes Wechselspiel dieser drei Systeme gesehen. Dieses Wechselspiel nennt man Psychodynamik der Persönlichkeit. Das Es verfügt zu jedem Zeitpunkt über einen gleich bleibenden Energiebetrag, jede der anderen zwei Instanzen ist bemüht, sich ihren Anteil daran zu sichern.

Die Angstabwehrmechanismen Durch die Konfliktdynamik zwischen Es, Ich und Über-Ich entsteht unvermeidbar immer wieder Angst. Das Ich wehrt sich (unbewusst) gegen Angst durch die sog. Angstabwehrmechanismen (auch Immunsystem der Psyche bezeichnet): 4 Identifikation: Das Gegenstück zur Projektion. Objekte oder Anteile von Objekten (Personen oder Gegenständen) werden introjiziert. Häufig handelt es sich dabei um Angst auslösende Vorbilder; durch »Identifikation mit dem Aggressor« wird die Angst abgewehrt, das Selbstwertgefühl erhöht. 4 Introjektion: Einverleibung äußerer Werte in die Ich-Struktur, sodass diese nicht mehr als äußere Bedrohung erlebt werden. 4 Kompensation: Eine Schwäche wird verhüllt durch die Überbetonung eines erwünschten Charakterzugs. Frustration auf einem Gebiet wird durch übermäßige Befriedigung auf einem anderen ausgeglichen. 4 Konversion: Umwandlung eines psychischen Konflikts in ein körperliches Symptom. 4 Projektion: Vorhandene unbewusste Eigenschaften und Wünsche werden auf andere Personen übertragen. Eine Patientin kann z. B. ihre nicht eingestandenen Wünsche nach Zuwendung auf den Arzt übertragen und glauben, er sei in sie verliebt. 4 Rationalisierung: Vernunftgründe werden für die Erklärung des eigenen Verhaltens heran-

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gezogen. Dieses wird so verstandesmäßig begründet und vor sich und anderen gerechtfertigt. Reaktionsbildung: Nicht akzeptable, bedrohliche Wünsche und Motive werden vermieden, indem sie durch ihr Gegenteil ersetzt werden (z. B. statt Ausleben sexueller Triebe Entscheidung für das Zölibat). Reversion (Verkehrung ins Gegenteil): Angst auslösende Reize werden ins Gegenteil verzerrt (z. B. Darstellung des Angst auslösenden Vaters als mickriges Männchen in der Kinderzeichnung). Spaltung (Isolierung): Abtrennung emotionaler Komponenten von Verhalten, Gedanken und Erinnerungen, sodass ihre Verbindung mit der restlichen Existenz des Subjekts unterbrochen scheint. Scheinbare Teilnahmslosigkeit. Sublimierung: Befriedigung nicht akzeptabler Bedürfnisse durch Ausweichen auf gesellschaftlich akzeptierte oder gar hoch bewertete Wünsche. Ungeschehenmachen: Sühne für belastende Wünsche oder Handlungen, um diese damit »aufzuheben«. Verdrängung: Verhinderung des Eindringens unerwünschter Impulse, Gedanken und Erinnerungen ins Bewusstsein. Verleugnung: Schutz vor Bedrohlichem durch Verweigerung der Kenntnisnahme. Verschiebung: Ein Bedürfnis, das an einem Objekt nicht befriedigt werden kann, wird auf ein anderes verschoben. Für gewöhnlich handelt es sich um feindselige Gefühle gegenüber Angst auslösenden Objekten. Wendung gegen das Selbst: Aggressive Triebimpulse werden gegen das Selbst gerichtet.

Auch die Regression (s. u.) wird zu den Abwehrmechanismen gezählt.

Prüfungsfallstricke Die Angstabwehrmechanismen werden sehr gerne geprüft! Zum besseren Verständnis und zur Erhöhung der Gedächtnisleistung empfiehlt es sich, selbst einige Beispiele aus dem Alltag zu finden.

17 1.2 · Gesundheits- und Krankheitsmodelle

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Stadien der psychosexuellen Entwicklung

Charaktertypen nach Freud

Freud postulierte vier regelhaft aufeinander folgende psychosexuelle Phasen. In jeder dieser Phasen ist ein anderer Körperteil für sexuelle Reizung besonders empfänglich. 1. Orale Phase: 1. Lebensjahr. Der Säugling bezieht die größtmögliche Lustbefriedigung seiner Triebimpulse aus der Erregung der sensorischen Nervenendigungen des Mundes. 2. Anale Phase: 2. Lebensjahr. Die Lustempfindung konzentriert sich nun auf den Anus und das Abgeben und Zurückhalten von Ausscheidungen. 3. Phallische Phase: 3. bis 6. Lebensjahr. Größte Befriedigung wird durch Stimulation der Genitalien erlangt. In dieser Phase durchläuft das Kind die bedeutsamste Entwicklungskrise. Aufgrund von sexuellem Verlangen nach dem gegengeschlechtlichen Elternteil fürchtet es Bestrafung durch den gleichgeschlechtlichen Elternteil. Dieser Konflikt wird ins Unbewusste verdrängt. Freud nannte diesen Konflikt beim Jungen Ödipuskomplex, beim Mädchen Elektrakomplex. Schließlich kommt es zur Identifikation mit dem gleichgeschlechtlichen Elternteil und durch die Übernahme gesellschaftlicher Normen bildet sich das Über-Ich aus. Latenzphase: 7. bis 11. Lebensjahr. Gilt nicht als psychosexuelle Phase. Die Es-Impulse sind in dieser Zeit weniger stark und spielen keine unmittelbare Rolle für die Verhaltensmotivation. Folge: Das Kind verhält sich asexuell. 4. Genitale Phase: Ab dem 12. bis zum 20. Lebensjahr. Vorherrschen heterosexueller Interessen.

Freud unterschied folgende Charaktertypen: 4 Oraler Charakter: Fixierung oder Regression auf die orale Phase. Charakterzüge: unselbstständig, selbstbezogen, passiv-abhängig, fordernd, empfindlich. Übermäßiger Nahrungsgenuss, Rauchen und Drogenmissbrauch als orale Ersatzbefriedigung. Assoziierte psychische Störungen: Schizophrenie, Depression. 4 Analer Charakter: Fixierung oder Regression auf die anale Phase. Charakterzüge: reinlich, pedantisch, zwanghaft, geizig, eigensinnig, trotzig. Assoziierte psychische Störungen: Zwänge. 4 Phallischer Charakter: Fixierung oder Regression auf die phallische Phase. Charakterzüge: aggressiv, verwegen, entschlossen, übersteigertes Selbstwertgefühl, Impulsivität, Konkurrenzdenken. Assoziierte psychische Störungen: Phobie, Hysterie. 4 Genitaler Charakter: Ideale neurosenfreie Persönlichkeit.

In jeder Phase hat der Heranwachsende Konflikte zwischen Triebimpulsen des Es und Ansprüchen der Umwelt zu lösen. Durch Nichtbewältigen einer Phase kann es zu Fixierung oder später Regression kommen: 4 Fixierung: Ein Einfrieren auf einer Stufe der psychosexuellen Entwicklung. 4 Regression: Ein nur unbefriedigend gelöster Konflikt einer Entwicklungsphase kann später wieder aufleben und zu einer Regression auf diese Phase führen (frühe Verhaltensmuster werden wiederbelebt).

Merke Krankheit im psychoanalytischen Sinn hat nicht nur negative Seiten für das Individuum, sie bringt (versteckte) Gewinne mit sich.

(Versteckte) Gewinne für einen Kranken sind: 4 Primärer Krankheitsgewinn: Verringerung der seelischen (Konflikt-)Spannung durch die Krankheit selbst. 4 Sekundärer Krankheitsgewinn: Entlastungen und Gratifikationen aufgrund der Krankheit: Schonung, Entbindung von Arbeit, Pflege, Rücksichtnahme, Krankengeld, etc.

Psychoanalytisches Entwicklungsmodell nach Erikson Im Gegensatz zu Freud sieht Erikson menschliche Entwicklung als einen lebenslangen Prozess, der sich in 8 Phasen vollzieht: 1. Urvertrauen vs. Urmisstrauen: 1. Lebensjahr. Entsprechend den Umweltbedingungen lernt das Kind, seiner Umgebung zu vertrauen oder zu misstrauen (entspricht der oralen Phase nach Freud).

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Kapitel 1 · Entstehung und Verlauf von Krankheiten

2. Autonomie vs. Scham und Zweifel: 2. bis 3. Le-

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bensjahr. Durch die Möglichkeit, die Umwelt unabhängig zu erforschen, kommt es zur Autonomie. Bei übermäßiger Kritik oder Unterdrückung der kindlichen Neugier kommt es zu Scham und Zweifel (entspricht der analen Phase nach Freud). Initiative vs. Schuldgefühle: 4. bis 5. Lebensjahr. Abhängig von Erziehungs- und Umweltbedingungen entsteht Initiative oder Schuldgefühl (entspricht der phallischen Phase nach Freud). Leistung vs. Minderwertigkeit: 6. bis 11. Lebensjahr. Von Bedeutung sind nun auch Schule und Gleichaltrige. Bei Unterdrückung der Aktivitäten kommt es zu Minderwertigkeitsgefühlen (entspricht der Latenzzeit von Freud). Identität vs. Rollendiffusion: 12. bis 18. Lebensjahr. Der Jugendliche entwickelt seine eigene Identität, seine eigenen Ziele oder es entwickeln sich negative Weltbilder mit Rollendiffusion, z. B. Drogenabhängigkeit oder Kriminalität bei Jugendlichen (nach Freud beginnt hier die genitale Phase). Intimität vs. Isolation: Junges Erwachsenenalter. Es entstehen emotionale, sexuelle oder moralische Bindungen an andere Personen oder aber Isolation und Einsamkeit. Zeugende Fähigkeit vs. Stagnation: Mittleres Erwachsenenalter. Familie, Beruf und gesellschaftliche Interessen können im Mittelpunkt stehen oder es kommt zu Stagnation. Ich-Integrität vs. Verzweiflung: Alter. Entweder beschließt der alte Mensch sein Leben mit Zufriedenheit und positiver Rückschau oder er reagiert mit Verzweiflung, da er seine Ziele im Leben nicht erreichen konnte.

1.2.4 Sozialpsychologische Modelle Psychosoziale Einflüsse auf Gesundheit und Krankheit werden von sozialen Rollen und Normen (7 Kap. 1.1.4) sowie von Einstellungen ausgeübt. Einstellungen nennt man Bewertungen, kognitive Systeme. Sie prägen eine bestimmte Haltung und beeinflussen das Verhalten (dieses wird jedoch nicht nur von Einstellungen, sondern auch von konkreten Situationen und Gefühlen bestimmt).

Einstellungen werden durch Erfahrung und/ oder Sozialisation von Kindheit an erworben und können zu selektiver Wahrnehmung (7 Kap. 1.4.3) führen, was v.a. für die Bildung von Stereotypen Bedeutung hat. Stereotype sind vorgefasste, generalisierte und vereinfachte Einstellungen zu Angehörigen einer bestimmten Gruppe (Heterostereotype) oder der eigenen Gruppe (Autostereotype). Die selektive Wahrnehmung nur »passender« Reize, was zudem bei stereotypisierten Person erwartungskonformes Verhalten auslösen kann, hält stereotype aufrecht (Self-fulfilling Prophecy). Einstellungen sind jedoch nicht starr, sie werden durch neue Erfahrungen laufend verändert.

Die »Kognitive Dissonanz-Theorie« von Festinger »Kognitive Dissonanz« meint einen spannungsreichen, unangenehmen Zustand, der dadurch entsteht, dass widersprüchliche Erfahrungen bzw. Einstellung bezüglich desselben Gegenstandes bestehen. Nach Festinger streben wir danach, Erfahrungen und Einstellungen miteinander in Übereinstimmung zu bringen, indem wir Einstellungen fallen lassen, abwandeln oder neue Einstellungen erwerben (Dissonanzreduktion) (z. B. Raucher, der an den Onkel denkt, der trotz einer Schachtel Zigaretten täglich 90 Jahre alt geworden ist bzw. an den Nichtraucher mit Lungenkrebs).

Actor-Observer-Ansatz Akteur und Beobachter sehen unterschiedliche Ursachen für gezeigtes Verhalten. Dies kommt daher, dass wenn wir eine Person handeln sehen, für uns in diesem Moment die Person salient (hervorstechend) ist. Wenn wir selbst handeln, sehen wir jedoch in unserer Umwelt mögliche Handlungsauslöser. Es kommt zu einer Actor-Observer-Verzerrung: Beobachter schreiben den Personenmerkmalen des Handelnden die Ursache für die Handlung zu, die Akteure selbst dagegen den situativen Einflüssen. Je besser man sich in andere hineinversetzen kann, desto besser ist man vor solchen Verzerrungen (als Beobachter und somit auch als Arzt!) geschützt.

Psychische Risiko- und Schutzfaktoren Kontrollattributionen sind Ursachenzuschreibungen. Sehe ich z. B. mich selbst für meine Handlungen

19 1.2 · Gesundheits- und Krankheitsmodelle

1

. Tab. 1.3. Mögliche Kontrollattributionen in einer mündlichen Prüfung

Situation: Student kann eine Prüfungsfrage nicht beantworten. Internale Attribution

Externale Attribution

Stabil

Variabel

Stabil

Variabel

Generell (global)

Ich bin total unfähig.

Dieses Fach habe ich zu schlecht vorbereitet.

Alle mündlichen Prüfungen sind ungerecht.

Dieser Prüfer prüft immer sehr hinterhältig.

Speziell (spezifisch)

Für dieses Fach bin ich zu blöd.

Dass ich diese eine Frage nicht wusste, war nur ein Ausrutscher.

Dieses Fach eignet sich nicht für mündliche Prüfungen.

Der Prüfer hätte diese Frage anders stellen müssen.

verantwortlich oder wird mein Leben vom Schicksal gesteuert? Wohin attribuiere ich die Kontrolle? Dabei gibt es folgende Möglichkeiten: 4 Internal: Die Person sieht sich selbst für ihr Handeln, ihre Erfolge und Misserfolge verantwortlich; 4 External: »Mächtige andere« oder das Schicksal (Fatalismus) werden für eigene Zielerreichungen verantwortlich gemacht. 4 Stabil: Ursachenzuschreibung ist nicht veränderlich. 4 Variabel: Ursachenzuschreibung hängt von der jeweiligen Situation ab und ist veränderbar. 4 Generell/global: Ursachenzuschreibung besitzt Allgemeingültigkeit. 4 Speziell/spezifisch: Ursachenzuschreibung bezieht sich auf einen konkreten Fall. Ein Beispiel für Kontrollattributionen findet sich in . Tabelle 1.3.

Merke Ob Kontrollattributionen Risiko- oder Schutzfaktoren darstellen, hängt von ihrer Ausprägung ab. Eine internale Attribution ist für Gesundheitsverhalten günstiger als eine externale (Kann ich selbst Krankheit verhindern oder ist es Schicksal, wenn ich krank werde?).

Die Selbstwirksamkeitserwartung ist die Überzeugung, selbst wirkungsvoll handeln zu können (sich etwas zutrauen). Ein hohe Selbstwirksamkeitserwartung erweist sich als gesundheitserhaltend. Ein psychischer Schutzfaktor ist ferner Optimismus. Optimisten gelingt es, über eine bessere Grundgesundheit zu verfügen, indem sie

4 Ereignisse und Misserfolge external, glückliche Ereignisse und Erfolge internal attribuieren und 4 Probleme als Herausforderungen interpretieren.

Soziale Risiko- und Schutzfaktoren Soziale Risikofaktoren sind: 4 Soziale Isolation kann Ursache sowie Folge einer Krankheit/Störung sein (Teufelskreis Depression). 4 Rollenverlust: z. B. Arbeitslosigkeit; Folgen sind z. B. Depressionen, Substanzmissbrauch. Soziale Schutzfaktoren sind: 4 Sozialer Rückhalt, Soziale Unterstützung (social support): Fremdhilfen (emotionaler oder behavioraler Art), die durch die soziale Umwelt zugänglich sind. Soziale Unterstützung ist einer der bedeutendsten Schutzfaktoren! Sie soll nicht nur helfen, den Krankheitsverlauf günstig zu beeinflussen, sondern schon präventiv den Ausbruch einer Erkrankung verhindern, indem sie als eine Art »Puffer« gegen Stress fungiert (Pufferhypothese). 4 Soziale Anerkennung: Wertschätzung durch die soziale Umwelt.

1.2.5 Soziologische Modelle Soziologische Modelle beziehen sich auf gesellschaftliche Faktoren und Strukturen, die u. a. auch den Umgang mit Gesundheit und Krankheit beeinflussen.

Einflüsse der gesellschaftlichen Opportunitätsstruktur Soziale Schichtung betrifft: 4 Bildungsschichten (Einteilung nach Ausbildungsabschluss),

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20

Kapitel 1 · Entstehung und Verlauf von Krankheiten

4 Einkommensschichten (Einteilung nach dem Einkommen), 4 Berufsschichten (Einteilung nach dem Berufsprestige). Soziale Netzwerke sind: 4 Modelle der ambulanten und stationären Versorgung, aber auch 4 Vereinsleben als typisch deutsches psychosoziales Netzwerk, 4 vernetzte Selbsthilfegruppen. Für den Arbeitsmarkt gilt: Erwerbspersonen führen eine auf Erwerb ausgerichtete Tätigkeit aus oder suchen sie. Man unterteilt sie weiter in Erwerbstätige (Personen, die in einem Arbeitsverhältnis stehen) und Erwerbslose (Personen ohne Arbeitsverhältnis, die sich um eine Arbeitsstelle bemühen). Arbeitslose sind Erwerbslose, die dem Bundesagentur für Arbeit gemeldet sind. Nichterwerbspersonen sind Personen, welche keine auf Erwerb ausgerichtete Tätigkeit ausüben oder suchen. KLINIK Mit zunehmender berufsbiografischer Belastung steigt das Herzinfarktrisiko nachweisbar; besonders gefährdet sind u. a. Arbeiter, da sie die ungünstigsten Blutfettwerte aufweisen. Mögliche Belastungsfaktoren am Arbeitsplatz, die in bestimmten Bevölkerungsgruppen gehäuft auftreten: Umwelteinflüsse (Hitze, Kälte, Staub), Arbeitszeitregelungen (Schicht- und Akkordarbeit).

Als Zusammenhänge von Status und gesundheitsbezogenem Verhalten gelten: 4 Arbeiter gehen seltener zu Krebsfrüherkennungsuntersuchungen als Angestellte; 4 Sozial schwache Schichten nehmen Schwangerschaftsvorsorge und Krankheitsfrüherkennungen seltener in Anspruch; 4 Arbeiter besitzen ein höheres Risiko der Frühinvalidität als Angestellte; 4 Allergische und atopische Erkrankungen kommen überwiegend in Bevölkerungsgruppen mit gehobenem Status vor.

Psychische Erkrankungen und Sozialstatus

Je niedriger der Status ist, desto höher fällt die Prävalenz psychischer Erkrankungen aus. Es gibt dafür zwei konträre Erklärungsansätze: 4 Milieuthese: Ursache von psychischen Erkrankungen liegt in den größeren Belastungen in der Unterschicht; 4 Drift- oder Selektionshypothese: Menschen mit psychischen Erkrankungen steigen verstärkt aufgrund der Erkrankung sozial ab (Abwärtsmobilität). Für das Bildungswesen gilt: 4 Je höher das Bildungsniveau der Eltern ist, desto besser sind die Bildungschancen für Kinder. 4 Je höher die Schulbildung ist, desto größer ist die Chance, eine qualifizierte Berufsposition zu erreichen. 4 Erwachsene ohne Abitur weisen eine kürzere Lebenserwartung auf als Erwachsene mit Abitur. 4 Erwachsene mit Haupt- oder Realschulabschluss erleiden häufiger einen Herzinfarkt als Erwachsene mit Abitur. 4 Hauptschüler leiden häufiger an Kopfschmerzen als Gymnasiasten. 4 Kinder von Eltern mit niedriger Schulbildung haben ungesündere Zähne als Kinder von Eltern mit höherer Schulbildung. 4 Die Zahngesundheit ist im internationalen Vergleich bei Menschen mit höherer Schulbildung besser als bei Menschen mit niedriger Schulbildung. 4 Menschen mit höherer Bildung und höherem Status verfügen über ein größeres Maß an sozialer Unterstützung.

Einflüsse ökonomischer und ökologischer Umweltfaktoren Es zeigen sich massive Unterschiede in der Lebenserwartung zwischen Industrie- und Entwicklungsländern. Die Lebenserwartung hängt stark vom Bruttoinlandsprodukt (BIP) ab. Eine geringere Einkommenspolarisierung (geringe »Arm-Reich-Schere«) in einem Land wirkt sich ebenfalls vergleichsweise günstig für die Lebenserwartung der Bevölkerung aus. Industrialisierung, Urbanisierung und Globalisierung bergen vielfältige Risikofaktoren für die Gesundheit des Einzelnen.

21 1.3 · Methodische Grundlagen

1.3

Methodische Grundlagen

1.3.1 Hypothesenbildung Theorie- und Konstruktbildung Als Theorie gilt die umfassende Bezeichnung für Aussagen über Erkenntnisse auf sehr breiter Basis, die in mehr oder weniger engen Zusammenhang mit Beobachtungen stehen. Konstrukte sind abstrakte Begriffe/Denkmodelle, die für etwas stehen, was nicht direkt beschreibbar ist, dessen Vorhandensein jedoch aus Beobachtbarem geschlossen wird. Auch Krankheiten sind Konstrukte. Unter Operationalisierung (7 Kap. 1.3.2) versteht man den Versuch, Konstrukte in irgendeiner Form als Variable messbar zu machen. Hypothesen sind vorläufig durch Beobachtungen oder Überlegungen begründete Annahmen, die 4 nicht tautologisch (sich selbst erklärend), 4 widerspruchsfrei, 4 deren Geltungsbedingungen aufgezählt und die 4 falsifizierbar (widerlegbar) sein müssen. KLINIK In einer umfassenden Theorie über Gesundheitsverhalten ist u. a. »Compliance« ein Konstrukt, welches die Mitarbeitswilligkeit des Patienten beschreiben soll. Dieses Konstrukt wird z. B. mittels der tatsächlichen Einnahme einer vom Arzt empfohlenen Medikamentendosis und der gewissenhaften Wahrnehmung von Untersuchungsterminen operationalisiert. »Soziale Unterstützung« ist ebenfalls ein Konstrukt und meint in etwa das Ausmaß an tragfähigen Beziehungen und emotionalem Rückhalt sowie Hilfe durch Bezugspersonen. Soziale Unterstützung kann z. B. mittels entsprechender Fragen in einem Fragebogen operationalisiert werden. Eine Hypothese im Forschungsprozess zum Gesundheitsverhalten besagt, dass Patienten, welche in ihrem privaten Umfeld soziale Unterstützung erfahren, eine höhere Compliance zeigen als Patienten ohne soziale Unterstützung.

1

Ableitung der Fragestellung und Hypothesengenerierung Beim induktiven Vorgehen (von den Hypothesen zur Theorie) werden aus einzelnen Beobachtungen allgemeine Aussagen abgeleitet. Beobachtungen aus der Empirie führen zu weiteren Hypothesen, verifizierte Hypothesen letztendlich zur Theorie.

Merke Im o. g. Beispiel zum Zusammenhang zwischen Compliance und sozialer Unterstützung könnte als Nebenergebnis einer früheren Untersuchung herausgekommen sein, dass die Patienten mit höherer Compliance ein größeres soziales Umfeld hatten. Aus dieser Beobachtung wäre dann die erwähnte Hypothese abgeleitet worden.

Unter deduktivem Vorgehen (von der Theorie zu den Hypothesen) versteht mann, dass aus allgemeinen Aussagen Vorhersagen für einzelne Schritte abgeleitet werden.

Merke Im oberen Beispiel könnte die enge Verknüpfung zwischen Gesundheitsverhalten und sozialer Unterstützung bereits Bestandteil der Theorie sein; die Einzelhypothese zum Zusammenhang mit Compliance könnte aus dieser Theorie abgeleitet worden sein.

Hypothesen können verifiziert (belegt) oder falsifiziert (widerlegt) werden. Eine falsifizierte Hypothese muss verworfen oder zumindest modifiziert (und erneut geprüft) werden.

Unterschiedliche Hypothesenformen Bei Hypothesen unterscheidet man: 4 Nomologische oder deterministische Hypothesen gelten zeitlich und räumlich unbegrenzt. Beispiel: AIDS wird durch ein Virus übertragen, es handelt sich um absolute Tatsachenbehauptungen. 4 Probabilistische oder statistische Hypothesen enthalten Aussagen über Zusammenhänge, Korrelationen, Durchschnitte, mit denen die Gesamtheit von Ereignissen gekennzeichnet ist, die

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4

4 4

4

Kapitel 1 · Entstehung und Verlauf von Krankheiten

Einzelereignisse allerdings nicht vollständig determiniert sind. Sie haben eine geringere Aussagekraft als nomologische Hypothesen. Beispiel: Bewegungsmangel und Rauchen sind Risikofaktoren für Herz-Kreislauf-Erkrankungen. Unterschiedshypothesen: Beispiel: Raucher haben ein höheres Lungenkrebsrisiko als Nichtraucher. Prüfung mittels Häufigkeits- bzw. Mittelwertsvergleich. Zusammenhangshypothesen: Beispiel: Rauchen steht mit Schulbildung in Zusammenhang. Prüfung mittels Korrelationsrechnungen (7 Kap. 1.3.6). Nullhypothese (H0): Dabei handelt es sich um eine Aussage, die (entgegen des eigentlichen Forschungsgegenstandes) einen fehlenden Sachverhalt zwischen Zusammenhängen postuliert. Sie ist die Komplementärhypothese zur Alternativhypothese. Alternativhypothesen (H1) nennt man im Kontext einer statistischen Hypothesenprüfung formulierte wissenschaftliche Arbeitshypothesen. KLINIK In einer Therapiestudie soll die Wirksamkeit einer psychotherapeutischen Intervention geprüft werden. Untersucht werden zwei Patientengruppen, von denen die eine Gruppe die therapeutische Maßnahme erhielt, die andere Gruppe nicht. Nach Behandlung der einen Gruppe werden beide Patientengruppen noch einmal auf das Vorliegen ihrer psychischen Auffälligkeit geprüft. Die konservative Nullhypothese besagt: »Es gibt keinen Unterschied hinsichtlich psychischer Auffälligkeit zwischen der behandelten und der nichtbehandelten Patientengruppe.« Die Alternativhypothese besagt: »Es gibt einen Unterschied zwischen den beiden Gruppen«.

Prüfungsfallstricke Eselsbrücke: Nullhypothese = Null Unterschied

Fehler 1. und 2. Art α-Fehler (Fehler 1. Art): H0 wird verworfen, obwohl diese Hypothese richtig war. β-Fehler (Fehler 2. Art): H1 wird verworfen, obwohl diese Hypothese richtig war.

Es hat sich eingebürgert, Entscheidungen primär gegen den D-Fehler abzusichern, weil er schwerwiegender ist und nur er bestimmt werden kann. Es wird vor der statistischen Prüfung ein Fehlerniveau festgelegt, in der Regel 0,05, bei genaueren Prüfungen 0,01 oder gar 0,001. Das heißt man setzt voraus, dass aus den Berechnungen abgeleitete Entscheidungen zum Verwerfen von H0 eine Irrtumswahrscheinlichkeit von 5% bzw. 1% bzw. 0,1% beinhalten (7 Kap. 1.3.7, Abschnitt »Generalisierbarkeit«).

1.3.2 Operationalisierung Operationalisierung ist die Umsetzung theoretischer Behauptungen in Messmethoden. Bei der Operationalisierung werden Variablen zur Untersuchung von Konstrukten definiert. Variable in diesem Sinne sind Eigenschaftsbenennungen zu untersuchender Merkmale. Sie können verschiedene Ausprägungen und Ausprägungsarten (dichotom: z. B. männlich-weiblich; diskret, kontinuierlich) annehmen (Das Gegenteil einer Variablen ist eine Konstante, wie z. B. die Kreiszahl S).

Intelligenz als Konstrukt (»Intelligenzmodelle« 7 Kap. 1.4.3) Alfred Binet (1857–1911) entwickelte den ersten Intelligenztest, um analog zum körperlichen Entwicklungsgrad von Kindern auch ein Maß für die geistige Entwicklung zu haben. Stern verfolgte das Konzept weiter und entwickelte den Intelligenz-Quotienten, der sich damals wie folgt berechnete: IQ = (Intelligenzalter/Lebensalter)×100.

Merke Der heutige IQ geht auf Wechsler zurück (Wechsler-IQ). Da es sich hierbei um Abweichungen von Normwerten einer Referenzgruppe handelt, wird er auch Abweichungs-IQ genannt. Der Mittelwert des heute verwendeten IQs liegt bei 100 mit einer Standardabweichung von 15. Das bedeutet, dass Punktwerte zwischen 85 (100-15) und 115 (100+15) im Normalbereich liegen. Werte darunter bezeichnen unterdurchschnittliche, darüber überdurchschnittliche Intelligenz.

23 1.3 · Methodische Grundlagen

Operationalisierung sozialer Schicht Das soziologische Konstrukt »Soziale Schicht« spielt für zahlreiche Fragestellungen eine Rolle. Es wird weiter unterteilt und mittels der Parameter Einkommen, Bildungsstand bzw. Beruf operationalisiert (7 Kap. 1.2.5).

Skalierung und Indexbildung Skalierung bezeichnet die Anwendung eines Kanons von Regeln, nach denen Objekte oder Ereignisse je nach Ausprägung im interessierenden Merkmal bestimmte Symbole, im Allgemeinen Zahlen zugeordnet werden. Skalen sind Bezugssysteme für die Messung der Ausprägungen von Merkmalen, welche qualitativ (entweder-oder, z. B. Geschlecht) oder quantitativ (Abstufungen, z. B. IQ) sein können. 4 Rangordnung: Die Personen werden hinsichtlich eines Merkmals in eine Rangreihenfolge gebracht (»Person A ist schneller als Person B, diese wiederum ist schneller als Person C«, etc.). 4 Paarvergleich: Personen werden aufgefordert, jedes Item mit jedem anderen jeweils in Paarkombination zu vergleichen (»Mit welchem von zwei Brillengläsern sehen Sie besser? A oder B? A oder C?« etc.). 4 Rating-Skala: Qualitative Merkmale werden abgestuft und somit quantitativ erfassbar gemacht. Es wird z. B. nicht nur gefragt »Wie zufrieden sind Sie?: absolut unzufrieden vs. absolut zufrieden«, sondern den Polen werden Abstufungen zugeordnet (z. B. nummerisch: –3, –2, –1, 0, +1, +2, +3; verbal: »absolut unzufrieden – unzufrieden – eher unzufrieden – weder noch – eher zufrieden – zufrieden – absolut zufrieden«).

1

4 Likert-Skalen: Hier liegt die Methode der summierten Beurteilungen bei der Erfassung quantitativer Merkmale zugrunde. Personen sollen ihr Ausmaß an Zustimmung oder Ablehnung für mehrere Items jeweils anhand mehrstufiger Antwortvorgaben ausdrücken. Die einzelnen Items sind hierbei »Likert-skaliert« (z. B. Angstausprägung von 0 bis 10). Die Likertskalierung besitzt Intervallskalenniveau (s. u.). Der aus den Punktwerten aller Items errechnete Mittelwert wird als Kennwert für die zu beobachtende Einstellung betrachtet. 4 Polaritätsprofil (Semantisches Differenzial): Die semantische Bedeutung von Objekten wird anhand von Assoziationen mit Gegenstandspaaren gemessen (»Frauen sind: – hart vs. weich? – egoistisch vs. altruistisch? – dominant vs. dependent?«, etc.). Die einzelnen Antwortskalen sind dabei abgestuft (z. B. von 1 – »weich« bis 5 – »hart«) oder Likert-skaliert. Zum Schluss werden die angekreuzten Antwortalternativen verbunden und man erhält ein Profil für den untersuchten Gegenstand (hier: »Frauen«). Polaritätsprofile eignen sich sehr gut zur Erfassung von Stereotypen und Einstellungen. Ein weiteres Beispiel für ein Polaritätsprofil ist in . Abbildung 1.3. dargestellt. 4 Visuelle Analogskalen sind Likert-Skalen. Hierbei wird ein Kontinuum (in Form einer Linie) ohne Intervalle vorgegeben, die befragte Person muss ihren persönlichen Schätzwert auf dieser Linie zwischen Minimum und Maximum eintragen. Sie werden häufig zur Erfassung von Schmerzen eingesetzt mit den Polen »keine Schmerzen« bis »stärkste vorstellbare Schmerzen« (von 1 bis 10 oder von 1 bis 100). Bei wiederhol-

Wie beurteilen Sie Krankenhaus XY hinsichtlich … Image?

sehr gut 1 – 2 – 3 – 4 – 5 – 6 sehr schlecht

Technologischem Niveau?

sehr gut 1 – 2 – 3 – 4 – 5 – 6 sehr schlecht

Patientenbetreuung?

sehr gut 1 – 2 – 3 – 4 – 5 – 6 sehr schlecht

Ausbildung der Mitarbeiter?

sehr gut 1 – 2 – 3 – 4 – 5 – 6 sehr schlecht

Hygiene?

sehr gut 1 – 2 – 3 – 4 – 5 – 6 sehr schlecht

. Abb. 1.3. Mögliches Polaritätsprofil als Ergebnis einer Patientenbefragung bezüglich Krankenhaus xy

Med. Psychologie/ Soziologie

24

Kapitel 1 · Entstehung und Verlauf von Krankheiten

ter Darbietung erhält man einen Überblick über den zeitlichen Verlauf von Schmerzen. 4 Guttman-Skala: Das Guttman-Modell geht davon aus, dass die Items in eine bestimmte Reihenfolge gebracht werden können (mit der Skalogramm-Analyse kann geprüft werden, ob ein sog. »Item-Pool« die entsprechenden logischen Voraussetzungen erfüllt) und dass eine einheitliche Ordnung von Personen und Items existiert. Personen und Items werden deswegen gleichzeitig skaliert. Die angenommene Ordnung hat die Eigenschaft, dass eine Person, welche auf ein bestimmtes Item positiv reagiert, auch auf alle vorangegangenen Items positiv reagiert, wohingegen eine Person, die auf ein Item negativ reagiert, auch auf alle nachfolgenden Items negativ reagiert. Beispiel. Eine Person, welche 76 kg wiegt, wird das Item »Sind Sie schwerer als 70 kg?« ebenso bejahen wie das vorangegangene Item »Sind Sie schwerer als 60 kg?« sowie das davor, »Sind Sie schwerer als 50 kg?«, etc. Bei dem Item »Sind Sie schwerer als 80 kg?« steigt die Wahrscheinlichkeit, die Frage zu verneinen, von 0 auf 1. Alle folgenden Items (»Sind Sie schwerer als 90 kg?«, »…schwerer als 100 kg?«, etc.) werden ebenfalls verneint werden. Die Guttman-Skala hat Ordinalskalenniveau (s. u.). KLINIK Es gibt mittlerweile eine große Anzahl standardisierter Likert-Skalen zur Erfassung der Lebensqualität. Der SF-36 z. B. misst die gesundheitsbezogene Lebensqualität durch die Erfassung von 8 Dimensionen körperlicher und psychischer Gesundheit (körperliche Funktion, körperliche Rollenerfüllung, emotionale Rollenerfüllung, soziale Funktion, Schmerz, psychisches Wohlbefinden, Vitalität, allgemeine Gesundheitswahrnehmung), aus welchen sich körperliche und psychische Summenwerte errechnen lassen. Der Wertebereich jeder Subskala reicht von 0 bis 100, wobei höhere Werte für einen besseren Gesundheitszustand sprechen (z. B. bedeutet ein Schmerzwert von 100 Schmerzfreiheit).

Das Skalenniveau bestimmt die Präzisionsstufe einer Messung.

Nonmetrische Skalen sind: 4 Nominal-Skala: Niedrigstes Skalenniveau, Klassen und Kategorien. Beispiele: Blutgruppe, Geschlecht. Es sind nur Aussagen über Gleichheit bzw. Ungleichheit der Objekte möglich. 4 Ordinal-Skala: Die Objekte werden bezüglich des zu skalierenden Merkmals in eine Rangfolge gebracht, wobei mehrere Objekte den gleichen Rangplatz haben können. Beispiele: Ausprägungsgrade der Beliebtheit von Schülern in einer Lehrerbeurteilung. Aussagen über die Rangfolge der Objekte sind möglich, nicht jedoch über die Größe der Differenzen zwischen den einzelnen Rangplätzen. Metrische Skalen sind: 4 Intervall-Skala: Aussagen über Gleichheit bzw. Ungleichheit von Differenzen in den Merkmalsausprägungen von Objekten sind möglich. Der Nullpunkt kann beliebig festgelegt werden, sodass z. B. Quotienten von Merkmalsausprägungen nicht gebildet werden dürfen. Beispiele: Thermometerskala (Celsius), Intelligenzquotient, Neurotizismuswert. 4 Verhältnis-Skala (Rational-Skala): Höchstes Skalenniveau. Aussagen über die Gleichheit bzw. Ungleichheit von Summen, Quotienten und Vielfachen der Merkmalsausprägungen von Objekten sind möglich. Der Nullpunkt ist empirisch sinnvoll. Beispiele: physikalische Skalen wie Länge, Zeit, Masse.

Merke Jede höhere Skala impliziert eine niedrigere und lässt sich auch in eine niedrigere umwandeln, wobei allerdings ein Informationsverlust in Kauf zu nehmen ist; Beispiele: Personen, deren Intelligenzquotient (Intervallskalenniveau) bestimmt wurde, lassen sich in die Kategorien »unterdurchschnittlich intelligent«, »durchschnittlich intelligent« und »überdurchschnittlich intelligent« einordnen (Ordinalskala). Umgekehrt ist es nicht möglich, ein niedrigeres Skalenniveau in ein höheres zu transformieren: z. B. kann man bei Intervalldaten den Median berechnen, bei Ordinaldaten nicht jedoch das arithmetische Mittel.

25 1.3 · Methodische Grundlagen

1

. Tab. 1.4. Kurze Übersicht über die vier Skalenniveaus

Nonmetrische Skalen

Metrische Skalen

Nominalskala

Ordinalskala

Intervallskala

Verhältnisskala

Datenmerkmale

einfache Zuordnung

Rangfolge

gleicher Abstand der Einheiten

absoluter Nullpunkt

statistische Maßzahlen (Beispiele)

Modalwert, Häufigkeitsverteilung

Zusätzlich: Median, Quartile, Prozentrangwerte, Spannweite

Zusätzlich: arithmetisches Mittel, Standardabweichung, Schiefe

Zusätzlich: geometrisches Mittel

zuverlässige statistische Verfahren

Chi-Quadrat, Kontingenztafeln

nonparametrische Verfahren

parametrische Verfahren

parametrische Verfahren

Beispiele

Geschlecht, Konfession, Familienstand

Wettlaufplatzierungen, Schulnoten, Bildung

Temperatur nach Celsius, Intelligenztestwerte

Temperatur nach Kelvin, Zeit, Länge

. Tabelle 1.4. gibt eine Übersicht über die vier Ska-

lenniveaus mit dazugehörigen Merkmalen, Mittelwerten, Streuungsmaßen sowie jeweils möglichen statistischen Verfahren.

Prüfungsfallstricke Die Skalenniveaus werden gerne in der Prüfung abgefragt!

Indizes sind Skalen, die aus mehreren Indikatoren zusammengesetzt sind. Beispiele: das Apgar-Schema aus der Neonatologie, der SCORAD-Index aus der Dermatologie, der Body-Mass-Index (BMI).

1.3.3 Untersuchungskriterien

sen sich Prozentränge (Rangperzentile) und andere Kennwerte (Stanine,T-Werte, etc.) berechnen, die Aussagen darüber liefern, inwieweit ein Einzelergebnis vom Normwert abweicht. Der Normbereich von T-Werten liegt zwischen 40 und 60, von Staninen zwischen 4 und 6: Individuelle Testwerte, die nach Transformation unterhalb dieser Kennwerte liegen, gelten als unterdurchschnittlich im Vergleich zur Eichstichprobe, Werte oberhalb dieser Grenzen als überdurchschnittlich. Prozentränge sagen aus, wie viel Prozent der Vergleichspopulation einen niedrigeren Testwert haben. . Tabelle 1.6. gibt eine Übersicht über die wichtigsten Prozentrang-Eckdaten. Diese sind ferner in . Abbildung 1.5. veranschaulicht. KLINIK

Bei der Testkonstruktion werden aufgrund theoretischer Vorüberlegungen und -untersuchungen Testitems ausgewählt bzw. konstruiert, wobei mehrere Items (Fragen oder Feststellungen) eine Skala abbilden können (z. B. »Freiburger-PersönlichkeitsInventar«: erfasst 12 Skalen, darunter z. B. »Lebenszufriedenheit«, »Leistungsorientierung«, »Extraversion«, etc., . Tab. 1.5.).

Testnormierung Um zu beurteilen, ob ein individuelles Testergebnis über-, unter- oder durchschnittlich ausgefallen ist, benötigt man Mittelwert und Standardabweichung einer Vergleichspopulation (Normstichprobe oder Eichstichprobe). Aus den Abweichungswerten las-

In der Praxis der Testanwendung lassen sich individuelle Testrohwerte im Testmanual anhand von Eichtabellen in Prozentränge, Stanine und/ oder T-Werte transformieren.

Testtheoretische Gütekriterien Objektivität. Mit Objektivität ist die Unabhängigkeit

des Testresultats von den situativen Testbedingungen sowie den Testleitern gemeint. Dabei gilt: 4 Durchführungsobjektivität: Die Anwendungsbedingungen haben keinen Einfluss auf die erhobenen Daten, der Test wird für alle Probanden und bei jeder Testanwendung exakt gleich durchgeführt.

Med. Psychologie/ Soziologie

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Kapitel 1 · Entstehung und Verlauf von Krankheiten

. Tab. 1.5. Übersicht der Gliederung von Testverfahren in der Psychologie Intelligenztests werden manchmal auch zu den Leistungstests gezählt bzw. zu »Fähigkeits- und Leistungstests« zusammengefasst. Allgemeine Intelligenztests (IST, HAWIE,…) erfassen ein breites Spektrum intellektueller Fähigkeiten (Bsp. IST: verbale, nummerische, figurale Intelligenz, Merkfähigkeit, schlussfolgerndes Denken, u. a.) Spezielle Intelligenztests erfassen einzelne intellektuelle Fähigkeiten. Bsp.: Mehrfachwahl-Wortschatztest, Progressive Matrizen (Analytische Intelligenz), Kurztest für die Allgemeine Intelligenz (allgemeine Basiskapazitäten der Informationsverarbeitung), u. a. Leistungstests: Hierzu zählen Aufmerksamkeits- und Konzentrationstests sowie Schulleistungs- und Berufseignungstest. Bsp.: d2 (Aufmerksamkeits-Belastungstest), Konzentrations-Leistungs-Test, Allgemeiner Schulleistungstest, Allgemeiner Büroarbeitstest, u. a.. Persönlichkeitstests werden unterteilt in Fragebogen- und projektive Verfahren. Fragebogenverfahren: Wissenschaftlich fundierte Testverfahren, welche die o.g. Gütekriterien erfüllen (sollten). Der Proband gibt durch Ankreuzen Auskunft über sein Selbstbild (Selbstbeurteilung). Beispiele: Freiburger-Persönlichkeits-Inventar (FPI-R): 138 Fragen zu den Persönlichkeitsbereichen Lebenszufriedenheit, Soziale Orientierung, Leistungsorientierung, Gehemmtheit, Erregbarkeit, Aggressivität, Beanspruchung, körperliche Beschwerden, Gesundheitssorgen, Offenheit (Lügenskala), Extraversion und Emotionalität. Gießen-Test (GT): 40 Fragen zu den Bereichen soziale Resonanz, Dominanz, Kontrolle, Grundstimmung, Durchlässigkeit und soziale Potenz. Neben der Selbstbeurteilung liegen auch zwei Parallelformen zur Fremdbeurteilung (männlich/weiblich) vor. 16-PF von Cattell: Faktorenanalytisch erstellter Persönlichkeitsfragebogen zur Erfassung von 16 Persönlichkeitsfaktoren. Minnesota Multiphasic Personality Inventory (MMPI): 556 Fragen mit den Skalen Hypochondrie, Depression, Hysterie, Psychopathie, Maskulinität-Femininität, Paranoia, Psychasthenie, Schizophrenie, Hypomanie, Introversion-Extraversion und als Validitätsskalen: Lügen-, Seltenheits- und Korrekturskala. Es liegt auch eine Kurzform vor. Ist hier den Persönlichkeitstests zugeordnet, stellt genau genommen aber ein Klinisches Verfahren dar (s. u.). Projektive Testverfahren: Der Begriff geht auf den Abwehrmechanismus nach Freud »Projektion« zurück. Man geht davon aus, dass Personen ihre Motive auch auf vieldeutiges Material projizieren. Festgelegt sind in der Regel nur die Stimuli, es gibt kein vorgefasstes Antwortsystem. Validität und Reliabilität dieser Testverfahren sind sehr gering, ihr Einsatz daher auch sehr umstritten. Beispiele: Rohrschach-Test: Zu einer Abfolge von 10 standardisierten, farbigen Tintenklecksbildern soll der Patient seine Assoziationen äußern. Die Auswertung erfolgt nach Originalität und Art der Deutung (gesamt/Detail). Thematischer Apperzeptions-Test (TAT): 30 schwarz-weiße Bilder für unterschiedliche Altersgruppen und Geschlechter. Die Bildtafeln sollen insbesondere emotional ansprechende Situationen darstellen. Je nach Fragestellung werden 10 Tafeln ausgewählt und dem Probanden vorgelegt, mit der Aufforderung, dazu eine Geschichte zu erzählen. In der Auswertung werden insbesondere Bedürfnisse ausgezählt und gewichtet. Rosenzweig Picture-Frustration-Test: 24 Comicbilder mit frustrierenden Situationen werden in einem Testheft vorgegeben. Der Proband soll in die Sprechblase eine Antwort eintragen. Baum-Test: Der Proband soll einen Baum zeichnen. Auswertung erfolgt nach vorgegebenen Kriterien, z. B. Wurzeln = Suche nach Halt; aufstrebende Äste = extravertiert, fröhlich: Narbe im Stamm = traumatisches Erleben in der Kindheit. Familie in Tieren: Ein Kind soll sich seine Familienmitglieder als Tiere vorstellen und diese dann malen. Es wird die räumliche Anordnung der Tiere zueinander analysiert, ferner werden jedem Tier Eigenschaften zugeordnet, z. B. Hirsch = stolz, edel, draufgängerisch; Mops = spaßig, drollig, verwöhnt; Wal = friedlich, mächtig, plump. Klinische Verfahren: Fragebogen zur Erfassung klinisch-psychologisch relevanter Bereiche. Bsp.: MMPI, Becks DepressionsInventar (BDI), u. a.. Neuropsychologische Testverfahren: Verfahren zur Erfassung neuropsychologischer Auffälligkeiten und Erkrankungen. Bsp.: Aachener Aphasie Test, Demenz-Test, Mini-Mental, TÜLUC, Wisconsin-Card-Sorting-Test, u. a..

27 1.3 · Methodische Grundlagen

4 Auswertungsobjektivität: Das durch den Test gewonnene Datenmaterial wird jedes Mal nach exakt den gleichen Kriterien ausgewertet. 4 Interpretationsobjektivität: Das ausgewertete Datenmaterial wird jedes Mal nach exakt gleichen Kriterien interpretiert. Standardisierung dient der Objektivität, ist jedoch

nicht mit Objektivität zu verwechseln. Bei der Standardisierung handelt es sich nicht um ein testtheoretisches Gütekriterium, sondern um eine wissenschaftliche Vorgehensweise, die Objektivität gewährleisten soll. Man versteht darunter die Ausschaltung von Einflüssen des Untersuchers auf die Durchführung des Tests, die Auswertung und Interpretation der Ergebnisse. Dieses Ziel soll dadurch erreicht werden, dass der Test für alle Probanden in gleicher Weise (standardisiert) durchgeführt, ausgewertet und interpretiert wird. Reliabilität. Die Reliabilität bezeichnet die formale Zuverlässigkeit, den Grad der Genauigkeit, mit der ein zu untersuchendes Objekt gemessen wird. Jeder Messung wohnen zufällige Messfehler (Standardmessfehler) inne, die mehr oder weniger um den wahren Wert streuen. Reliabilität und Messfehler stehen in einem reziproken Verhältnis: Eine hohe Testreliabilität ist ein Kennwert dafür, dass der Messfehler eines Tests sehr gering ausfällt.

1

Der Reliabilitätskoeffizient ist ein Korrelationskoeffizient und bewegt sich im Rahmen von 0 (keine Reliabilität) bis 1 (höchst mögliche Reliabilität). Ein Test kann ab einer Reliabilität von 0,5 als reliabel angesehen werden. Verschiedene Methoden können zu unterschiedlichen Reliabilitätsschätzungen führen: 4 Testwiederholung (Test-Retest-Reliabilität/Stabilität): Ein und derselbe Test wird denselben Personen zu verschiedenen Zeitpunkten zwei- oder auch mehrmals vorgegeben, die Testrohwerte werden dann miteinander korreliert. Ein Problem bei der Methode der Testwiederholung sind Erinnerungs- und Übungseffekte. Ferner ist die hier postulierte Stabilität von Persönlichkeitsmerkmalen in der Psychologie nicht unumstritten. 4 Parallelitätstests (Äquivalenz-Reliabilität): Es werden den Probanden einmalig psychometrisch gleichwertige Tests gegeben, die Ergebnisse werden korreliert (Reliabilitätskoeffizient). Das Problem hierbei liegt in der Bestimmung der »psychometrischen Gleichwertigkeit« der verwendeten Tests. 4 Testhalbierung (Split-Half-Reliabilität): Ein Test wird in zwei gleiche Hälften geteilt, beide Hälften werden von derselben Personengruppe bearbeitet, die Ergebnisse werden korreliert. Da man hierbei jedoch eigentlich nur den Reliabili-

. Tab. 1.6. Übersicht über die wichtigsten Prozentrang-Eckdaten. Die Werte der Standardabweichungen entsprechen (=) den Prozenträngen jeweils in derselben Reihe

Standardabweichung

Bedeutung Standardabweichung

Prozentrang

Berechnungshilfe Prozentrang

Bedeutung Prozentrang

–2

Indiv. Testwert liegt 2 Standardabweichungen unterhalb des Mittelwertes der Normstichprobe.

2

/

2% der Normstichprobe hatten einen kleineren Testwert.

–1

Indiv. Testwert liegt 1 Standardabweichung unterhalb des Mittelwertes der Normstichprobe.

16

/

16% der Normstichprobe hatten einen kleineren Testwert.

0

Indiv. Testwert entspricht exakt dem Mittelwert der Normstichprobe.

50

/

50% der Normstichprobe hatten einen kleineren Testwert.

+1

Indiv. Testwert liegt 1 Standardabweichung über dem Mittelwert der Normstichprobe.

84

100-16

84% der Normstichprobe hatten einen kleineren Testwert.

+2

Indiv. Testwert liegt 2 Standardabweichungen über dem Mittelwert der Normstichprobe.

98

100-2

98% der Normstichprobe hatten einen kleineren Testwert.

Med. Psychologie/ Soziologie

28

Kapitel 1 · Entstehung und Verlauf von Krankheiten

tätskoeffizienten für den halben Test erhält, muss das Ergebnis noch nach bestimmten Vorgaben korrigiert werden. Als problematisch erweist sich, dass die Zuordnung von Items zu den beiden Itemgruppen mehr oder weniger beliebig ist, sodass jede Gruppierung andere Reliabilitätsschätzungen erbringen kann. 4 Interne Konsistenzbestimmung: Ein Test wird nicht nur in zwei, sondern in so viele Teile untergliedert, wie er Items beinhaltet. Theoretisch wird dabei postuliert, dass jedes Item einen wiederholten Versuch der Messung des untersuchten Persönlichkeitsmerkmals darstellt (was wiederum voraussetzt, dass die Items auch wirklich auf ein- und dasselbe Persönlichkeitsmerkmal schließen lassen). Hierbei besteht das Problem, dass die Höhe der entsprechenden Koeffizienten nicht nur von dem Grad der Interkorrelation der verwendeten Items abhängt, sondern auch von der Zahl der Items, wobei geringere Itemkorrelationen durch größere Itemzahlen kompensiert werden können. Validität (Gültigkeit). Dies ist die inhaltliche Gültigkeit eines Tests: Misst der Test das, was gemessen werden soll? Der Validitätskoeffizient ist wieder ein Korrelationskoeffizient; es gibt auch hier verschiedene Vorgehensweisen: 4 Interne Validierung: Hier wird ein Test für sich genommen betrachtet. Zu vernachlässigen ist hierbei die sog. Augenscheinvalidität (die Items lassen ihre Validität qua unmittelbarer Evidenz erkennen) ebenso wie die Validierung durch ein sog. Expertenrating (»Experten« schätzen ein, inwieweit die verwendeten Items tatsächlich das messen, was gemessen werden soll). Beide Vorgehensweisen sind äußerst unwissenschaftlich. Eine bessere Form der internen Validitätsschätzung stellt die faktorielle Validierung dar. Hier wird das statistische Verfahren der Faktorenanalyse auf den Test angewendet. 4 Externe Validierung: Hier bezieht man sich auf äußere Objekte. 5 Kriteriumsvalidität: Heranziehen eines Außenkriteriums, von dem angenommen wird, dass es mit dem zu messenden Persönlichkeitsmerkmal zusammenhängt (z. B. Validitätsprüfung eines Ängstlichkeitstests anhand

von Korrelation mit einem Diagnoseverfahren zur Erfassung von Angststörungen: Angstpatienten müssten hohe Werte im Ängstlichkeitstest erhalten). 5 Diskriminierende Validität: Verschiedene Personengruppen müssen sich hinsichtlich der Testergebnisse signifikant unterscheiden. Bei einem Test zur Erfassung von Ängstlichkeit könnte man z. B. die Testergebnisse von Angstpatienten mit denen einer gesunden Kontrollgruppe vergleichen. 5 Prognostische Validität: Anhand von Testergebnissen werden Voraussagen gemacht, später wird überprüft, ob die Voraussagen eingetroffen sind (z. B. Schulerfolg- oder Berufseignungstests). 5 Korrelationen mit anderen Tests: Gängigste Form der Validitätsbestimmung. Ein neuer Test wird gleichzeitig mit einem etablierten Test, der dasselbe Merkmal erfassen soll, derselben Personengruppe vorgelegt, die Testergebnisse werden korreliert. Gefahr: Zirkelschlüsse (Tautologien); Validierung in einem geschlossenem System (Kreisvalidierung).

Merke Objektivität, Reliabilität und Validität sind die wichtigsten testheoretischen Gütekriterien, wobei das eine immer als Voraussetzung für das nächste betrachtet werden muss: ohne Objektivität keine Reliabilität, ohne Reliabilität keine Validität.

Die Praktikabilität/Ökonomie kann ebenfalls als Gütekriterium verstanden werden. Optimal sind Tests, die mit wenigen Items den größten Ertrag an Reliabilität und Validität erbringen. Die Änderungssensitivität ist wichtig für Tests, die Veränderung von Zuständen, Befindlichkeiten und Sachverhalten messen. Sie ist hoch, wenn die relevante Veränderung (z. B. Ängstlichkeit vor und nach einer Therapie) auch tatsächlich erfasst wird.

Prüfungsfallstricke Die Testgütekriterien zählen zu den beliebtesten Prüfungsthemen!

29 1.3 · Methodische Grundlagen

Antwortmodelle in Tests, Fragebogenerhebungen und Interviews Bei den Fragen unterscheidet man: 4 Offene Fragen: Form und Inhalt der Antwort frei wählbar. 4 Geschlossene Fragen geben zwei oder mehrere Alternativen vor. 4 Katalogfragen: Aus verschiedenen Antwortmöglichkeiten soll eine ausgewählt werden (z. B. Multiple-Choice). Diese Fragen sind im Prinzip geschlossene Fragen. 4 Sondierungsfragen haben einen weiten Antwortspielraum, sind eher offen, sollen einen Sachverhalt »sondieren« (z. B. »Wann tritt der Schmerz auf?«). 4 Skalierungsfragen: Zu einzelnen Sachverhalten soll unter Vorgabe einer bestimmten Skala Stellung genommen werden. 4 Suggestivfragen beeinflussen den Befragten in seiner Antworttendenz und sollten in wissenschaftlichen Untersuchungen unbedingt vermieden werden!

Kontrolle von Messfehlern Messfehler bei einer Fragebogenerhebung kann man mit Hilfe der testtheoretischen Gütekriterien versuchen zu minimieren. Hinzu kommt die Tendenz zur Mitte (7 Kap. 2.2.2) sowie die Soziale Erwünschtheit: Der Proband antwortet so, wie er denkt, dass es ein »gutes Licht« auf ihn wirft. Zur Herausfilterung der sozialen Erwünschtheit empfielt sich das Einbauen sog. Lügen-Skalen in Persönlichkeitsfragebögen. Kontrolle systematischer Messfehler in komplexen wissenschaftlichen Untersuchungen (Studien und Experimenten): 4 Kontrollgruppe: Möglichkeit der Fehlerminimierung bereits in der Datenerhebung. Probanden werden zufällig einer Experimental- und einer Kontrollgruppe zugewiesen, wobei nur die Experimentalgruppe die interessierende Maßnahme erhält. Beispiel: Medikamentenstudie. Nur die Experimentalgruppe erhält das Medikament, die Kontrollgruppe erhält keines (oder aber ein Placebo – Placebo-Studie). Zeigen sich Effekte in der Experimental- und nicht in der Kontrollgruppe, können diese auf die Medikamenteneinnahme zurückgeführt werden.

1

4 Blindversuche: Die Versuchspersonen wissen nicht, ob sie der Experimental- oder der Kontrollgruppe angehören. 4 Doppelblindversuche: Weder Proband noch Versuchsleiter wissen, in welcher Gruppe sich ersterer befindet. 4 Randomisierung: Zufällige Zuordnung von Versuchspersonen zu unterschiedlichen Bedingungen einer experimentellen Untersuchung. 4 Blockrandomisierung: Zufallsverteilung innerhalb eines zuvor definierten Blocks. 4 Parallelisierung, Matching gewährleistet, dass z. B. Experimental- und Kontrollgruppe eine gleiche Zusammensetzung der Personen hinsichtlich Alter, Geschlecht, Bildung, etc. (abhängig von der Fragestellung) enthalten. 4 Ausbalancieren: Um auszuschalten, dass die Reihenfolge der Testapplikation einen Einfluss auf das Ergebnis haben, kann man den Probanden die Tests in unterschiedlicher Reihenfolge vorlegen. 4 Große Stichprobenanzahlen sollen helfen, mögliche Fehler zu kompensieren (extrem unmotivierte Versuchspersonen werden wahrscheinlich durch extrem motivierte ausgeglichen).

1.3.4 Untersuchungsplanung Studiendesign bezeichnet die Forschungsplanung mit allen Angaben, die für die Durchführung einer wissenschaftlichen Untersuchung notwendig sind. Ein Experiment ist die planmäßige Beeinflussung einer Situation und Überprüfung von Veränderungen. Die unabhängigen Variablen (UV) eines Experiments sind die (manipulierbaren) Einflussbedingungen (z. B. Koffein- vs. Placebogabe); die abhängige Variable (AV) hingegen spiegelt den interessierenden Untersuchungsgegenstand wider (z. B. Reaktionsgeschwindigkeit).

Prüfungsfallstricke Eselsbrücke: »unabhängige Variable, UV« = »U« wie Untersuchungsbedingungen; »abhängige Variable, AV« = von den Untersuchungsbedingungen abhängig = folglich das den Forscher interessierende Ergebnis.

Med. Psychologie/ Soziologie

30

Kapitel 1 · Entstehung und Verlauf von Krankheiten

Merke Wesentliche Voraussetzungen für ein Experiment sind: Wiederholbarkeit, Kausalanalyse und Kontrolle der Bedingungen.

Felduntersuchungen. Daten werden nicht in experimentellen Laborbedingungen, sondern in der natürlichen Umgebung des interessierenden Phänomens erhoben. Felduntersuchungen können beobachtend oder experimentierend sein.

Studienformen Zu den Studienformen zählen: 4 Querschnittstudie: Einmalige Untersuchung einer Bevölkerungsstichprobe zu einem bestimmten Zeitpunkt. 4 Längsschnittstudie: Eine empirische Studie wird zu verschiedenen Zeitpunkten durchgeführt. 5 Panel-Studie: Längsschnittstudie, bei der in bestimmten Abständen dieselben Personen untersucht werden (die Trendstudie hingegen ist eine Längsschnittstudie, bei der nicht dieselben Personen herangezogen werden). 5 Kohortenstudie: Eine Kohorte ist eine Bevölkerungsgruppe, die etwa zum gleichen Zeitpunkt ein gleiches Lebensereignis erfahren hat (z. B. Geburt). Die Kohorte wird dann über einen längeren Zeitraum (prospektiv oder retrospektiv) beobachtet. 4 Ex-post-facto-Studie: Für bereits vorliegende Daten versucht man nachträglich die Erklärung zu finden (z. B. Auswirkungen von Hirnläsionen: Läsionspatienten sollen neuropsychologische Testverfahren absolvieren). 4 Einzelfallstudie: Qualitative oder quantitative Analyse von Einzelfällen mit wissenschaftlich eingeschränktem Wert und geringer Reichweite. 4 Fall-Kontroll-Studie: Jeder Fall aus der untersuchten Patientengruppe wird mit einem Fall aus einer gesunden Kontrollgruppe verglichen. 4 Evaluationsstudie: Eine Maßnahme wird bewertet, z. B. Therapieevaluationsstudien. 4 Randomisierten Studie: Probanden wurden zufällig (randomisiert) den Untersuchungsbedingungen zugeordnet wurden (7 Kap. 1.3.3 »Untersuchungskriterien«).

Als Stichprobe bezeichnet man eine Auswahl von Elementen (hier: Probanden) aus der Gesamtheit von Elementen (Menschen): 4 Zufallsstichprobe: Auswahl der Elemente nach dem Zufallsprinzip. Teilt man dabei die Grundgesamtheit vorab in Untergruppen auf, spricht man von geschichteter (stratifizierter) Zufallsauswahl. 4 Quotasstichprobe: Die Stichprobe stellt eine »Miniaturausgabe« der Grundgesamtheit in Hinblick auf zentrale Merkmale dar. 4 Klumpenauswahl (»cluster sample«): Gruppen werden zu »Klumpen« zusammengefasst (z. B. nach Stadtteil, nach Wahlkreis oder Organisationen). 4 Extremgruppe: Probanden mit Persönlichkeitseigenschaften in einem Ausprägungsgrad kleiner oder größer als zwei Standardabweichungen. 4 Exponierte Gruppe: Alle Mitglieder der Gruppe sind/waren bestimmten Bedingungen ausgesetzt, z. B. in Felduntersuchung Arbeitslosigkeit als spezieller Belastungsfaktor. Stichprobenfehler nennt man die Abweichung des

gezeigten Werts einer Stichprobe vom »wahren Wert« der Grundgesamtheit. Er wird minimiert, je größer die Stichprobe ist und je mehr Wert auf entsprechende Maßnahmen der Fehlerminimierung gelegt wurde (7 Kap. 1.3.3). Der Stichprobenfehler lässt sich statistisch berechnen.

1.3.5 Methoden der Datengewinnung Datenart Es gibt folgende Arten von Daten: 4 Individualdaten sind am Einzelnen erhobene, spezifische Daten. 4 Aggregatdaten entstehen über Zusammenfassung von Individualdaten. Sie erlauben Aussagen über mehrere Menschen, individuelle Besonderheiten gehen dabei verloren. 4 Primärdaten werden eigens für den Untersuchungszweck erhoben. 4 Sekundärdaten liegen bereits vor und wurden ursprünglich für andere Zwecke erhoben. 4 Selbstbeurteilung: Die zu beurteilende Person macht selbst Angaben über sich.

31 1.3 · Methodische Grundlagen

4 Fremdbeurteilung: Beurteilung der Person oder ihres Verhaltens von anderen. Neben den in 7 Kap. 1.3.3 dargestellten Testverfahren gibt es weitere Methoden der Datengewinnung.

Interviewformen und -stile Bei einer Befragung werden Personen schriftlich, telefonisch oder persönlich gebeten, offene oder geschlossene Antworten zu geben. Ein Interview wird manchmal als persönliche Befragung definiert. Häufiger jedoch werden »Befragung« und »Interview« synonym verwendet. Es gibt qualitative und quantitative Interviews. Qualitative Verfahren

Diese werden auch »hermeneutische (erklärende, auslegende) Verfahren« genannt. Dabei ist die individuelle Sichtweise des Befragten von Interesse. Es stehen folgende Arten eines Interviews zur Verfügung: 4 Biografisches Interview: Wissenschaftlich kontrollierter Nachvollzug der individuellen Lebensgeschichte. 4 Ethnografisches Interview: Erfassung kulturspezifische Besonderheiten fremder Gesellschaften. 4 Narratives Interview: Der Interviewte wird aufgefordert, zu einem interessierenden Gegenstand zu erzählen. 4 Tiefeninterview: s. Psychoanalytische Therapie, 7 Kap. 2.4.3. Quantitative Verfahren

Quantitative Verfahren sind stark standardisierte Befragungen. Es gibt verschiedene Standardisierungsgrade: 4 Strukturierte Interviews: Alle zu stellenden Fragen sind in ihrem Wortlaut und in ihrer Reihenfolge vorgegeben. 4 Teilstrukturierte Interviews: Bestimmte Fragen und Fragestellungen sind fest vorgegeben, Modifikationen und Ergänzungen können jedoch vorgenommen werden. 4 Unstandardisierte Interviews: Das Thema ist festgelegt, aber nicht die Fragen und die Vorgehensweise.

1

Man unterscheidet auch nondirektive vs. direktive Interviewstile: 4 Nondirektiv: Vorstellungen und Wünsche des Gesprächspartners haben einen breiten Raum im Gesprächsverlauf. Die gestellten Fragen dienen eher der Anregung zum Nachdenken. 4 Direktiv: Der Interviewer geht von klar vorstrukturierten Konzepten und Zielen aus. Auf möglichst klare Fragen werden möglichst klare Antworten erwartet.

Verhaltensbeobachtungen Als systematisch wird die standardisierte Beobachtung bezeichnet. Die äußeren Rahmenbedingungen sind festgelegt (wo, wer, was), es wird ein Beobachtungssystem verwendet (Beispiel: Zeichensystem: Protokollieren des Auftretens bestimmter, vorher festgelegter Ereignisse; Kategoriensystem: Jedes auftretende Verhalten wird bestimmten, zuvor festgelegten Kategorien zugeordnet) und Gütekriterien werden kontrolliert. Bei der teilnehmenden Beobachtung betrachtet der Beobachtende und nimmt gleichzeitig am Geschehen teil; sie ist nicht standardisiert. KLINIK Erfassung psychophysiologischer Prozesse: Die Psychophysiologie ist ein Teilgebiet der Biologischen Psychologie und untersucht Zusammenhänge zwischen biologischen Prozessen und Verhalten am Menschen auf noninvasive Weise (z. B. Hormonbestimmung im Speichel). Physiologische Prozesse werden hierbei meist als abhängige Variable definiert. Die psychologischen Indikatoren stammen hauptsächlich aus dem Bereich der Emotions-, Motivationsund Aktivierungsforschung.

1.3.6 Datenauswertung

und -interpretation Bei der Auswertung von wissenschaftlichem Datenmaterial können quantitative und qualitative Auswertungsverfahren unterschieden werden. Quantitative Auswertungsverfahren werden eingeteilt in uni-, bi- oder multivariate Verfahren.

Med. Psychologie/ Soziologie

32

Kapitel 1 · Entstehung und Verlauf von Krankheiten

Univariate Analyse Häufigkeiten werden unterteilt in: 4 Absolute Häufigkeiten: z. B.: Wie viele Menschen leiden an einer bestimmten Erkrankung? 4 Relative Häufigkeiten: Zur Darstellung von Vergleichen hilfreich (z. B. Anteil der Frauen und Männer bei Lungenkrebs). 4 Kumulative Häufigkeiten: Sukzessiv summierte Kategorienhäufigkeiten (z. B. Welcher Prozentsatz der Studierenden hat das Physikum mit sehr gut, mindestens mit gut, mindestens mit befriedigend, etc. bestanden?) Mittelwertsmaße werden wie folgt bezeichnet: 4 Arithmetisches Mittel: Gebräuchlichstes Mittelwertsmaß, zentrale Tendenz. Es errechnet sich durch die Summe der Einzelwerte einer Stichprobe, geteilt durch die Anzahl der Stichprobenelemente. 4 Median teilt eine Häufigkeitsverteilung linear in zwei gleich große Hälften: 50% der Werte liegen darüber, 50% darunter. 4 Modus (Modalwert): Häufigster Wert einer Verteilung (»Gipfel«). Wurden die Messwerte in Kategorien zusammengefasst, wird der Modalwert durch die Kategorie mit der größten Kategorienhäufigkeit bestimmt.

AM Md Mo a

rechtsschiefe (rechtssteile) Verteilung

b

linksschiefe (linkssteile) Verteilung

Mo Md AM

AM Mo Md c

symmetrische Verteilung

. Abbildung 1.4. veranschaulicht die Lage dieser drei

Mittelwertsmaße für unterschiedliche Verteilungsformen. Streuungsmaße (Dispersionsmaße) werden unterteilt in: 4 Varianz (s2): Die Summe der quadrierten Abweichungen aller Messwerte vom arithmetischen Mittel, dividiert durch die Anzahl aller Messwerte. 4 Standardabweichung (s): Wurzel aus der Varianz. Die Standardabweichnung lässt Aussagen über die Homogenität bzw. Heterogenität einer Stichprobe zu. Sie reicht von 0 bis 1: eine Standardabweichung von 0 bedeutet eine absolut homogene Stichprobe. Verteilungsformen

Daten können z. B. rechtsschief bzw. -steil, linksschief bzw. -steil oder symmetrisch (normal-)verteilt

. Abb. 1.4a–c. Die drei Verteilungen und die jeweilige Lage der Mittelwerte. Arithmetisches Mittel (AM), Modalwert (Mo) und Median (Md) bei einer rechtsschiefen (a), einer linksschiefen (b) und einer symmetrischen Verteilung (c)

sein (. Abb. 1.4.a–c). (Darüber hinaus gibt es auch noch Verteilungen mit mehr als einem Gipfel.). Fünf Kriterien kennzeichnen die Normalverteilung: 1. Die Verteilung hat einen glockenförmigen Verlauf. 2. Die Verteilung ist symmetrisch. 3. Modalwert, Median und arithmetisches Mittel fallen zusammen. 4. Die Verteilung nähert sich asymptotisch der xAchse. 5. Zwischen den zu den Wendepunkten gehörenden x-Werten befinden sich ca. 2∕3 der Gesamtfläche.

1

33 1.3 · Methodische Grundlagen

0,13%

z-Werte

2,14%

13,59%

34,13%

–3,33 –3 –2,67 –2,33 –2 –1,67 –1,33 –1 –0,67 –0,33 0

34,13%

13,59%

2,14%

0,33 0,67 1

1,33 1,67 2

0,13%

2,33 2,67 3

3,33

T-Werte

17

20

23

27

30 33

37

40

43

47

Wechsler-IQ

50

55

60

65

70

75

80

85

90

95 100 105 110 115 120 125 130 135 140 145 150

Binet-IQ

47

52

57

63

68

73

79

84

89

95

100 105 111 116 121 127 132 137 143 148 153

1

2

5

9

16

25

37

50

Prozentränge 0,04 0,13 0,38 (Rang-Perzentile) Stanine

1 4%

2 7%

3 12%

4 17%

50

5 20%

53

63 6 17%

57

75

60

84 7 12%

63

91 8 7%

67

95

70

98

73

77

80

88

99 99,62 99,87 99,96

9 4%

. Abb. 1.5. Standardnormalverteilung mit wichtigen Maßzahlen. Erläuterung der abgetragenen im Text. Die Flächenprozen-

te pro Abschnitt geben Auskunft darüber, wie viele Elemente der Grundgesamtheit sich im jeweiligen Abschnitt befinden

In . Abbildung 1.5. ist die charakteristische Verteilung der Standardnormalverteilung (»Gauß-Glocke«) wiedergegeben. Normalverteilte Werte, z. B. Persönlichkeitsmerkmale oder Intelligenz, lassen sich statistisch in z-Werte transformieren. Somit können Aussagen über Abweichungen vom Mittelwert der Vergleichsgruppe getroffen werden. Auch Testergebnisse aus verschiedenen Tests, aber ein und dasselbe Merkmal betreffend, lassen sich nach einer z-Transformation vergleichen (z. B. Binet-IQ und Wechsler IQ: Person A hat einen Binet-IQ von 116, Person B einen Wechsler-IQ von 115. Augenscheinlich ist Person A »ein bisschen intelligenter«. Nach z-Transformation erweist sich, dass beide einen zWert von 1 haben, somit gleich intelligent sind und am oberen Rand des Normalbereichs in Bezug auf die Vergleichspopulation liegen.). T-Werte, Stanine und Prozentränge (Rangperzentile) dienen ebenfalls dazu, Aussagen über Abweichungen von der Vergleichspopulation zu treffen (7 Kap. 1.3.3, Testnormierung).

Bivariate Analyse

Merke Prozentrangtransformation ist auch bei nichtnormalverteilten Daten möglich!

In einer bivariaten Analyse werden Aussagen über den Zusammenhang zweier Merkmale getroffen. Als Korrelation bezeichnet man ein statistisches Verfahren zur Prüfung von Zusammenhängen. Der Korrelationskoeffizient (r) gibt die Stärke eines statistischen Zusammenhangs an. Dabei gilt: 4 r=0: Es besteht kein Zusammenhang zwischen den Merkmalen. 4 r=1: Es besteht ein linearer Zusammenhang zwischen den Merkmalen (je höher Merkmal A, desto höher Merkmal B; oder: je niedriger Merkmal A, desto niedriger Merkmal B). 4 r=–1: Es besteht ein umgekehrt linearer Zusammenhang (je höher Merkmal A, desto niedriger Merkmal B und umgekehrt). In . Abbildung 1.6.a–c sind die Verteilungen der drei genannten Korrelationshöhen grafisch dargestellt.

Merke Der Korrelationskoeffizient ist ein reines Zusammenhangsmaß; es können keine Kausalaussagen getroffen werden!

34

Kapitel 1 · Entstehung und Verlauf von Krankheiten

Med. Psychologie/ Soziologie

(also r2), wobei der so gewonnene Zahlenwert Auskunft darüber gibt, wie viel Prozent der Varianz der einen Merkmalsausprägung (hier: B) durch das andere Merkmal (A) erklärt wird.

Multivariate Analyse

a

Hier werden Zusammenhänge zwischen mehr als 2 Faktoren geprüft. Zur Verfügung stehen folgende Methoden: 4 Multiple Regression und Pfadanalyse, 4 Diskriminanzanalyse, 4 Faktorenanalyse, 4 Multidimensionale Skalierung, 4 Clusteranalyse. KLINIK

b

Die sog. schließende Statistik (im Gegensatz zur hier geschilderten deskriptiven Statistik) zielt darauf ab, Aussagen über den Zusammenhang von Stichproben und der Grundgesamtheit zu treffen, z. B. »Lässt sich die in der Studie gefundene therapeutische Verbesserung auf die Allgemeinheit übertragen?« (»Generalisierbarkeit« 7 Kap. 1.3.7). Eingesetzte Verfahren sind z. B. Mittelwertsvergleich, t-Test und Varianzanalyse.

Qualitative Auswertungsverfahren c . Abb. 1.6a–c. Verteilungsformen von Korrelationen. Bei einem positivem, r=1 (a), einem negativen, r=–1 (b) und bei fehlendem Zusammenhang, r=0 (c)

Die Kreuztabellierung bezeichnet die Kombination von Daten in einer Vier-Felder-Tafel zur Erkenntnis von Zusammenhängen. Bei der Kausalanalyse werden Kausalbeziehungen zum Ausdruck gebracht. Die Regressionsanalyse ist eine Form der Kausalanalyse. Korrelationen können verwendet werden, um im Rahmen von Regressionsanalysen Voraussagen von der einen Variablen auf die andere zu machen (z. B. von Variable A auf Variable B). Der Regressionskoeffizient (auch »Determinationskoeffizient«) R ist gleich dem quadrierten Korrelationskoeffizient

Im Gegensatz zu den quantitativen Auswertungsverfahren sind qualitative Auswertungsverfahren weniger generalisierbar. Es geht um inhaltliche Erfassungen individueller Fragestellungen. 4 Inhaltsanalyse: Auswertung von Kommunikationsmaterial (Tonband, Videos, etc.) mit Fokus auf Befindlichkeiten, Verhaltensweisen oder Handlungen. Auszählung formaler oder inhaltlicher Elemente (Frequenzanalyse) oder Analyse von Bewertungen der Inhalte (Valenzanalyse). 4 Dokumentenanalyse ist eine Form der Inhaltsanalyse. 4 Soziometrie: Soziometrische Wahlverfahren liefern Aussagen über Einstellungen von Personen zueinander, indem jedes Mitglied einer Gruppe von jedem anderen Mitglied der Gruppe hinsichtlich einer bestimmten Fragestellung bewertet wird. Diese Beurteilungen können in

35 1.3 · Methodische Grundlagen

einem Soziogramm grafisch dargestellt werden. 4 Tiefeninterviews: s. Psychoanalytische Therapie, 7 Kap. 2.4.3. 4 Gruppendiskussionen stellen einen dynamischen Diskussionsprozess mit diversen Meinungsäußerungen zu einem vorgegebenen Thema dar.

1.3.7 Ergebnisbewertung Die Replizierbarkeit ist ein wissenschaftliches Grundprinzip. Ergebnisse sollten gedanklich und praktisch nachvollziehbar dargestellt sein, sodass sie durch Wiederholbarkeit überprüfbar sind. Statistisch gewonnene Zahlenwerte am Ende eines komplexen Rechenprozesses (T-Werte, Korrelationen, etc.) sagen wenig aus, wenn sie sich nicht von der Stichprobe auf eine größere Population übertragen lassen. Die Generalisierbarkeit meint das Ausmaß, zu welchem wissenschaftliche Ergebnisse verallgemeinert werden können und ist abhängig von Datenumfang, Datenqualität und Fragestellung. Ein Kennwert, der Auskunft darüber gibt, ob ein festgestellter Unterschied oder Zusammenhang von der Stichprobe, an welcher er festgestellt wurde, auf eine größere Population außerhalb der Erhebungssituation übertragen werden kann, ist der Wahrscheinlichkeitswert p, auch »Signifikanzniveau« genannt. Das Signifikanzniveau muss kleiner als die angenommene Irrtumswahrscheinlichkeit sein (7 Kap. 1.3.1), damit eine generalisierbare Aussage getroffen werden kann. Je größer der p-Wert, desto unglaubwürdiger das beobachtete Ergebnis! In der Regel spricht man bei Ergebnissen mit einem Signifikanzniveau von p≤0,001 von »sehr signifikant (s. s.)«, von p≤0,01 von »hoch signifikant« (h. s.), von p≤0,05 von »signifikant (s.)« und von p>0,05 von »nicht signifikant (n. s.)«.

Merke Nichtsignifikante Ergebnisse lassen sich nicht von der Stichprobe auf größere Gesamtheiten generalisieren!

Forschungsergebnisse können zudem gezielt durch statistische Verfahren überprüft werden, ein Beispiel

1

ist die Kreuzvalidierung: Hier wird die Gültigkeit von Studienergebnisses an einem zweiten Verfahren oder an einer weiteren Stichprobenerhebung überprüft. Auch wenn die Ergebnisse an sich replizierbar dargestellt sind, generalisierbar erscheinen und sich als valide erwiesen haben, so können sich dennoch Anwendungsprobleme ergeben: Effizienz: Die Effizienz ist ein ökonomisches Bewertungskriterium. Technische Effizienz bezeichnet den geringst möglichen Mitteleinsatz. Kosteneffizienz bezeichnet das Maximum an Leistung bei einem Minimum an Kosten. Ergebnisse können also die o. g. Kriterien (Replizierbarkeit, Generalisierbarkeit, Validität) erfüllen, dennoch kann es sein, dass daraus abgeleitete Schlussfolgerungen evtl. aufgrund mangelnder Effizienz nicht in die Praxis umgesetzt werden können. Ethische Konsequenzen: Ethische Probleme können sich schon im Laufe des medizinischen oder psychologischen Forschungsprozesses zeigen. Wie lässt es sich z. B. rechtfertigen, dass manche Patienten einer Kontrollgruppe zugeteilt werden und ihnen somit eine Behandlung vorenthalten wird? Das Gleiche gilt für Forschungsergebnisse, z. B.: Kann eine neue Therapieform in die Praxis umgesetzt werden, auch wenn noch keine Ergebnisse über mögliche (negative) Langzeitfolgen vorliegen? Die ethische Unbedenklichkeit von Forschungsvorhaben am Menschen werden von Ethikkomissionen geprüft. Werturteilsproblematik: Sachurteile sind Erkenntnisse über Fakten oder Kausalzusammenhänge. Werturteile sind Bewertungen enthaltende Urteile (z. B. etwas ist gut oder böse). Der Soziologe Max Weber postulierte die Wertfreiheit der Wissenschaft. Objektive Werterkenntnisse sind nach Weber nicht möglich, Aufgabe des Wissenschaftlers sei die Gewinnung logischer und empirischer Erkenntnisse, der Wissenschaftler soll sich nicht als Richter über gut und böse aufspielen. Ein reger Disput besteht darüber, ob eine wertfreie Wissenschaft überhaupt möglich bzw. inwieweit sie sinnvoll sei. Zu den Gegenargumenten der postulierten Wertfreiheit zählen u. a., dass Werturteile bereits bei der Wahl des Forschungsgegenstandes eine Rolle spielen, dass sie auch objektiv gefällt werden können und dass sie wichtig für die Sozialwissenschaften sind.

36

Kapitel 1 · Entstehung und Verlauf von Krankheiten

Med. Psychologie/ Soziologie

KLINIK Eine intensive Ergebnisbewertung findet in der evidenzbasierten Medizin statt: »Evidenz« meint »Deutlichkeit, Gewissheit, Erkenntnis«. Die Evidenzbasierte Medizin (»Evidence based Medicine, EbM«) bemüht sich, ärztlichklinische Erfahrung mit wissenschaftlichen Ergebnissen zu verzahnen um eine bestmögliche Versorgung von Patienten hinsichtlich Diagnose und Therapie zu gewährleisten. Hierzu wird versucht, den aktuellen Stand der Wissenschaft in die klinische Praxis zu integrieren. Wissenschaftliche Ergebnisse werden mit standardisierten Methoden untersucht und Studien in verschiedene Evidenzklassen unterteilt, um Leitlinien für Diagnose und Therapie in der klinischen Praxis zu gewinnen.

1.4

Theoretische Grundlagen

1.4.1 Biologische Grundlagen Repräsentation psychischer Funktionen im Gehirn Zur Zuweisung von Verhaltensweisen zu den unterschiedlichen Hirnstrukturen empfiehlt sich eine Einteilung des Gehirns in den zentralen Kern, das limbische System und das Großhirn (GK Anatomie, 7 Kap. 9, Physiologie, 7 Kap. 12). Zentraler Kern

Zum zentralen Kern gehören: 4 Cerebellum (Kleinhirn): Dieser Hirnteil ist zuständig für Rumpfstabilität und Gleichgewicht, (feinmotorische) Koordination von Bewegungen; Beteiligung an Steuerung und Koordination höherer mentaler Funktionen (Sprache, denkerisches Planen und Schlussfolgern) durch neuronale Verbindungen zu frontalen Gehirnstrukturen. 4 Formatio reticularis: Sie besitzt eine netzartige Struktur und erhält Informationen aus zahlreichen auf- und absteigenden Bahnen. Die aufsteigenden Bahnen spielen eine wichtige Rolle bei der Aktivierung (Wachen, Schlafen, Aufmerksamkeitsfokussierung, Bewusstheitszustand). Man

bezeichnet das aufsteigende System auch ARAS (»Ascending Reticular Activating System«). Weitere Funktionen der Formatio reticularis sind Erregungskontrolle, Filterung sensorischer Signale (hat z. B. Einfluss auf die Schmerzschwelle) sowie Sitz von Atem- und Kreislaufzentrum. Ein Teil der Formatio reticularis gehört zum limbischen System. 4 Thalamus: »Tor zum Bewusstsein«. Der Thalamus dorsalis dient als »Schaltzentrale«: Aus der Peripherie stammende somatosensible und sensorische Bahnen (bis auf die olfaktorischen) sowie die vom Hirnstamm (Formatio reticularis), dem Hypothalamus und dem Cerebellum kommenden Bahnen werden hier umgeschaltet und zum Großhirn weitergeleitet. Verschiedene Thalamuskerne übernehmen verschiedene Funktionen: Die Nuclei anteriores sollen das emotionale Verhalten und die Motivation beeinflussen, die Nuclei ventrolaterales Schmerzleitung und Geschmacksempfindung sowie in den anterioren Kernen die Willkürmotorik beeinflussen. 4 Hypothalamus: Dieser ist zuständig für die vegetative Regulation höherer Ordnung sowie neuroendokrine Regulationen (über die Hypophyse) und elementare Verhaltensweisen. Er ist beteiligt an der Regulierung von Essen, Trinken und Sexualverhalten und hält die Homöostase aufrecht. Er kann als zentrales Bindeglied zwischen Nerven- und Hormonsystem gesehen werden. Ferner soll der Hypothalamus bei Schmerzund Angstreaktionen sowie weiterem emotionalem Geschehen eine wichtige Rolle spielen. Limbisches System

Das Limbische System besteht aus: 4 Hippocampus: Dies ist die zentrale Gedächtnisstruktur, wichtig für die langfristige Speicherung neuer Gedächtnisinhalten. 4 Mandelkerne: Die Mandelkerne sind wichtig für emotionale Konditionierung und Lernvorgänge. Das limbische System ist wesentlich für die Regulation des emotionalen Geschehens, für Motivationsund Gedächtnisprozesse sowie Orientierungsvorgänge.

37 1.4 · Theoretische Grundlagen

Großhirnrinde (Cortex cerebri)

Die Großhirnrinde ist durch den Sinus sagittalis (Längsfurche) in zwei Hemisphären geteilt, welche durch das Corpus callosum (Balken) miteinander verbunden sind. Jede Hemisphäre ist wiederum in 4 Lappen unterteilt: 4 Lobus frontalis (Stirnlappen): motorische Funktionen, Sprachzentrum, Sitz der Persönlichkeit. 4 Lobus parietalis (Scheitellappen): Bearbeitung sensorischer Informationen, Lesezentrum. 4 Lobus temporalis (Schläfenlappen): Hörzentrum, Wortverständnis, Worterinnerung. 4 Lobus occipitalis (Hinterhauptslappen): Sehzentrum. Bestimmte Areale sind für die Bewertung und Verarbeitung der sensorischen und motorischen Informationen zuständig: 4 Primärer somatosensorischer Cortex: Körperempfindungen (Wärme, Kälte, Berührungen, Schmerzen, Bewegungen) der gegenüber liegenden Körperseite werden registriert. 4 Primärer motorischer Cortex steuert die Willkürbewegungen des Körpers. Auf den genannten Cortexbereichen ist der Körper kopfstehend abgebildet (sensorischer und motorischer Homunculus). Die Größe der jeweiligen Cortexfläche entspricht in etwa der Empfindlichkeit und Vielseitigkeit des entsprechenden Körperteils. Die zuständigen Cortexbereiche im Hinterhaupts- bzw. Schläfenlappen für Sehen und Hören heißen: 4 Primärer visueller Cortex: Rezeptive Felder reagieren spezifisch auf Orientierung, Richtung und Länge eines visuellen Reizes. 4 Primärer auditorischer Cortex: Verarbeitung auditorischer Reize. Die meisten Nervenfasern verlaufen von Auge und Ohr zur kontralateralen Seite, jeweils einige aber auch gleichseitig. Der Cortex speichert das im Laufe des Lebens erworbene Wissen. Hemisphärendominanz (Lateralisation von Funktionen)

Die linke Hemisphäre steuert die rechte Körperhälfte, die rechte Hemisphäre die linke Körperhälfte.

1

In der Regel wird links das Sprachzentrum von Rechtshändern lokalisiert. Ferner sind hier analytisch-abstraktes Denken und Bewusstsein lokalisiert. Rechts sind emotionale und musische Fähigkeiten sowie räumliches und musterbezogenes Vorstellungsvermögen und ganzheitliches Denken lokalisiert.

Merke Die Lateralisierung von Funktionen wird oft übertrieben dargestellt. Sie ist nicht so eindeutig, wie manchmal geschildert. Ein funktionierendes Gehirn braucht den Austausch der beiden Hemisphären.

Neuronale Plastizität

Erfahrung und Lernen fördern die Entwicklung von aktiven neuronalen Verbindungen. Beim Ausfall eines Areals können häufig andere neuronale Verbände dessen Funktionen übernehmen. Zwar ist die neuronale Plastizität bei Kindern noch größer, aber auch die Gehirne Erwachsener besitzen durchaus plastische Fähigkeiten. In gewisser Weise ist die durch die neuronale Plastizität mögliche Reorganisation nach einer Schädigung eine Form von Regeneration. Die Fähigkeit zur neuronalen Regeneration im Sinne von Neubildung von Nervenzellen ist bei erwachsenen Säugetieren auf wenige Regionen, z. B. den Gyrus dentatus des Hippokampus beschränkt (Schmidt-Hieber, 2005).

Neurotransmitter und Verhalten Dopamin

Dopamin ist wichtig für die Steuerung von Körperbewegungen; es soll zudem das allgemeine Aktivitätsniveau und die Geselligkeit eines Menschen beeinflussen. Die Dopaminausschüttung kann ferner zu positiven Hochgefühlen führen. Dopamin wird auch mit Suchterkrankungen, Schizophrenie (Schizophrene sollen entweder zu viel Dopamin produzieren oder über zu viele Dopaminrezeptoren verfügen) und mit der Parkinson-Krankheit in Verbindung gebracht. Bezüglich Schizophrenie gibt es Hinweise auf Zusammenhänge zwischen überhöhter Dopaminaktivität und den sog. »Positivsymptomen«

Med. Psychologie/ Soziologie

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Kapitel 1 · Entstehung und Verlauf von Krankheiten

sowie andererseits niedriger Dopaminaktivität und den »Negativsymptomen«. Serotonin

Serotonin spielt eine große Rolle bei der Stimmungsregulation. Störungen des Serotoninspiegels werden mit Depressionen, Zwangsstörungen, Panikstörungen und der Bulimia nervosa in Zusammenhang gebracht (in der Regel zu niedrige Serotoninspiegel). Bei der Zwangsstörung liegen widersprüchliche Ergebnisse bezüglich einer zu niedrigen oder zu hohen Serotoninkonzentration vor, viele Patienten aber sprechen auf (selektive) Serotonin-Wiederaufnahme-Hemmer gut an, die ursprünglich zur Behandlung von Depressionen eingesetzt wurden. Serotonin scheint auch bei der Regulation des Schlaf-WachRhythmus und Appetits sowie bei der Kontrolle vegetativer Regulationen eine wichtige Rolle zu spielen.

Zwei Beispiele von Grundlagen genetischer Einflüsse auf das Verhalten Genetischer Rezeptordefekt bei chronischem Alkoholismus

Durch Anlagerung von Dopamin an D2-Rezeptoren sollen Zufriedenheitsgefühle ausgelöst werden. Die Dopaminproduktion wird durch den Umsatz von Alkohol erhöht. Bei Alkoholismus soll durch das anhaltende Überangebot die Empfindlichkeit der D2Rezeptoren nachlassen; eine andere These besagt, dass chronischer Alkoholkonsum D2-Rezeptoren zerstört. In beiden Fällen ist die Folge, dass mehr Alkohol benötigt wird, um ein Zufriedenheitsgefühl auszulösen. Ferner existiert die These, dass ein genetischer Defekt des D2-Rezeptors aufgrund einer damit einhergehenden hohen Alkoholtoleranz ein Faktor in der Ätiologie von Alkoholismus sein könnte. Alkoholismus ist jedoch ein komplexes Erkrankungsbild, bei dem neben genetischen Dispositionen auch psychische und soziale ätiologische Faktoren eine Rolle spielen.

(s. o. »Dopamin«), zum anderen in der Anatomie der Hirnstruktur (es zeigen sich z. B. Unterschiede in den Seitenventrikeln zwischen schizophrenen und gesunden Personen).

1.4.2 Lernen In den sog. Lerntheorien geht man davon aus, dass gesundes und krankes Verhalten den gleichen Lernprinzipien unterliegt.

Klassische Konditionierung oder Signallernen Diese Lernart basiert auf der Darbietung eines eigentlich neutralen Reizes zeitnah und wiederholt zu einer unkonditionierten Reiz-Reaktionsverbindung. Ihr »Entdecker« war der Physiologe Pawlow. Das Prinzip der Klassischen Konditionierung ist in . Abbildung 1.7. schematisch dargestellt: Ein unkonditionierter (auch »unbedingter«) Stimulus (UCS), z. B. Futter, löst bei einem Hund eine unkonditionierte (unbedingte) Reaktion aus: Speichelabsonderung. Parallel zum unkonditionierten Reiz wird wiederholt der neutrale Reiz eines Glockentons, der allenfalls eine Orientierungsreaktion auslöst, dargeboten. So wird mit der Zeit der ursprünglich neutrale Reiz zu einem konditionierten Stimulus (CS), der eine konditionierte Reaktion (CR) auslöst: Der Hund speichelt bereits beim Hören des Glockentons. Wird der konditionierte Reiz nicht länger mit dem unkonditionierten dargeboten, bleibt mit der Zeit auch die konditionierte Reaktion aus (Extinktion, »Löschung«). Nach einer Ruhezeit kann die gelöschte Reaktion in schwacher Form wieder auftreten, wenn der konditionierte Reiz wieder allein geboten wird (spontane Erholung). Ist eine konditionierte Reaktion auf einen bestimmten Reiz gelernt worden, kann es vorkommen, dass ähnliche Reize die gleiche Reaktion auslösen (Reizgeneralisierung). Es ist jedoch auch möglich, durch Diskriminationstraining zwischen ähnlichen Reizen zu unterscheiden (Reizdiskrimination).

Genetik und Schizophrenie

Je enger der Verwandtschaftsgrad zu einer erkrankten Person ist, desto höher ist das Risiko an Schizophrenie zu erkranken. Zum einen zeigen sich genetische Besonderheiten im Neurotransmitterhaushalt

Operantes Konditionieren oder Lernen am Erfolg Die Operante Konditionierung basiert auf den Arbeiten von Skinner. Ihr Grundprinzip besteht darin,

39 1.4 · Theoretische Grundlagen

. Abb. 1.7. Das Prinzip der Klassischen Konditionierung. Erläuterungen im Text

Futter (UCS)

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Speichelabsonderung (UCR) (Wiederholte Darbietung in zeitlicher Nähe)

Glockenton (neutraler Reiz) Futter (UCS)

Speichelabsonderung

Glockenton Speichelabsonderung (CR)

Glockenton (CS)

dass Verhalten von ihm folgenden Konsequenzen abhängt. Dabei gelten folgende Begriffe: 4 Verstärkung: Häufigkeitszunahme eines Verhaltens. 4 Verstärker: positive oder negative Verhaltenskonsequenzen. 4 Positive Verstärkung: Positive Verstärker führen zur Häufigkeitszunahme eines Verhaltens. 4 Negative Verstärkung: Der Wegfall negativer Reize führt zur Häufigkeitszunahme.

Prüfungsfallstricke Verstärkung meint immer eine Verhaltenszunahme! Negativ verstärktes Verhalten ist löschungsresistenter als positiv verstärktes Verhalten. Effektgesetz des Lernens: Ein Verhalten, das belohnt wird, wird häufiger; ein Verhalten, das bestraft wird, wird seltener.

. Tabelle 1.7. veranschaulicht den Unterschied zwi-

schen Verstärkung und Bestrafung. Primäre Verstärker befriedigen primäre Bedürfnisse (Nahrung, Schlaf, etc.).

Sekundäre Verstärker werden an primäre Verstärker gekoppelt (klassische Konditionierung), z. B. soziale Verstärker (Anerkennung, Lob,…) oder materielle Verstärker (Geld,…). Emittiertes Verhalten sind Verhaltensweisen, die spontan auftreten. Sie müssen sich zeigen, damit sie verstärkt werden können. Prompting: Möchte man ein Verhalten verstärken, aber es zeigt sich nicht spontan, so können (verbale oder behaviorale) Hilfestellungen gegeben werden. Das allmähliche Ausblenden dieser Hilfen im Laufe eines Konditionierungsprozesses nennt man Fading. Shaping: Soll ein völlig neues Verhaltensmuster gelernt werden, kann man zunächst alle Verhaltensweisen verstärken, die annähernd dem Zielverhalten ähneln. Mit der Zeit wird die Verstärkung differenzieller und man nähert sich sukzessive dem Zielverhalten an. Chaining: Hier geht es darum, komplexe Verhaltensketten zu erlernen. wobei in der Regel das letzte Element zuerst verstärkt wird, die Verhaltenskette also quasi »von hinten« aufgebaut wird. Premack-Prinzip: Kopplung einer weniger beliebten an eine beliebte Tätigkeit gekoppelt (»Grand-

. Tab. 1.7. Unterscheidung von positiver und negativer Verstärkung vs. Bestrafung

Wird als Verhaltenskonsequenz… …hinzugefügt

…entfernt

Positiver Verstärker

Positive Verstärkung (Verhalten wird häufiger)

Bestrafung (Verhalten wird seltener)

Negativer Verstärker

Bestrafung (Verhalten wird seltener)

Negative Verstärkung (Verhalten wird häufiger)

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Kapitel 1 · Entstehung und Verlauf von Krankheiten

ma’s Law«: »Erst isst du deine Kartoffeln auf, dann darfst du spielen!«) Operantes Verhalten: Verhalten, das operant konditioniert wurde und welches von den Konsequenzen abhängt. Verstärkungspläne gibt es wie folgt: 4 Kontinuierliche Verstärkung: Jede einzelne gewünschte Verhaltensweise wird verstärkt. 4 Intermittierende Verstärkung: Nur eine bestimmte Anzahl aller gewünschten Verhaltensweisen wird verstärkt. 5 festgelegte Quotenpläne: Jede x-te gewünschte Verhaltensweise wird verstärkt 5 variable Quotenpläne: Verstärkung mal nach der 2., mal nach der 7., mal nach der 10. Reaktion, etc.. 5 festgelegte Intervallpläne: Verstärkung nach der ersten kritischen Verhaltensweise, die nach Ablauf eines festgelegten Zeitintervalls ausgeführt wird. 5 variable Intervallpläne: Die Zeitabstände sind variabel.

Merke Verhalten wird zwar bei kontinuierlicher Verstärkung schneller gelernt, ist aber bei intermittierender Verstärkung löschungsresistenter. Innerhalb intermittierender Pläne gilt: Nach festgelegten Plänen wird schneller gelernt, nach variablen Plänen Gelerntes ist sehr löschungsresistent.

Prüfungsfallstricke Besser für rasche Verhaltensänderung ist eine kontinuierliche Verstärkung; besser für dauerhafte Verhaltensänderung ist eine intermittierende Verstärkung.

Die Phänomene Reizgeneralisierung und -diskrimination (s.o.) können auch bei der operanten Konditionierung auftreten. Situationen, die einer ursprünglichen Verstärkersituation ähnlich sind, können entsprechende Reaktionen auslösen oder aber ein Verhalten kann entsprechend bestimmter Situationsbedingungen gelernt werden.

Semantisches Lernen ist eine Sonderform des operanten Konditionierens: Als Verstärker greifen hier verbale oder nonverbale Äußerungen von (Bezugs-)Personen. KLINIK Konditionierung (klassisch und operant) geschieht nicht nur bewusst eingesetzt in Tierdressur, Kindeserziehung und Therapie. Viele alltägliche Verhaltensweisen und Reaktionen werden unbewusst konditioniert. Ein gutes Beispiel hierfür ist die Entstehung von Angst und Vermeidungsverhalten: Während die Angst vor einem bestimmten Objekt durch klassische Konditionierung erworben werden kann, wird v.a. die Vermeidung des Angst auslösenden Objekts durch operante Konditionierung verstärkt: Jemand hat z. B. aufgrund schmerzhafter Erfahrungen (klassische Konditionierung) Angst vor dem Zahnarzt. Die Angst setzt ein, wenn die Person an eine bevorstehende Behandlung denkt. Dadurch dass sie den Termin absagt, reduziert sich diese Angst schlagartig – es kommt zu einer negativen Verstärkung: Das Vermeidungsverhalten wird immer wieder gezeigt, die betroffene Person geht u. U. jahrelang nicht zum Zahnarzt.

Lernen durch Einsicht (kognitives Lernen) Im Allgemeinen versteht man hierunter das Anwenden bekannter Informationen auf eine neue Situation. In einer Problemsituation kommt es zur plötzlichen Erkenntnis (einem »Aha-Erlebnis«), wobei der Lösungsweg schließlich auch auf andere Situationen übertragen werden kann. Interpretieren und Bewerten sowie Planen und Steuern sind ebenfalls Aspekte des kognitiven Lernens.

Modell-Lernen (Beobachtungslernen) Bandura entwickelte diese Theorie des sozialen Lernens. Hierbei werden Verhaltensweisen und möglicherweise auch positive oder negative Konsequenzen (»stellvertretende Verstärkung«) an einem Modell beobachtet und auf diese Weise erlernt. Als Prozesse des Modell-Lernens gelten: 4 Verhaltensaneignung (Akquisition): Wesentliche Merkmale des beobachteten Verhaltens werden symbolisch verschlüsselt (z. B. sprach-

41 1.4 · Theoretische Grundlagen

lich oder bildhaft) im Gedächtnis gespeichert (u. U. auch mögliche Konsequenzen sowie vorstellungsmäßiges Üben des Verhaltens). 4 Verhaltensäußerung (Performanz): Das so angeeignete Verhalten wird sofort oder später ausgeführt. Haupteffekte des Modell-Lernens sind: 4 Beobachtungslernen: Das Erlernen neuer Verhaltensweisen oder die Neuzusammensetzung von (bekannten) Verhaltenselementen. 4 Enthemmungseffekte: Bereits gelerntes Verhalten tritt nach Modellbeobachtung häufiger auf. 4 Hemmungseffekte: Verhalten nimmt nach Modellbeobachtung ab.

Lernen durch Eigensteuerung/ Selbstverstärkung Zunächst werden viele Verhaltensweisen durch Modell-Lernen und operante Konditionierung erworben. Mit der Zeit stellt der Mensch selbst Ansprüche an sein Handeln, äußere Verstärkung und Bestrafung wird von intrinsischen Faktoren abgelöst (Selbstkontrolle, Selbstbekräftigung, Selbstkritik).

Weitere Lernbegriffe Habituation und Dishabituation: Einfache Form des Lernens (7 Kap. 1.2.2). Potentiation: Durch Wiederholung werden neuronale Verbindungen gestärkt; Basis für Erinnerung und Lernen. Sensitivierung: Auf einzelne Reize oder Reizgruppen mit unangenehmen (bedrohlichen oder schmerzhaften) Folgen kann gelernt werden, stärker zu reagieren als auf neutrale Reize. Negativer Transfer: Ein gelerntes Verhalten wird auf eine ähnliche Situation übertragen, in welcher es allerdings nicht zweckmäßig ist (Der Begriff beinhaltet keine Aussage darüber, auf welche Weise gelernt wurde!).

1.4.3 Kognition Kognition (lat.: erkennen): Man bezeichnet damit den gesamten Komplex von Wahrnehmung, Bewusstsein, Denken, Erkennen, Erinnern und weiteren geistigen Fähigkeiten und Prozessen.

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Neuropsychobiologische Grundlagen Regionen im präfrontalen Cortex sind zuständig für zielorientierte Planung und Verhaltenskontrolle. Störungen in diesem Bereich können u. a. mit Störungen im Arbeitsgedächtnis in Zusammenhang gebracht werden. Auch Aufmerksamkeitsstörungen sollen mit präfrontalen Störungen in Zusammenhang stehen.

Aufmerksamkeit Als Aufmerksamkeit bezeichnet man die gesteigerte Wachheit (Vigilanz) und selektive Orientierung von Wahrnehmung, Denken und Handeln, um einzelne Tätigkeiten zielgerichtet ausführen zu können. Selektive Aufmerksamkeit steht für eher unbewusste Reizauswahl persönlich bedeutsamer aus vielen dargebotenen Stimuli. KLINIK Der Begriff der Aufmerksamkeitsstörung ist in den letzten Jahren v.a. in der Entwicklungs- und Pädagogischen Psychologie stark in Mode gekommen (»Aufmerksamkeits-Defizit-Syndrom, ADS« sowie »Aufmerksamkeits-Defizit-/Hyperaktivitäts-Störung, ADHS«). Hierunter versteht man die Unfähigkeit, sich altersgemäß längere Zeit auf eine Sache zu konzentrieren (u.U. mit begleitender Hyperaktivität). Auf eine Aufmerksamkeitsstörung können neben anderen Kennzeichen folgende hinweisen: 5 viele Flüchtigkeitsfehler, 5 Mängel im Halten der Konzentration bei längeren Aufgaben, 5 Organisationsprobleme, 5 häufiges Vergessen von Dingen und Unordentlichkeit. Hinzu kommt häufig eine erhöhte Impulsivität und motorische Unruhe. Zur Diagnosestellung müssen die Symptome mindestens über einen Zeitraum von 6 Monaten bestehen, vor dem Alter von 7 Jahren auftreten und sich in mehreren Lebensbereichen (Familie, Freizeit, Schule) zeigen. Ferner müssen andere Ursachen für das Verhalten ausgeschlossen werden können (z. B. Bewegungsmangel, Schlafmangel, emotionale Belastungen, Vernachlässigung/Misshandlung, Hochbegabung).

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Kapitel 1 · Entstehung und Verlauf von Krankheiten

Wahrnehmung Wahrnehmung ist der Gewinn von Informationen aus Innen- oder Außenwelt. Hierzu zählen Aufnahme, Verarbeitung und Interpretation der aufgenommenen Reizinformationen. Man unterscheidet: 4 Exterozeption (Umgebungswahrnehmung): Mittels Sinnesorgane und spezifischen Rezeptoren. 4 Interozeption (Innenwahrnehmung): Allgemeine Wahrnehmung körperlicher Prozesse und Zustände. Weitere Unterteilung 7 Kap. 1.1.2. Bei der selektiven Wahrnehmung werden hauptsächlich Reize wahrgenommen, die der Erwartung entsprechen (das spielt z. B. bei der Aufrechterhaltung von Vorurteilen eine große Rolle). Es kommt zu einer Verstärkung von Wahrnehmungstendenzen, wenn Erwartungen durch Zufall oder durch selektive Wahrnehmung häufiger mit der eintreffenden Information übereinstimmen. Widerspricht ein Wahrnehmungsinhalt den Erwartungen, wird er auch gerne umgedeutet, sodass er ins Schema passt (Umdeutung von Wahrnehmung). Werden unangenehme oder Tabu-Reize (unbewusst) abgelehnt, spricht der Fachmann von Wahrnehmungsabwehr. In Experimenten mit Darbietung tabuisierter Reize an der Grenze zur bewussten Wahrnehmung (Wahrnehmungsschwelle) kommt es zu einer messbaren Wahrnehmungsverzögerung. Auch unterschwellige Wahrnehmung kann in Experimenten nachgewiesen werden: unterschwellig (akustisch oder visuell) dargebotene Reize beeinflussen die Bearbeitung nachfolgender Aufgaben. Zu den Wahrnehmungsstörungen gehören: 4 Agnosie: Der Patient ist trotz intakter Sinnesorgane unfähig, Wahrnehmungen zu erkennen (beschreibt z. B. »Schere« als »metallenes, spitzes Ding«). Ursache: Ausfall von Regionen um sensorische Projektionsfelder. 4 Prosopagnosie: Unfähigkeit, Gesichter erkennen zu können.

Informationsverarbeitung und -bewertung Das Individuum nimmt Informationen aus der Umwelt auf, speichert und transformiert sie und gibt wiederum Informationen an die Umwelt ab. Wichtig ist in diesem Zusammenhang auch, dass das Individuum die eingehenden Informationen in irgendei-

ner Form bewertet. Ferner verfügt das Individuum über eine gewisse Vorstellungsfähigkeit (Der Begriff Vorstellung ist sehr umfassend, er bezeichnet sowohl blasse geistige Schemen als auch inhaltliche Phantasien und geistige Bilder): Es zeigen sich in der Informationsverarbeitung sowohl datenbezogene als auch vorstellungsbezogene Prozesse.

Sprache Sprache soll eng mit Denken verknüpft sein. Sie dient der Kommunikation von Gedanken, Wünschen und Gefühlen und wird zwischen Menschen durch den Gebrauch von Symbolen praktiziert. Wir assoziieren mit dem Begriff im Allgemeinen verbale Lautsprache. Zuständige Hirnregionen sind das Brocafeld (wichtig für Sprachproduktion, Lokalisation in den Frontalwindungen der dominanten Hemisphäre – bei Rechtshändern links) sowie das Wernicke-Areal (entscheidend für Sprachverständnis, Lokalisation im parietalen Temporallappen der dominanten Hemisphäre) (GK Physiologie, 7 Kap. 20). Verschiedenste geistige Vorgänge der inneren Beschäftigung mit dem Ziel des Erkenntnisgewinns bezeichnet man als Denken. Hierzu findet eine Verknüpfung von Gedankeninhalten statt. Zentrale Begriffe, die bei beidem eine Rolle spielen, sind Konzepte und Konzeptbildung: 4 Konzept: In diesem Sinne meint einen abstrakten Begriff von Objekten. Hierbei kann es sich sowohl um ein Wort als auch um eine geistige Vorstellung von etwas handeln. 4 Konzeptbildung: Konzepte werden durch Lernen erworben. Wichtig ist in diesem Zusammenhang ebenso die Fähigkeit zu generalisieren, um Oberbegriffe für Klassen bilden zu können, als auch das Differenzieren, um einzelne Elemente von anderen abgrenzen zu können. Als Aphasie bezeichnet man zentrale Sprachstörungen: 4 Broca-Aphasie (motorische oder expressive Aphasie): Störung im Bereich der Sprachproduktion bei intaktem Sprachverständnis. 4 Wernicke-Aphasie (sensorische oder rezeptorische Aphasie): Störung des Sprachverständnisses. 4 Amnestische Aphasie: Leichte Störung des Sprachverständnis bei meist flüssiger Sprach-

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43 1.4 · Theoretische Grundlagen

produktion, aber Wortfindungsstörungen und Paraphasie. 4 Globale Aphasie: Starke Störung der Sprachproduktion und des Sprachverständnisses, oft nur einzelne Wörter oder z. B. Automatismen möglich. 4 Leitungsaphasie: Läsionen zwischen posterioren und links-frontalen Hirnregionen. Die betroffene Person kann zwar sprachlich kommunizieren, nicht aber wiederholen und nachsprechen.

Prüfungsfallstricke Die Aphasien werden immer wieder gerne geprüft!

Gedächtnis Merke Unter Gedächtnis versteht man die Fähigkeit, Informationen zu speichern und sie zu einem späteren Zeitpunkt zu reproduzieren oder wieder zu erkennen.

. Abbildung 1.8. zeigt ein Modell der verschiedenen Speicher- und Gedächtniskonstrukte. Der sensorische Speicher ist die erste Verbindungsstelle für eingehende sensorische Informationen: visuelle Reize werden bis zu 1 s im Ikonischen Gedächtnis, akustische Reize für wenige Sekunden im Echoischen Gedächtnis gespeichert. Im Kurzzeitgedächtnis (KZG) können dann 7±2 Elemente, die (akustisch oder visuell) für einen kurzen Moment dargeboten werden, bis zu 20 s behalten werden. Informationen können schließlich ins Langzeitgedächtnis (LZG) gelangen. Der Langzeitspeicher wird noch einmal unterteilt in

4 Sekundäres und 4 Tertiäres Langzeitgedächtnis. Das Sekundäre LZG wird auch Mittel- oder Arbeitsgedächtnis genannt: Hier werden Informationen aus KZG und Tertiärem LZG zur Lösung komplexer Aufgaben zwischengelagert (z. B. Rechenaufgabe: Zwischensummen aus KZG und Wissen über Rechenoperationen aus LZG). Das Tertiäre bzw. Altgedächtnis ist das eigentliche LZG. Es wird wiederum unterteilt in das Prozedurale (auch: Implizites, Habit-, Verhaltens-)Gedächtnis, welches einfache motorische und kognitive Gewohnheiten abspeichert sowie in das Deklarative (auch: Explizites, Wissens-)Gedächtnis. Innerhalb des Deklarativen Gedächtnisses werden das Autobiografische (auch: Episodisches) Gedächtnis und das Semantische Gedächtnis unterschieden. Das Autobiografische Gedächtnis speichert Ereignisse im raumzeitlichen Kontext des eigenen Lebens, das Semantische Gedächtnis speichert faktisches Wissen sowie Wissen über Wortbedeutungen. Der Gedächtniserwerb erfolgt über: 1. Encodierung: Eingehende Informationen werden verschlüsselt, um vom Gedächtnis aufgenommen und verarbeitet zu werden. 2. Speicherung: Anschließend werden sie in einem entsprechendem Gedächtnissystem abgelegt. 3. Abruf: Schließlich werden die gespeicherten Informationen (zu irgendeinem späteren Zeitpunkt) abgerufen. Gedächtnisstörungen bei Speicherung und Abruf

Für die Speicherung gilt: 4 Retroaktive Interferenz (retroaktive Hemmung): Neu Gelerntes stört das zuvor Gelernte. 4 Proaktive Interferenz (proaktive Hemmung): Alte Informationen beeinträchtigen das neu zu Lernende.

LZG

KZG: Sensorischer Speicher Ikonisches G.:

Echoisches G.:

Visuelle Reize bis 1 Sek.

Akustische Reize bis wenige Sek.

7+ –2 Elemente nach einmaliger Darbietung für ca. 20 Sek.

Sekundäres LZG: Mittel-/ Arbeits-G.

Tertiäres LZG/Alt-G. Prozedurales G.

Deklaratives G. Autobiographisches G.

Semantisches G.

. Abb. 1.8. Modell der verschiedenen Speicher- und Gedächtniskonstrukte. KZG: Kurzzeitgedächtnis, LZG: Langzeitgedächtnis

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Kapitel 1 · Entstehung und Verlauf von Krankheiten

Dem Abruf steht das Vergessen entgegen; darunter versteht man die fehlerhafte oder unvollständige Reproduktion gelernter Inhalte. Die Ursache dafür ist unklar, diskutiert werden physiologische Veränderungen in den Gangliensystemen und Hemmvorgänge. Sinnhaftigkeit, persönliche Relevanz und Einbettung der Lerninhalte in einen größeren Kontext wirken sich günstig auf das Behalten (Retention) aus (So lernt sich auch für’s Examen am besten!).

und Drogenmissbrauch ebenso entstehen wie durch Hirnverletzungen oder Schlaganfälle. KLINIK Die Alzheimer-Demenz ist auf schwerwiegende degenerative Hirnveränderungen zurückzuführen und macht den Großteil aller Demenz-Fälle aus.

Amnesien

Problemlösen

Den totalen oder partiellen Ausfall der Gedächtnisleistung nennt man Amnesie. Es gibt folgende Formen: 4 Anterograde Amnesie nennt man Gedächtnislücken für den Zeitraum nach dem schädigenden Ereignis (z. B. Unfall) im Umfang von Minuten, Tagen oder Jahren. 4 Retrograde Amnesie bezeichnet Gedächtnislücken für den Zeitraum vor dem schädigenden Ereignis im Umfang von Minuten, Tagen oder Jahren. 4 Dissoziative Amnesie ist die plötzlich eintretende Unfähigkeit, sich an wichtige persönliche Informationen und Ereignisse zu erinnern. Die vergessenen Informationen haben traumatischen oder belastenden Charakter.

Als Problem wird eine Diskrepanz zwischen Istund Soll-Zustand inklusive dazwischen befindlicher Barriere bezeichnet. Stufenmodell des Problemlöseprozesses: 1. Vorbereitungsphase: Definition von Ausgangszustand, End- und Zwischenzielen. Analyse von Hintergrundwissen und eigenen Fähigkeiten sowie Festlegung notwendiger Zwischenschritte zum Erreichen des Ziels. 2. Ideengenerierungsphase: Generierung verschiedener alternativer Lösungsmöglichkeiten, wobei auf frühere Erfahrungen mit ähnlichen Problemen und/oder externes Wissen zurückgegriffen wird. Es werden Hypothesen über den Erfolg der verschiedenen Möglichkeiten gebildet. 3. Beurteilungs- und Auswahlphase: Auswahl einer Lösungsalternative aufgrund bestimmter Kriterien. 4. Lösungsversuch: Bei Erreichen des gewünschten Zieles ist die Problemlösung abgeschlossen. Falls bisher generierte Lösungsansätze nicht zum Ziel führen, startet der Prozess von vorne.

Weitere Gedächtnisstörungen

Weitere Gedächtnisstörungen sind: 4 Korsakow-Syndrom: Darunter versteht man die durch Alkoholismus induzierte, persistierende amnestische Störung mit extremer Verwirrung und weiteren neurologischen Auffälligkeiten. Häufig zeigt sich Konfabulation (Überspielen von Gedächtnislücken durch spontan erfundene Gegebenheiten). 4 Perseveration bezeichnet das Verharren bzw. Verhaften bei bestimmten Erlebnis-, Gedächtnisoder Handlungsinhalten und auch die Wiederholung von Sprech- und Denkinhalten (bei Übermüdung, Alkoholgenuss, Störungen oder im Alter). 4 Demenz: Ein auf hirnorganische Ursachen zurückzuführender Verlust verschiedener höherer Hirnfunktionen, inklusive des Gedächtnisses, Denk- und Urteilsfähigkeit sowie sozialer und Alltagsfertigkeiten wird als Demenz bezeichnet. Demenzen können im Rahmen von Alkohol-

Intelligenzformen und Intelligenztheorien Zweifaktoren-Theorie = Generalfaktorentheorie nach Spearman

Zweifaktoren steht als Begriff deshalb, da postuliert wird, dass es neben einem generellen Intelligenzfaktor (g-Faktor), der alle Leistungen erfasst, für jede intellektuelle Leistung noch einen spezifischen Faktor (s-Faktor) gibt (insgesamt gibt es mehrere s-Faktoren).

Prüfungsfallstricke Eselsbrücke: Zweifaktoren, weil »g« und »s«. »Generalfaktor«, weil »g« allen Intelligenzleistungen gemeinsam ist.

45 1.4 · Theoretische Grundlagen

Der HAWIE Hamburg-Wechsler Intelligenztest für Erwachsene (HAWIK: …für Kinder) ist ein Individualtest (nur eine Person kann getestet werden), da er neben Textaufgaben (deshalb sprachabhängig) auch einen Handlungsteil hat. Es gibt keine Multiple-Choice-Aufgaben; der Test umfasst: 4 Verbalteil: allgemeines Wissen, Zahlen nachsprechen, Wortschatz-Test, rechnerisches Denken, allgemeines Verständnis und Gemeinsamkeiten finden. 4 Handlungsteil: Bilder ergänzen, Bilder ordnen, Mosaik-Test, Figuren legen und ein ZahlenSymbol-Test.

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hängiger (fluider) Intelligenz. Während im Laufe des Lebens die fluide Intelligenz allmählich abnehmen soll, nimmt die kristalline mit dem Alter zu. Dabei erfasst der Grundintelligenztest, CFT die kulturunabhängige fluide Intelligenz; er liegt in verschiedenen Fassungen für mehrere Altersgruppen vor. Im Wesentlichen beinhaltet er Reihen fortsetzen, Klassifikationen, Matrizen und topologische Schlussfolgerungen.

1.4.4 Emotion Neurobiologische Grundlagen

HAWIE und HAWIK basieren auf der Generalfaktorentheorie von Spearman. Der Mittelwert liegt bei 100, die Standardabweichung beträgt 15. 7-Faktoren-Theorie (Thurstone)

Thurstone nahm sieben voneinander unabhängige Intelligenzfaktoren an (sie lassen sich nicht zu einem gemeinsamen Faktor zusammenfassen!): Merkfähigkeit, Wortverständnis, Wortflüssigkeit, Auffassungsgeschwindigkeit, Rechenfertigkeit, schlussfolgerndes Denken, räumliches Vorstellungsvermögen. Der Intelligenz-Struktur-Test (IST) basiert auf der multiplen Primär-Faktorentheorie von Thurstone. Es werden mehrere unabhängige Intelligenzfaktoren erhoben. Er erfasst z. B. folgende Fähigkeiten: Urteilsbildung, Sprachgefühl, Kombinationsfähigkeit, Abstraktionsfähigkeit, Merkfähigkeit, praktisch-rechnerisches Denken, induktives Denken mit Zahlen, Vorstellungsfähigkeit und räumliches Vorstellungsvermögen.

Merke Kreativität ist ein Persönlichkeitsmerkmal und gehört nicht zu den Intelligenzfaktoren!

Für unsere Emotionen sind v.a. phylogenetisch gesehen alte Teile des Gehirns (»Reptiliengehirn«) zuständig. Das Limbische System (7 Kap. 1.4.1) spielt eine große Rolle bei der Emotionsregulation. Die Mandelkerne (Amygdalae) können schnelle emotionale Reaktionen auslösen. Ferner verleihen sie sensorischen Reizen eine emotionale Bedeutung und erhalten auch ein Feedback über die von ihnen produzierten Reaktionen. Der Hypothalamus ist an Angstreaktionen (daher auch der Name »Stresszentrum«), aber auch an weiterem emotionalen Geschehen beteiligt.

Bewusste und unbewusste Prozesse »Affekt« wird manchmal als kurze und heftige Emotion definiert, häufig werden die Begriffe »Emotion«, »Affekt« und »Gefühl« jedoch synonym verwendet. Ebenso gibt es kaum scharfe Grenzen zu dem verwandten Begriff »Stimmung«. Rösler, Szewczyk und Wildgrube (1996) geben eine genaue Einteilung von Emotionen in Affekt, Gefühl und Stimmung wieder (. Tab. 1.8.), die verdeutlicht, dass an Emotionen sowohl bewusste als auch unbewusste Prozesse beteiligt sind.

Emotionstheorien Prüfungsfallstricke

James-Lange-Theorie

IST und HAWIE/HAWIK sind Papier- und BleistiftTests, man muss sie schriftlich bearbeiten.

Die körperlichen Veränderungen, welche Emotionen begleiten, sind nicht Folge, sondern Ursache von Emotionen. Nach der Wahrnehmung eines Objekts werden im Gehirn körperliche Reaktionen ausgelöst. Diese werden vom Individuum wahrgenommen und als Emotionen erlebt (»Wir weinen nicht, weil wir traurig sind, sondern wir sind

Intelligenztheorie nach Cattell

Cattell unterschied kultur- und erfahrungsabhängige (kristalline) von kultur- und erfahrungsunab-

Med. Psychologie/ Soziologie

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Kapitel 1 · Entstehung und Verlauf von Krankheiten

. Tab. 1.8. Einteilung von Emotionen nach Rösler, Szewczyk und Wildgrube (1996)

Dauer

Intensität

Reizabhänigkeit

Beispiele für Erlebnisqualität positiv

negativ

Affekt

kurz

heftig

Reaktion auf unmittelbaren äußeren Anlass

Glücksgefühl

Panikreaktion

Gefühl

länger

mittel

ausgelöst durch und gerichtet auf Ereignisse/ Objekte/ Personen

Freude

Furcht

Stimmung

anhaltend

gering

Die Verbindung zu einem Auslöser wird nicht immer bewusst erlebt (z. B. Neurotransmitterprozesse)

gute Laune

ängstliche Verstimmung

traurig, weil wir weinen« zitiert nach Schmidt-Atzert, S. 148). Zu den Gegenargumenten zur James-LangeTheorie gehört, dass die körperlichen Veränderungen bei Emotionen oft unspezifisch sind. zudem sind z. B. durch Injektion von Adrenalin zwar körperliche Reaktionen, aber keine Emotionen evozierbar. Theorie nach Cannon

Die Wahrnehmung eines Objekts führt zur Aktivierung des Thalamus, wodurch gleichzeitig physiologische Erregung und die entsprechende Emotion ausgelöst wird (vorprogrammiertes, reflexähnliches Geschehen).

Spezielle Emotionen Furcht und Angst

Furcht (»Realangst«) ist eine zweckmäßige emotionale Reaktion infolge der Wahrnehmung eines bedrohlichen Reizes. Angst ist eine emotionale Reaktion entsprechend der Furcht, jedoch grundlos oder wesentlich intensiver als dem Auslöser angemessen. Das emotionale Geschehen läuft auf drei Ebenen ab: 4 behavioral-motorisch (Flucht-/Vermeidungsverhalten), 4 subjektiv-kognitiv (Angstgedanken), 4 physiologisch (z. B. erhöhte Atem- und Herzschlagfrequenz).

Theorie nach Schachter und Singer

Es gibt ohne Kognitionen keine Emotionen; diese Theorie stellt eine modifizierte Version der JamesLange-Theorie dar: Nur die Intensität der Emotionen hängt von körperlicher Erregung ab, die Qualität (Angst, Freude, etc.) ergibt sich aus Wahrnehmung und kognitiver Verarbeitung der Situation.

Klassifikation von Emotionen Emotionen werden unterteilt in: 4 Basisemotionen (primäre Emotionen) sind von Geburt an (und auch bei Tieren) vorhanden. 4 Sekundäre Emotionen werden im Laufe der Entwicklung erworben: Stolz, Mitgefühl, etc. (hier besteht eine große Vielfalt). Ekman und Friesen unterscheiden in ihrem »Facial Action Coding System (1978) 7 Basisemotionen mit spezifischem Gesichtausdruck (7 Tab. 1.9.).

Als Angststörungen gelten: 4 Generalisierte Angststörung: Dabei handelt es sich um eine diffuse Angst, gekennzeichnet durch Anspannung, Besorgnis und Befürchtungen bezüglich alltäglicher Ereignisse und fortdauerndem Grübeln. 4 Soziale Phobie bezeichnet die Angst vor sozialen Situationen aufgrund der Befürchtung, sich blamieren zu können bzw. in irgendeiner Form von anderen negativ bewertet zu werden. 4 Spezifische Phobien sind Ängste vor konkreten Objekten bzw. Situationen (z. B. Spinnen, Höhen, etc.). Sie werden aufrecht erhalten durch operantes Konditionieren des Vermeidungsverhaltens (7 Kap. 1.4.2) – hier setzt die Verhaltenstherapie an (7 Kap. 2.4.3). 4 Agoraphobie ist die Angst vor Menschenmengen, öffentlichen Plätzen, Verkehrsmitteln u. ä. aufgrund der Befürchtung, nicht schnell genug fliehen zu können, wenn etwas sein sollte (keine

47 1.4 · Theoretische Grundlagen

1

. Tab. 1.9. Einteilung von Basisemotionen und Gesichtsausdruck nach Ekman und Friesen (1978)

Basisemotion

Mimik

Fröhlichkeit

Angespanntes unteres Augenlid, angehobene Mundwinkel.

Überraschung

Angehobene Augenbrauen, angehobenes oberes Augenlid, geöffneter Mund.

Ärger

Gesenkte Augenbrauen, gerunzelte Stirn, angehobenes oberes Augenlid, angespanntes unteres Augenlid.

Ekel

Angespanntes unteres Augenlid, angehobene Oberlippe.

Furcht

Augenbrauen teils angehoben teils gesenkt, gerunzelte Stirn, angehobenes oberes Augenlid, geöffneter Mund.

Traurigkeit

Augenbrauen teils angehoben teils gesenkt, gesenkte Mundwinkel.

Verachtung

Auf einer Seite angehobener und angespannter Mundwinkel.

Angst vor Blamage wie bei der sozialen Phobie). Die Agoraphobie kann mit oder ohne Panikstörung einhergehen. 4 Panikstörung ist gekennzeichnet durch das Auftreten plötzlicher Panikattacken mit Herzrasen, Brustenge, Atemnot und weiteren physiologischen Anzeichen für eine Dauer von ca. 10 min ohne Vorliegen somatischer Ursachen. Die Panikattacke ist ein Aufschaukelungsprozess, zu dessen Beginn die Wahrnehmung einer leichten physiologischen Veränderung steht, welche jedoch durch Angstkognitionen fehlinterpretiert wird. Die Panikstörung kann mit oder ohne Agoraphobie einhergehen. 4 Posttraumatische Belastungsstörung (PTSD) nennt man die emotionale Störung nach schwerem psychologischen Trauma mit Angst, Alpträumen, Schlafstörungen und Wiedererleben der traumatischen Situation in sog. Flash-Backs ab einer Dauer von einem Monat (darunter: akute Belastungsreaktion). Persönliche Auslöser (»Trigger«) können starke Angst und Panik verursachen. 4 Zwangsstörung: Die Zwangsstörung wird manchmal zu den Angststörungen gezählt mit der

Begründung, die Zwänge seien Folge starker Ängste (z. B. stundenlanges Händewaschen aufgrund Kontaminationsangst). Die Gegenmeinung besagt, dass es Zwänge gibt, welche zwar mit starker körperlicher Anspannung, aber ohne Angst einhergehen (z. B. alles milimetergenau auf dem Schreibtisch angeordnet haben müssen). Aggression

Die Aggression ist weniger eine Emotion, eher ein Verhalten, welches mit negativen Emotionen einhergeht, v.a. Ärger und Wut. Es wird diskutiert, ob diese negativen Emotionen Begleiterscheinungen oder Auslöser von Aggressionen sind. Unterschiedliche Theorien haben unterschiedliche Ansätze zur Aggression: 4 Psychonanalyse: Aggression ist ein angeborener Trieb (Thanatos). 4 Instinkttheorie: Aggression hat eine arterhaltende Funktion. 4 Lerntheorie: Aggression ist ein erlerntes Verhaltensmuster.

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Kapitel 1 · Entstehung und Verlauf von Krankheiten

Merke Aus der Lerntheorie stammt die recht populäre Frustrations-Aggressions-Hypothese: Verhinderung der Erreichung eines Ziels (Frustration) ruft aggressive Reaktionen hervor. Die Katharsishypothese der Psychoanalyse besagt, dass das Ausleben aggressiver Verhaltenstendenzen zu einer Reduktion der Aggressionsbereitschaft führt.

Aggressivität bzw. Aggressionsbereitschaft ist eine Persönlichkeitseigenschaft. Trauer

Trauer ist eine starke emotionale Reaktion auf ein schweres Verlusterlebnis. Sie wird ausführlich in 7 Kap. 2.5.8 besprochen. Emotion und Stressreaktion

Zu Stress 7 Kap. 1.2.2. Die emotionale Komponente geht hierbei in Richtung Angst, Ärger und Depression. Depression

Bei der Depression handelt es sich um eine affektive Störung mit Symptomen wie Traurigkeit, Interessenverlust, Minderwertigkeitsgefühlen und Schlafstörungen im Rahmen von: 4 Unipolare Störungen: Major Depression (DSM) bzw. depressive Episode (ICD). 4 Bipolare Störung bezeichnet sich abwechselnde depressive und manische oder nur manische Episoden. Unter Manie versteht man eine extreme Euphorie, Hyperaktivität und mangelnde Kritikfähigkeit.

ten gelernt. Aggressive Verhaltensweisen nehmen bei Kindern zwischen 2 und 10 Jahren kontinuierlich ab, was auf soziale Kontrolle zurückgeführt wird.

1.4.5 Motivation Neurobiopsychologische Grundlagen Interne Erregungsschwellen wirken sich auf das Auftreten von Verhalten aus; v.a. der Hypothalamus spielt eine zentrale Rolle.

Motivationstheorien Motive sind subjektive Beweggründe für Verhalten. Dabei gilt: 4 Primäre Motive sind angeborene Motive (Hunger, Durst, Schlaf, Bedürfnis nach Sauerstoff), die der Aufrechterhaltung der Homöostase dienen. Eine Ausnahme stellen sexuelle Motive dar: sie gehören zwar zu den primären (angeborenen) Motiven, dienen jedoch nicht der Aufrechterhaltung der Homöostase. 4 Sekundäre Motive nennt man erlernte Motive (Macht, Leistung, Prestige, etc.), die nicht der Aufrechterhaltung der Homöoastase dienen. Unter Motivation (lat. motivus: Bewegung auslösend) werden Prozesse der Aktualisierung und Umsetzung verstanden, die für Intensität, Richtung und Ablauf eines bestimmten Verhaltens verantwortlich sind. Bezüglich der Motivationsspezifität wird unterschieden: 4 Intrinsische Motivation: Man tut etwas »von innen heraus«. 4 Extrinsische Motivation: Man tut etwas für einen äußeren Verstärker (z. B. Geld).

KLINIK Erlernte Hilflosigkeit kann bei der Entstehung von Depressionen eine Rolle spielen. Sie entsteht, wenn eine Person mit ihrem Verhalten die Verhaltenskonsequenzen nicht beeinflussen kann.

Soziale Kontrolle von Affekten Über Verstärkung, Modell-Lernen und der Kommunikation von Erwartungen werden im Laufe der Entwicklung Regeln für die Angemessenheit von Affek-

Ethologisches Modell

Nach diesem Modell gilt Folgendes: Ein Motiv wird als physiologischer Mangelzustand definiert, welcher zu Appetenzverhalten führt: das Individuum sucht nach Reizen, die helfen diesen Mangelzustand zu beseitigen. Trifft es hierbei auf einen Schlüsselreiz (bzw. eine Attrappe), so wird durch einen angeborenen Auslöse-Mechanismus (AAM) eine nach festem Schema ablaufende Endhandlung ausgelöst. Diese Endhandlung kann nicht unterbochen werden.

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49 1.4 · Theoretische Grundlagen

. Abb. 1.9. Bedürfnispyramide nach Maslow. Erklärungen im Text

Selbstverwirklichung

Wachstumsbedürfnis

Soziale Anerkennung Soziale Beziehungen Sicherheit

Mangelbedürfnisse

Physiologische Bedürfnisse

Die Abnahme des Handlungsantriebs ist bei Ablauf der Endhandlung am größten. Ist jedoch der physiologische Mangel nach Beendigung der Endhandlung nicht behoben, kann die Instinkthandlung von vorne beginnen. Eine Übersprungshandlung entsteht, wenn sich das Individuum zwischen zwei gleich starken Motiven befindet, deren Endhandlungen nicht vereinbar sind. Durch die sich entwickelnde Spannung wird ein Verhalten ausgelöst, welches keiner der beiden Endhandlungen ähnelt. Es kann vorkommen, dass ein Motiv so stark ist, dass ohne adäquaten Schlüsselreiz eine Leerlaufhandlung ausgelöst wird. Bedürfnishierarchie nach Maslow

Maslow ging von einer Motivationshierarchie aus, derzufolge sich verschiedene Bedürfnisse pyramidenförmig anordnen lassen (. Abb. 1.9.). Physiologische Motive stellen hierbei die Basis dar. Es muss jeweils ein unteres Bedürfnis weitgehend befriedigt sein, damit ein nächst höheres Motiv verhaltensleitend wirkt. Die ersten vier Bedürfnisse nennt Maslow »Mangelbedürfnisse«; Selbstverwirklichung ist ein »Wachstumsbedürfnis«.

Es spielen dabei folgende Konfliktarten eine Rolle: 4 Appetenz-(Appetenz-)Konflikt: Man ist von zwei Objekten gleich stark angezogen (z. B. Fernsehen oder Kino). 4 Aversions-(Aversions-)Konflikt: Man befindet sich zwischen zwei negativen Möglichkeiten (z. B. Zahnschmerzen oder Zahnarzt). 4 Appetenz-Aversions-Konflikt (= Ambivalenzkonflikt): Ein Ziel/Objekt besitzt gleichzeitig positive und negative Valenz (z. B. Abends ausgehen, dafür morgens bei der Arbeit müde sein?). Bei Vorliegen mehrer positiver und negativer Charakteristika eines Ziels/Objekts wird auch vom doppelten Ambivalenzkonflikt gesprochen. Vermeidungs- und Annäherungsgradient sind in . Abbildung 1.10. dargestellt.

Homöostatische und nichthomöostatische Triebe Mit Homöostase beschreibt man die Aufrechterhaltung des inneren Gleichgewichts; Hunger und Durst sind dabei homöostatische Triebe.

Motivationskonflikte

KLINIK

Nach Kurt Lewin kann ein Ziel bzw. ein Objekt Valenz (Aufforderungscharakter) besitzen, welche positiv (Person wird dann angezogen) oder negativ (Person wird abgestoßen) sein kann. Dabei wird die Tendenz zur Annäherung als Appetenz, die Tendenz zur Vermeidung als Aversion bezeichnet.

Auch im Rahmen von Grundbedürfnissen können sich psychologische Auffälligkeiten manifestieren, wie z. B. die Anorexia nervosa (»Magersucht«) oder die Bulimia nervosa (»Ess-Brech-Sucht«).

Med. Psychologie/ Soziologie

50

Kapitel 1 · Entstehung und Verlauf von Krankheiten

Stärke Student meldet sich ab Annäherungsgradient Vermeidungsgradient Zeit Prüfung

. Abb. 1.10. Darstellung von Annäherungs- und Vermeidungsgradient. Beispiel Prüfung: Annäherungsverhalten beginnt relativ früh und steigert sich allmählich, z. B. sich zur Prüfung anmelden, erste Literatur besorgen, langsam öfter lesen und lernen, etc.. Vermeidungsverhalten setzt erst später ein, verläuft dafür aber steiler (zunehmende Panikgedanken; vor Aufregung nicht lernen können; sich ausmalen, was alles schief gehen könnte; etc.) und kann bei einem sehr steilen Verlauf den Annäherungsgradienten kreuzen (Grafik). Folge: Der Student meldet sich kurz vor der Prüfung ab

Nichthomöostatischer Trieb: Sexualität (7 Kap. 2.5.7).

Attributionstheorie (7 Kap. 1.2.4). Damit Leistungen positiv bewertet werden, muss eine gewisse Misserfolgswahrscheinlichkeit gegeben sein. Man unterscheidet erfolgsmotivierte und misserfolgsmotivierte Personen. Erfolgsmotivierte (»Hoffnung auf Erfolg«) attribuieren Erfolge auf ihre eigene Persönlichkeit, Misserfolge werden external attribuiert. Sie setzen sich zudem oft realisitischere Ziel als Misserfolgsmotivierte (»Furcht vor Misserfolg«). Letztere setzen ihre Ziele häufig zu hoch an und machen so wiederum die Erfahrung von Misserfolgen; ferner attribuieren sie Erfolge external und Misserfolge internal.

Sucht Bei einer Sucht wird die Suche nach dem »Stoff« das beherrschende Motiv, insofern stellt Suchtverhalten immer stark motiviertes Verhalten dar. Kriterien einer Sucht sind Toleranzentwicklung (die Substanzmenge muss im Laufe der Zeit deutlich erhöht werden, um den ursprünglichen Effekt zu erzielen) und Entzugssymptome (bzw. kontinuierliche Drogeneinnahme, um Entzugssymptome zu vermeiden). Weiterhin kommt es zur Vernachlässigung wichtiger beruflicher und privater Interessen.

Spezielle Motive Belohnungsaufschub

Auf eine kleinere, sofort eintretende Belohnung wird zugunsten einer größeren, in der Zukunft eintretenden Belohnung verzichtet (z. B.: Bei schönem Wetter zu Hause bleiben und lernen, um später ein gutes Prüfungsergebnis zu erzielen). Leistungsmotivation

Als Leistungsmotivation wird die Tendenz einer Person bezeichnet, als wesentlich bewertete Aufgaben mit Energie und Ausdauer im Sinne eines individuellen Gütemaßstabs erfolgreich abzuschließen; diese Art der Motivation soll kulturabhängig sein. Zur Erklärung wird z. B. die Erwartungs-malWert-Theorie der Handlungstheorien herangezogen: Demnach liegt eine optimale Motivation vor, wenn die subjektive Erwartung, ein Ziel zu erreichen, mindestens mittelstark ausgeprägt ist und der subjektive Wert, den dieses Ziel besitzt, auch einen mindestens mittleren Ausprägungsgrad erreicht. Weitere Handlungstheorien zur Motivation sind die Selbstwirksamkeitserwartung (7 Kap. 1.2.4) und die

1.4.6 Persönlichkeit und Verhaltens-

stile Unter Persönlichkeit versteht man die Einzigartigkeit und Besonderheit eines Menschen. Das psychodynamische Modell der Persönlichkeit ist in 7 Kap. 1.2.3 dargestellt.

Statistisches Modell Eine Vorgehensweise zur Beschreibung von »Persönlichkeit« ist es, individuelle Besonderheiten durch Eigenschaften (überdauernde Verhaltensdispositionen) zu erfassen. Mittels Faktorenanalysen hat man versucht, Dimensionen von Persönlichkeitseigenschaften empirisch zu ermitteln, nachdem diese zuvor durch Fragebogenerhebungen erfasst wurden. Bei Dimensionen handelt es sich um Ausprägungen von Eigenschaften in Form von Extrempolen, zwischen denen es zahlreiche Abstufungen gibt. Es wurden so verschiedene Modelle entwickelt.

51 1.4 · Theoretische Grundlagen

Basisdimensionen menschlichen Verhaltens nach Eysenck

Nach Eysenck gelten als Basisdimensionen menschlichen Verhaltens: 4 Extraversion – Introversion: Diese Dimension bezeichnet Art und Ausmaß der Beziehung zwischen Mensch und sozialer Umwelt. Der typisch Extravertierte liebt Veranstaltungen, Anregungen und Unternehmungen mit anderen Menschen und ist nur ungern allein. Der typisch Introvertierte ist eher zurückhaltend, reserviert und distanziert. 4 Emotionale Labilität – emotionale Stabilität (Neurotizismus) beschreibt das Ausmaß der psychischen Stabilität (unter »Neurotizismus« fallen u. a. Begriffe wie »ängstlich«, »depressiv«, »Schuldgefühle«, »geringes Selbstwertgefühl«, »irrational«, »launisch« und »emotional«). 4 Realismus – Psychotizismus beschreibt das Ausmaß der Realitätsanpassung (herangezogene Begriffe zur Erfassung von Psychotizismus beziehen sich u. a. auf Attribute wie »nicht anpassungsbereit«, »Freude an ungewöhnlichen und bizarren Dingen«, »andere in Verlegenheit bringen«, »Nichtbeachtung von Gefahren« und »Feindseligkeit«). 4 Intelligenz bezeichnet Art und Ausmaß geistiger Fähigkeiten.

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2. danach kommen Persönlichkeitseigenschaften; 3. politische Einstellungen, Meinungen und Selbstbeurteilung (z. B. Selbstwert und Zufriedenheit) werden am leichtesten verändert.

Interaktionistisches Modell (dynamisches Modell) Annahme einer ständigen Interaktion zwischen Dispositionen und Situationen. Persönlichkeit wird als System von Erwartungen über die Konsequenzen von Ereignissen und Handlungen verstanden – dieser Ansatz ist sehr verwandt mit der kognitiven Lerntheorie (s. u.). Arten der Persönlichkeits-UmgebungsInteraktion

Diese umfassen folgende Interaktionen: 4 Reaktive Interaktion: Die Situation ruft in der Person eine Reaktion hervor. Die Verhaltenskonsistenz über Situationen wird größer, wenn die Person diese Situationen als ähnlich ansieht. 4 Evokative Interaktion: Die Person ruft durch ein bestimmtes Verhalten Reaktionen von anderen hervor. Die gegenseitige Verstärkung erhöht die Konsistenz und macht z. B. Feindseligkeit zu einer Persönlichkeitseigenschaft. 4 Proaktive Interaktion: Je nach Persönlichkeit »sucht« die Person ganz spezifische Situationen.

The »Big Five« von Halverson

State-Trait-Unterscheidung

Die »Big Five« umfassen: 4 Verträglichkeit vs. Aggressivität, 4 Offenheit für Erfahrungen, 4 Gewissenhaftigkeit, 4 Extra- vs. Introversion, 4 Labilität vs. Stabilität (Neurotizismus).

Unter State versteht man einen temporären Aktivationszustand, einen situativen Zustand (z. B. aktuelle Angst: State Anxiety). Als Trait gilt eine relativ breite und zeitlich stabile Disposition/Eigenschaft (z. B. Ängstlichkeit: Trait Anxiety).

Merke

Selbstkonzept

Faktorenanalytisch gewonnene Dimensionen sind immer voneinander unabhängig! Innerhalb eines statistischen Modells ist also jede denkbare Merkmalskombination möglich.

Dieser Begriff stammt aus der humanistischen Persönlichkeitstheorie und steht für alle Vorstellungen, Wahrnehmungen und Werte, die eine Person von sich selbst hat. Das Selbstkonzept entwickelt sich durch Erfahrung und besitzt eine starke emotionale Komponente; es wirkt sehr verhaltenssteuernd (Personen verhalten sich so, wie sie glauben, dass es ihrem Selbst entspricht). Im Gegensatz zum Statevs-Trait-Ansatz spielen hier Kognitionen und Wertvorstellungen eine zentrale Rolle.

In Längsschnittstudien zeigt sich folgende Rangreihe von stabilen Eigenschaften: 1. Intellektuelle und kognitive Leistungen sind zeitlich am stabilsten und verändern sich nur leicht;

Med. Psychologie/ Soziologie

52

Kapitel 1 · Entstehung und Verlauf von Krankheiten

Verhaltensstile Zu den Verhaltensstilen zählen: 4 Sensitization/Repression: Angst auslösende, bedrohliche Stimuli werden von manchen Personen bevorzugt verleugnet (Aufmerksamkeitsabwendung, Vermeidung) – »Repressor«; von anderen durch besondere Aufmerksamkeitszuwendung verarbeitet – »Sensitizer«. 4 Sensation-seeking: Menschen unterscheiden sich hinsichtlich ihrem Ausmaß an »Erregungssuche« (z. B. Vorliebe für gefährliche Sportarten bei Personen mit hohen Werten). 4 Interferenzneigung: Menschen sind verschieden bezüglich ihrer Störanfälligkeit (retrograd oder anterograd) bei der Reizaufnahme und -verarbeitung (»Gedächtnis« 7 Kap. 1.4.3). 4 Feldunabhängigkeit vs. Feldabhängigkeit: Menschen können unterschiedlich gut Items aus einem Kontext herauslösen (wer dies gut kann, wäre »feldunabhängig«). Dieses Begriffspaar wird auch als kognitiver Stil begriffen mit den Dimensionspolen »differenziert/analytisch« vs. »global« und lässt sich an Personen z. B. mit dem »Embedded Figure Test« überprüfen, bei dem eine in einen größeren Kontext versteckt »eingebettete« Figur erkannt werden muss. 4 Passiv-resignativer Stil: Menschen, die sich Misserfolge ständig selbst zuschreiben und sich ihnen ausgeliefert fühlen, zeigen stärkere depressive Reaktionen und besitzen ein schwächeres Immunsystem. Ihr Verhalten wirkt passiv-resignativ. 4 Attributionsstile: Internal vs. External (7 Kap. 1.2.4).

Übersteigertes Wettbewerbsstreben Die Fähigkeiten, das Anspruchsniveau und die Bemühungen einer Person sollten in einem ausgewogenen Verhältnis stehen, damit sich eine günstige Leistungsmotivation entwickelt. Bei übersteigertem Wettbewerbsstreben ist das Anspruchsniveau jedoch unrealistisch hoch. Infolgedessen werden trotz vorhandener Fähigkeiten und einem hohen Arbeitseinsatz ständig Misserfolge verbucht. Bei ungünstigem Attributionsstil kann dies zur erlernten Hilflosigkeit führen (7 Kap. 1.4.4). Als Typ-A-Verhalten gilt dabei ein komplexes Verhaltensmuster mit Konkurrenzverhalten, Ag-

gressivität, Ungeduld, großer Hast, Feindseligkeit, Ehrgeiz, motorischer Unruhe, Gefühl der Zeitnot, überhöhten Ansprüchen und schlechter zeitlicher Organisation. Typ-A-Personen sind oft mit wichtigen Lebensaspekten unzufrieden und eher Einzelgänger. Es gibt standardisierte Fragebögen zur Erfassung dieses Verhaltensmusters. Ein erhöhtes Risiko für koronare Herzerkrankungen soll vorliegen. Den Gegenspieler stellt das Typ-B-Verhalten dar. Dieses zeichnet sich aus durch niedriges Konkurrenzdenken, geringe Feindseligkeit und Geduld. Typ-B-Personen sind entspannter, freizeitorientierter, ruhiger und zurückhaltender. Es besteht kein spezifisches gesundheitliches Risiko.

Merke Das Typ-A/Typ-B-Modell ist nicht unumstritten, es liegen widersprüchliche Ergebnisse vor.

Das Typ-C-Verhalten kennzeichnen folgende Attribute: nett, aufopfernd, gleichmütig, kooperativ, nachgiebig und ohne Ausdruck von Emotionen (v.a. ohne Ärgerausdruck). Es besteht ein erhöhtes Krebsrisiko.

Prüfungsfallstricke Eselsbrücke: C = »Cancer«

Persönlichkeitsentwicklung und -fehlentwicklung Interpersonelle Ansätze

Für interpersonelle Ansätze gilt: 4 Persönlichkeit wird durch ein stabiles Interaktionsmuster gekennzeichnet, wobei andere Personen real oder imaginär anwesend sein können. 4 Ein »Selbst« steuert die Wahrnehmung und Gestaltung von interpersonellen Beziehungen, es ist oftmals nicht bewusst. 4 Reziproke Interaktionsmuster entstehen (gegenseitige Verhaltenssteuerung). 4 Wenn Interaktionen immer im Sinne eines problematischen Schemas interpretiert werden, können sich inadäquate Interaktionen verfestigen.

53 1.4 · Theoretische Grundlagen

Persönlichkeitsstörung

Zeitlich stabile Muster von unflexiblem und fehlangepasstem Erleben und Verhalten, die zu subjektivem Leiden oder starker psychosozialer Beeinträchtigung führen und deutlich von kulturellen Erwartungen und Normen abweichen, werden als Persönlichkeitsstörung bezeichnet. Sie weisen starke Komorbiditäten mit Angst- und Ess-Störungen sowie Depressionen und Substanzmissbrauch auf.

1.4.7 Entwicklung und primäre

Sozialisation (Kindheit) Intrauterine Entwicklung Die Schwangerschaft dauert ca. 40 Wochen (gerechnet wird nicht ab dem Empfängniszeitpunkt, sondern ab dem Termin der letzten Monatsblutung. Sie lässt sich in 3 Abschnitte von jeweils ungefähr 3 Monaten einteilen. Im ersten Drittel werden die Organe angelegt, im zweiten Drittel findet die Differenzierung bis zur Funktionstüchtigkeit der Organe statt, das dritte Drittel schließlich dient der Größenzunahme des Kindes. Bis zum Ende des 3. Monats spricht man vom »Embryo«. Die ersten 3 Monate sind auch die kritischste Phase für mögliche Fehlgeburten. Ab dem 4. Monat wird das Baby »Fötus« genannt.

Psychosoziale Einflüsse auf Schwangerschaft und Geburt Beruflicher und familiärer Stress kann zu Komplikationen bei Schwangerschaft und Geburt führen (z. B. Fehlgeburt). Das ungeborene Baby nimmt am Gefühlsleben der Mutter teil. Frühgeburten finden sich häufig bei Ledigen, Geschiedenen und Frauen aus sozial schwachen Schichten, was sich zum Teil aus den besonderen psychischen Belastungen erklären lassen könnte.

Prä- und postnatale Entwicklung Ab der 8. Schwangerschaftswoche sind Bewegungen des Embryos im Ultraschall nachweisbar. Alle Bewegungsmuster, die beim Neugeborenen beobachtbar sind, sind bis zur 14. Woche ausgebildet. Die Schwangere kann die Kindsbewegungen zwischen der 16. und der 20. Woche zum ersten Mal spüren.

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Die vorgeburtlichen Schlaf-Wach-Perioden sind noch nicht an den Tag-Nacht-Wechsel gebunden. Die Schlaf-Wach-Phasen der Mutter übertragen sich auch nicht aufs Kind. Der Rhythmus spielt sich in den ersten Wochen und Monaten nach der Geburt allmählich ein. Das Innenohr des Kindes hat bereits in der 20. Schwangerschaftswoche Erwachsenengröße erreicht und ist mit der 36. bis 40. Woche ausgereift. Laute Geräusche führen beim Ungeborenen zur Zunahme der Herzfrequenz und zu motorischer Aktivität, menschliche Stimmen und Musik zur Herzfrequenzabnahme und zu Beruhigung. Das Kind wird bereits während der Schwangerschaft mit der mütterlichen Stimme vertraut und verfügt dann zunächst über eine angeborene Vorliebe für hohe weibliche Stimmen. In der Gebärmutter ist das Kind einem ständigem Geräuschpegel von 60 bis 80 Dezibel ausgesetzt (Strömungsgeräusche von Gefäßen sowie Darmgeräusche der Mutter).

Maturation und Lernen Fremdenangst, Fremdeln

Die Fremdenangst, auch Fremdeln genannt, tritt meistens mit ca. 8 Monaten auf (Achtmonatsangst). Die häufigste Erklärung ist, dass das Kind dann in der Lage ist, fremde von vertrauten Personen zu unterscheiden. Es gibt jedoch Belege dafür, dass das Kind schon früher über diese Fähigkeit verfügt. Spekuliert wird als Funktion des Fremdelns, dass das Kind sich an Personen hält, die zuverlässig sein körperliches und psychisches Wohl garantieren. Das Fremdeln ist zwischen 8 und 30 Monaten am stärksten und nimmt ab einem Alter von 3 Jahren kontinuierlich ab. Trennungsangst

Trennungsangst setzt ungefähr zwischen 6 und 9 Monaten ein. Ebenfalls zu dieser Zeit unternimmt das Kind erste Fortbewegungsversuche und wendet sich verstärkt der Welt zu. Die Trennungsangst soll hier die Funktion haben, dem kindlichen Erkundungstrieb Grenzen zu setzen, um das Kind vor Gefahren zu schützen. Im Alter von 2 bis 3 Jahren ist die Trennungsangst am ausgeprägtesten, danach nimmt sie ab.

Med. Psychologie/ Soziologie

54

Kapitel 1 · Entstehung und Verlauf von Krankheiten

Sauberkeitserziehung

Die Sauberkeitserziehung wird meist im 2. Lebensjahr begonnen. Die bewusste Wahrnehmung von Blasen- und Darmentleerung ist eine wichtige Voraussetzung. Wichtige Faktoren in der Sauberkeitserziehung sind Vorbild und Hilfe zur Selbstständigkeit.

Frühkindliche Entwicklung und primäre Sozialisation Sensorik

Obwohl Säuglinge zunächst kurzsichtig sind und über ein geringes visuelles Auflösungsvermögen verfügen, verbringen sie viel Zeit mit Umherschauen und Fixieren von Objekten. Das Sichtfeld entwickelt sich weiter, die visuelle Auflösung wird zunehmend besser. Das Sehvermögen von Erwachsenen wird erst mit 2 Jahren erreicht. Neugeborene verfügen über eine gute Tonunterscheidung. Sie können zwischen verschiedenen Merkmalen der menschlichen Sprache unterscheiden. Ein Reflex sorgt dafür, dass sie bei lauten Geräuschen erschrecken und den Kopf zur Schallquelle drehen. Mit 6 Wochen verschwindet dieser Reflex; im 4. Monat wendet der Säugling sich wieder, diesmal aber absichtlich, der Schallquelle zu. Kinder können schon kurz nach der Geburt süß, salzig, sauer und bitter unterscheiden und zeigen eine deutliche Vorliebe für Süßes. Bereits nach wenigen Tagen kann das Neugeborene den Geruch seiner Mutter und ihrer Milch von dem anderer Mütter und deren Milch unterscheiden.

4 Proximodistaler Trend: Rumpfnahe Muskeln können früher koordiniert werden als weiter entfernte. Emotion und Bindungsverhalten

Die frühe Bindung der Mutter an ihr Kind nennt man »Bonding«. Viel Körperkontakt nach der Entbindung sowie Stillen sind wichtige Faktoren in diesem Bindungsprozess. Die Bindung des Kindes an die Mutter setzt mit der Lokomotion sowie der Objekt- und Personenpermanenz ab ca. 7 bis 8 Monaten ein und wird »Attachment« genannt. Grundlegende Annahmen zur Bindung des Kindes basieren auf den Theorien von Bowlby. Ainsworth hat in Untersuchungen (dem sog. Fremde Situation-Test, in welchem Mutter und Kind vorübergehend getrennt werden und zwischendurch eine fremde Person anwesend ist) 3 grundlegende Bindungsstile beobachtet: a) unsicher-vermeidend: Kinder zeigen bei der Rückkehr der Mutter wenig Emotionen, suchen nicht die Nähe. Ursache: Mütter gehen weniger fürsorglich mit Kind um. b) sicher: Kinder zeigen Kummer, wenn sie allein gelassen werden; suchen Kontakt zur Mutter, wenn sie zurück kommt. Ursache: Einfühlsame, sensitive Mutter, die als verlässlich, offen und freundlich erlebt wird. c) ambivalent-unsicher: Kinder zeigen (z.T. wütend) deutlich Kummer, wenn sie allein gelassen werden. Verhalten sich ambivalent, wenn Mutter zurück kommt (Kontakt vs. Distanz). Ursache: ambivalente Mutter. KLINIK

Motorik

Die motorische Entwicklung ist hauptsächlich ein nach inneren Regeln ablaufender Reifungsprozess. Üben hat keine Auswirkung auf ein mögliches früheres Einsetzen bestimmter Grundkompetenzen. Dennoch ist Üben wichtig, um Sicherheit und Geschicklichkeit zu erlangen, was sich dann schließlich auf die weitere motorische Entwicklung auswirkt, v.a. auf die Beherrschung komplexerer Bewegungsabläufe. In der motorischen Entwicklung lassen sich 2 Trends feststellen: 4 Cephalocaudaler Trend: Die Muskelkontrolle entwickelt sich vom Kopf abwärts.

Psychischer Hospitalismus äußert sich in Form schwerer Entwicklungs- und Verhaltensstörungen sowie körperlicher und psychischer Beeinträchtigungen bei lieblos behandelten, vernachlässigten Kindern. Hospitalismus kann auch bei Erwachsenen in Folge eines Krankenhaus- oder Heimaufenthaltes auftreten. Deprivation meint im Allgemeinen einen Mangelzustand, hier: Mangel an Zuwendung, Mangel an »Nestwärme«.

55 1.4 · Theoretische Grundlagen

1

. Tab. 1.10. Stadien der kognitiven Entwicklung nach Piaget

Lebensalter

Stadium

Typische Merkmale

Geburt bis ca. 2 Jahre

sensomotorisch

Grundformen der Auseinandersetzung mit der Umwelt werden entwickelt; Koordination von Funktionen (z. B. Sehen und Greifen); »Objektpermanenz«: Gegenstände existieren weiter, auch wenn sie nicht (mehr) wahrgenommen werden.

2 bis ca. 6–7 Jahre

präoperational

5 (2–4 Jahre) 5 (4–7 Jahre)

5 (vorbegrifflich-symbolisch) 5 (anschauliches Denken)

»Naiver Realismus«: Entwicklung von Phantasie/Symbolverständnis/Symbolgebrauch (z. B. Spracherwerb). 5 (Animismus, Konzeptgeneralisation) 5 (Entwicklung von Größer-kleiner-Relationen und RaumZeit-Dimension)

ca. 7–12 Jahre

konkret-operational

Logische Operationen wie z. B. Umkehrbarkeit (wenn A=B, dann B=A), Klassifikation, etc. können an konkreten Beispielen nachvollzogen werden; Invarianzen bilden sich.

ca. 12–15 Jahre

formal-operational

Übergang zum abstrakten Denken; Fähigkeit zu »Gedankenexperimenten« (Hypothesenbildung und -testung).

Kognitive Entwicklung

Bei der kognitiven Entwicklung kommt es nach Jean Piaget zur Anpassung (Adaptation) bzw. zur Gleichgewichtserhaltung (Äquilibration) durch zwei Mechanismen: 4 Assimilation: Neue Erfahrungen und Erkenntnisse werden in bereits vorhandene Schemata eingefügt. 4 Akkomodation: Vorhandene Schemata werden aufgrund neuer Erfahrungen und Erkenntnisse verändert. . Tabelle 1.10. gibt eine Übersicht über die Stadien

der kognitiven Entwicklung nach Piaget. Unter »Invarianzen« (. Tab. 1.10. »konkret-operationales Stadium«) versteht man die Feststellung der Gleichheit von Mengen bzw. Volumina, wenn eines von zwei Vergleichsobjekten dabei durch Raumdehnung bzw. -quetschung auf den ersten Blick nach mehr oder weniger aussieht. Dies kann bei Flüssigkeiten durch unterschiedlich schmale

A

B . Abb. 1.11. Invarianzen bei Veränderung der Anordnung, konkret-operationales Stadium: Jüngere Kinder antworten B sei größer als A. Das Aufsagenkönnen der Zahlenreihe gibt ihnen dabei keine Einsicht

Gefäße oder bei Münzen, wie in . Abbildung 1.11., durch Auseinanderschieben von Reihen hergestellt werden. Sprache und Denken KLINIK Auch die Sprachentwicklung vollzieht sich im Wechsel von Maturation und Lernen: Es bedarf der muskulären Reifung des Sprechapparats sowie der neuronalen Reifung benötigter Cortexareale ebenso wie dem sozialen Austausch und Vorbildern.

Die Sprachentwicklung verläuft wie folgt: 4 1. Monat: Vornehmlich Gurrlaute mit vielen Vokalen. 4 3. Monat: Laute werden »singender«. Im Austausch mit den Eltern (»Babytalk«) werden Laute nachgeahmt. 4 6. Monat: Baby fängt an, den Inhalt mancher Wörter zu begreifen. Das Kind schreit zunehmend weniger und »plaudert« umso mehr. 4 7.–8. Monat: Unmittelbare Lautnachahmung. 4 8.–10. Monat: Lautketten wie »ta-ta«, »ma-ma« oder »ba-ba«. 4 9. Monat: Das Kind hört aufmerksam bei Unterhaltungen von Erwachsenen oder größeren Kindern zu und versteht immer besser soziale Gesten (z. B. Auf-Wiedersehen-Winken).

Med. Psychologie/ Soziologie

56

Kapitel 1 · Entstehung und Verlauf von Krankheiten

4 1 Jahr: Das Kind kennt namentlich Personen und Gegenstände seines Alltags. 4 Frühestens nach 12–18 Monaten: Sprechen erster Wörter. Sprache ist auch wichtig für den Erwerb sozialer Kognitionen: Zunächst bildet sich ein Ich-Bewusstsein aus; es äußert sich gegen Ende des 2. Lebensjahres in vermehrten Trotzreaktionen. Schließlich ist das Kind zur Perspektivenübernahme fähig und ist in der Lage, Gefühle und Absichten einer anderen Person zu verstehen. Dies ist eine Voraussetzung für Empathie (Einfühlungsvermögen). Leistungsmotivation

Mit 3–4 Jahren fangen Kinder an, sich Erfolge und Misserfolge selbst zuzuschreiben und sich Ziele zu setzen. Zwischen 4 und 5 Jahren wird versucht, mögliche Misserfolge durch vermehrte Anstrengung auszugleichen. Internalisierung sozialer Werte und Normen und Moralentwicklung

Nach Piaget werden im Vorschulalter soziale Normen durch Verweis auf Vorschriften begründet, ohne dass jedoch eine Einsicht in ihren Sinn besteht (moralischer Realismus). Später entwickeln Kinder eine Moral des gegenseitigen Austauschs nach dem Motto »Eine Hand wäscht die andere« (heteronomes Begründungsmuster). Vor allem während der Adoleszenz bildet sich schließlich ein autonomes Begründungsmuster heraus: Einsichten und persönliche Überzeugungen liefern den Maßstab für die Befolgung sozialer Normen. Nach Kohlberg vollzieht sich die Moralentwicklung in 3 Stadien mit je 2 Stufen: 4 Präkonventionell (2–10 Jahre): 5 Stufe 1: 2–6 Jahre: Orientierung an Bestrafung, an physischen Konsequenzen eines Verhaltens. 5 Stufe 2: 6–10 Jahre: Instrumenteller Austausch (»Eine Hand wäscht die andere«); eigene Interessen werden verfolgt. 4 Konventionell (10–20 Jahre): 5 Stufe 3: 10–12 Jahre: Gut ist, was andere als gut anerkennen, Kinder wollen anderen gerecht werden.

5 Stufe 4: 12–20 Jahre: Orientierung an Gesetz und Ordnung; Verhalten wird nach implizitem Verständnis von richtig und falsch ausgerichtet. 4 Postkonventionell (ab 20 Jahre): 5 Stufe 5: 20–30 Jahre: Sozialverträgliche Orientierung unter altruistischen Gesichtspunkten. 5 Stufe 6: ab 30 Jahren: Universell ethische Prinzipien greifen.

Soziokulturelle Einflüsse auf Entwicklung und Sozialisation Hier sind zunächst verschiedene Erziehungsstile zu nennen: 4 Autoritativ beschreibt eine starke elterliche Kontrolle in Kombination mit Wärme und offener Kommunikation. 4 Permissiv bedeutet, dass die Eltern wenig eingreifen (»Laissez-faire«). 4 Autoritär steht für eine starke elterliche Kontrolle, jedoch wenig Sensibilität für das Kind. 4 Vernachlässigend bedeutet zurückweisend; es wird wenig Orientierung gegeben.

Merke Laissez-faire ist nicht vernachlässigend, sondern »nur« keine Grenzen setzend. Der für die kindliche Entwicklung günstigste Erziehungsstil soll der autoritative sein. Die Eltern-Kind-Interaktion wird als reziproker Prozess verstanden.

In der Unterschicht sollen als Erziehungsziele vermehrt Gehorsam, Regelbefolgung und Ordnung zu finden sein, wohingegen die Mittelschicht mehr Wert auf Eigenverantwortung und Selbstständigkeit legt. Im Erziehungsverhalten soll in der Unterschicht mittels körperlicher Sanktionen auf faktisches Verhalten reagiert werden, in der Mittelschicht werde mehr auf die Handlungsabsichten in Form von Argumenten und mit dem Sanktionsmittel »Liebesentzug« reagiert. Sprach- und Kommunikationsstile sollen ebenfalls schichtspezifisch unterschiedlich sein (7 Kap. 2.1.4).

57 1.4 · Theoretische Grundlagen

Interaktionsmuster in Familie, Peergroup (s. u.) und Vorschule sowie Schule tragen wesentlich zur Sozialisation des Kindes bei. Der Familie kommt dabei als soziale Primärgruppe, die sich durch hohe Dauer und affektive Dichte der sozialen Interaktionen auszeichnet, eine ganz besondere Stellung zu.

Gesellschaftliche Determinanten Strukturwandel der Familie. Familien werden immer kleiner, die Zahlen von Alleinerziehenden und Patchworkfamilien steigen. Die Haushalte von Alleinerziehenden haben dabei die höchste Sozialhilfeempfängerquote.

1

KLINIK Man ist heute der Ansicht, dass eine androgyne Rollenprägung, die erlaubt, Aspekte der weiblichen wie der männlichen Geschlechtsrolle zu erfüllen und zu vereinen, dem psychischen Wohlbefinden dienlicher ist als die klassischen dichotomen Geschlechtsstereotype »männlich« vs. »weiblich«. In der Theorie geht man inzwischen von zwei unabhängigen Dimensionen, Maskulinität und Femininität, aus; Individuen haben auf jeder Dimension ihren individuellen »Männlichkeits-« bzw. »Weiblichkeitswert«.

Identität Einfluss der Medien. Der Fernseher wird immer

öfter als »Babysitter« genutzt; »Stars« haben eine enorm große Vorbild- und Identifikationsfunktion. Auch Computerspiele erfreuen sich immer größerer Beliebtheit. Negative Folgen können sich durch Bewegungsmangel in Unruhe, Übergewicht und weiteren gesundheitlichen Belastungen zeigen. Auch psychische Auswirkungen wie unrealistische Idealbilder oder Alpträume sind zu nennen.

1.4.8 Entwicklung und Sozialisation im

Lebenslauf (Adoleszenz, mittleres Erwachsenenalter, Senium) und sekundäre Sozialisation

Personale Identität steht für die überdauernde Stabilität in der Sicht einer Person, durch sie selbst oder durch andere. Soziale Identität hängt ab von der Integration und der Zugehörigkeit zu sozialen Bezugsgruppen. Im Prozess der Identitätsentwicklung findet sich der Jugendliche im schwierigen Balanceakt, den Forderungen nach Konformität (Gleichgerichtetsein) seiner sozialen Umgebung ebenso nachzukommen wie seinem Bestreben, Autonomie (Unabhängigkeit) zu entwickeln. In diesem Zusammenhang findet schließlich auch die Ablösung von der Herkunftsfamilie statt, die meist mit zahlreichen Konflikten verbunden ist.

Merkmale der Adoleszenz

Gesundheitsriskantes Verhalten

Pubertät ist das Kennzeichen des körperlichen Erwachsenwerdens, Prozess der Geschlechtsreifung (ca. 11.–15. Lebensjahr). Adoleszenz bezeichnet den psychischen Reifungsprozess, der mit bzw. nach der Pubertät einsetzt (ca. 16.–22. Lebensjahr). Sexualität. Ein Kennzeichen der Adoleszenz sind ebenfalls erste sexuelle Erfahrungen. Zur Sexualität und dem sich verändernden Körperbild zählt ferner die Übernahme von und Identifikation mit Geschlechtsrollen (Gesellschaftliche Rollenerwartungen, die an das biologische Geschlecht geknüpft sind). Geschlechtsunterschiede im Verhalten scheinen eher das Produkt von Sozialisationseinflüssen als von biologischen Faktoren zu sein.

Um sich von den Eltern und anderen Erwachsenen abzugrenzen, identifizieren sich Jugendliche verstärkt mit ihrer Peergroup (»Gruppe von Gleichaltrigen« – gemeint ist hier die individuelle Subgruppe), welche sich durch Symbole wie Kleidung, Frisur, Musik u. ä. sowie typischer Verhaltensweisen auszeichnet (»symbolische Selbstergänzung«). Die Peergroup ist enorm wichtig für den Aufbau sozialer Kompetenzen, da hier gleichberechtigte Interaktionen stattfinden (das Beziehungsverhältnis zu Erwachsenen ist immer asymmetrisch). In der Gruppe praktizierte Verhaltensweisen können aber auch gesundheitsschädigender Art sein (Drogen, Delinquenz, Mutproben, etc.). Die Gruppe übt dabei einen gewissen Konformitätsdruck auf ihre Mitglieder aus.

Med. Psychologie/ Soziologie

58

Kapitel 1 · Entstehung und Verlauf von Krankheiten

Frühes und mittleres Erwachsenenalter Statuserwerb

Der junge Erwachsene muss sich in einige neue Rollen einfinden: 4 Partnerrolle, 4 Familienrolle, 4 Berufsrolle. Hier kann es wiederum leicht zu Rollenkonflikten und psychosozialen Belastungen kommen. Anforderungs-Kontroll-Modell

Diesem Modell zufolge sind zwei wesentliche Dimensionen von Arbeitsinhalten für das Wohlbefinden am Arbeitsplatz verantwortlich (7 Tab. 1.11.): 1. Ausmaß der psychischen Arbeitsanforderungen (qualitativ und quantitativ). 2. Kontrollierbarkeit der Arbeit (Möglichkeit der Entwicklung eigener Fähigkeiten sowie Entscheidungsspielraum bei der Organisation). KLINIK Hohe psychische Anforderungen bei gleichzeitige geringer Kontrolle stellen eine problematische Belastungskonstellation dar (z. B. Fließbandarbeit). Mögliche Folgen können Ängste, Depressionen, aber auch Herz-Kreislauf-Erkrankungen sein.

Das Modell ist später um eine dritte Dimension, »Sozialer Rückhalt am Arbeitsplatz«, erweitert worden. Größtmögliche gesundheitliche Belastung ergibt sich demnach bei zusätzlich geringem sozialem Rückhalt. Gratifikationskrisenmodell

Das Gratifikationskrisenmodell fokussiert das mögliche Ungleichgewicht zwischen Arbeitseinsatz bzw. Anstrengungen und Gratifikationen in Form von

Geld, Anerkennung, beruflichem Aufstieg oder Arbeitsplatzsicherheit. Eine hohe gesundheitliche Belastung besteht, wenn andauernde hohe Anstrengungen nicht entsprechend belohnt werden (hoher Einsatz, niedriger Gewinn). Der andauernde Einsatz, die Verausgabung, hängt dabei sowohl von äußeren (extrinsischen) wie auch von inneren (intrinsischen) Faktoren ab. Äußere Faktoren können Arbeitsanforderungen sowie Verpflichtungen sein; innere Faktoren sind persönliche Eigenschaften, wie Streben nach Anerkennung. KLINIK Hohen gesundheitlichen Belastungen gemäß beiden Modellen sind z. B. Busfahrer ausgesetzt: geringe Kontrolle und Entscheidungsspielraum, hohe Anforderungen an Konzentration und Verantwortung sowie starker Zeitdruck, soziale Isolation am Arbeitsplatz, geringe Aufstiegschancen und Arbeitsplatzunsicherheit, häufig Konflikte mit Fahrgästen.

Klimakterium

Die sog. »Wechseljahre« setzen bei der Frau im Schnitt mit Mitte 40 bis Mitte 50 ein, mit Ende 50 sind sie meist beendet. Werden die Eierstöcke einer Frau operativ entfernt, setzt das Klimakterium sofort nach dem Eingriff ein. In den Wechseljahren kommt es zu einer Umstellung im Östrogenhaushalt, die Monatsblutungen nehmen allmählich ab, schließlich erlöscht die Fortpflanzungsfähigkeit ganz. Häufig zeigen sich körperliche Begleitsymptome dieses Prozesses wie Hitzewallungen, Schwindel, Schweißausbrüche, Müdigkeit und weitere Beschwerden. Psychisch können Reizbarkeit und Stimmungsschwankungen beobachtet werden. Hinzu kommt, dass die Veränderungen die Frauen stark emotional belasten und sich negativ auf Selbstwert und Selbst-

. Tab. 1.11. Mögliche Kombinationen von Anforderungen und Kontrolle am Arbeitsplatz

Anforderungen

Kontrolle

niedrig

hoch

hoch

wenig Distress

aktive Bewältigung der Arbeitsaufgaben

niedrig

Passivität

hoher Distress (gesundheitliche Belastung)

59 1.4 · Theoretische Grundlagen

bild auswirken können, was sich häufig in Depressionen zeigt. Midlife-Crisis

Von dieser Lebenskrise, die zwischen dem 35. und dem 45. Lebensjahr eintreten kann, sind Männer häufiger betroffen als Frauen. In diesem Alter stellt sich oft ein Verlust von Illusionen ein: Man wird sich bewusst, dass man sich früher gesetzte Ziele bzw. erwartete Umstände nicht erreicht hat (beruflich oder privat), das Leben wird als Kette von Enttäuschungen gesehen. Seitensprünge und Scheidungen sind häufige Folgen dieser Krise. In einer Phase der Neuorientierung und Identitätsfindung kann die Krise bewältigt werden.

1

etwas langsamer verläuft. Basale Alltagskompetenzen verschwinden erst bei Verlust von Gesundheit und psychosozialer Unterstützung. Die Persönlichkeit an sich verändert sich kaum mit dem Alter. Man wird etwas weniger flexibel, die externale Attribution nimmt zu. KLINIK Alte Menschen schätzen ihre Gesundheit oft positiver ein als medizinische Befunde tatsächlich sind (optimistische Gesundheitswahrnehmung). Die subjektive Gesundheit ist dabei ein besserer Prädiktor für Mortalität als der objektive Befund.

Lebenskrisen

Formen des Alterns

Lebenskrisen bezeichnen kritische Ereignisse, die zu einer Schwächung des Immunsystems und zu einem erhöhten Suizidrisiko führen können. In der Live Event-Forschung gefundene kritische Ereignisse sind z. B. der Tod naher Angehöriger (v.a. plötzlicher Tod), Trennung und Scheidung. Bezüglich Suizid ist festgestellt worden, dass Frauen häufiger Selbstmordversuche unternehmen als Männer; Männer sind dabei jedoch »erfolgreicher«. Auch im Altersvergleich ist zu sehen, dass junge Menschen zwar zahlreiche Suizidversuche unternehmen, alte Menschen sich aber häufiger tatsächlich töten. Ehe und Partnerschaft sind starke Schutzfaktoren vor Suizidhandlungen.

In den 1960er Jahren zog man folgende Begriffe zur Erklärung von Alterungsprozessen heran: 4 Normales Altern steht für ein dem statistischen Durchschnitt entsprechendes Altern mit durchschnittlichen Funktionseinbußen und durchschnittlicher Lebensqualität. 4 Pathologisches Altern ist gekennzeichnet durch überdurchschnittliche Funktionseinbußen, geringe Lebensqualität, verkürzte Lebensdauer (z. B. Demenz, Depression).

Merke Suizidandrohungen sind immer ernst zu nehmen! Prädiktoren für Suizid sind u. a. Androhungen, Treffen von Vorbereitungen und vorangegangene Suizidversuche.

Hohes Lebensalter Alterungsbedingte kognitive Abbauprozesse beziehen sich v.a. auf Leistungen, die auf Schnelligkeit, Genauigkeit und Koordination von kognitiven Prozessen basieren (z. B. Wahrnehmungsgeschwindigkeit, Merkfähigkeit). Leistungen im Sinne von Fertigkeiten sowie von Quantität und Qualität von Wissen sind hingegen alterungsresistent. Es kann im Alter immer noch gelernt werden, auch wenn das Lernen

Aus diesem Kontext entstanden zwei kontroverse Theorien bezüglich der psychosozialen Entwicklung im höheren Lebensalter: 4 Disengagement-Theorie: Sie besagt, dass alte Menschen ein Bedürfnis nach sozialem Rückzug und einer nach innen gerichteten Orientierung verspüren. 4 Aktivitätstheorie: Danach wollen auch alte Menschen sozial aktiv sein. Der heutige moderne Fokus liegt weniger auf statistischen Normwerten denn auf individuellen Besonderheiten und salutogenetischen Aspekten. Verwendete Begriffe sind: 4 Differenzielles Altern: Hier liegt der Fokus auf interindividuellen Unterschiede in Ausmaß und Zeitpunkt von altersbedingten Veränderungen. 4 Erfolgreiches Altern: Welche Faktoren führen zu einem positivem Zustand von Zufriedenheit bei weitgehend erhaltener physischen und psy-

Med. Psychologie/ Soziologie

60

Kapitel 1 · Entstehung und Verlauf von Krankheiten

chischen Gesundheit im Alter? Es gibt verschiedene Modellvorstellungen, wie dieses erfolgreiche Altern erreicht werden kann (Kompetenzmodell des Alterns). Selektive Optimierung durch Kompensation

Drei Entwicklungsprozesse sollen eine erfolgreiche Entwicklung im Alter hervorbringen (Baltes und Baltes, 1980; Baltes et al., 1995): 4 Kluge Selektion von Zielen (Ziele/Präferenzen): 5 Elektive Selektion steht für das Auswählen von Zielen, die den eigenen Werten und Fähigkeiten am ehesten entsprechen; 5 Verlustbasierte Selektion nennt man die Veränderung bzw. Aufgabe von Zielen, wenn Verluste im Verhaltens- und Handlungsspielraum eingetreten sind oder erwartet werden; 4 Optimierung von Ressourcen zum Erreichen der Ziele (zielbezogene Mittel); 4 Kompensation von Ausfällen durch Erwerb, Verfeinerung oder Anwendung anderer Ressourcen (z. B. externe Hilfen) (Mittel, die dem Verlust zielbezogener Mittel entgegenwirken). Soziale Lage alter Menschen

Die soziale Lage alter Menschen ist häufig gekennzeichnet durch: 4 Soziale Isolierung im Alter (z. B. durch Partnerverlust oder Behinderung) führt häufig zu gesundheitlichen Einbußen. 4 Die Einweisung in Alten- oder Pflegeheime bedeutet für viele alte Menschen eine Entwurzelung. Mit ihr verbunden ist die Aufgabe einer selbstständigen, autonomen Lebensführung und der bisherigen Wohnsituation. Bei der Umsiedlung in die neue Umgebung sind die ersten Wochen besonders kritisch (First month Syndrom): Damit eine Umsiedlung in eine neue Umgebung gelingen kann, ist es wichtig, dass der alte Mensch diesen Schritt freiwillig tut und dass weiterhin ein einigermaßen selbstständiges Leben möglich ist. 4 Armut im Alter: Die Reduktion von Einkommen (Rente statt Gehalt; Rentenkürzungen) und vermehrte Kosten (Medikamente, Hilfsapparaturen, etc.) führen nicht selten zu einer Verarmung alter Menschen, v.a. wenn diese nicht über eine Familie verfügen, in welcher jüngere Mitglieder Finanzdefizite ausgleichen können.

1.4.9 Soziodemografische

Determinanten des Lebenslaufs Demografie meint die »Bevölkerungswissenschaft«; sie vereint Elemente aus Soziologie, Geographie, Medizin und Ökonomie. Untersucht werden Leben, Werden und Vergehen menschlicher Bevölkerungen sowie verantwortliche Faktoren.

Generatives Verhalten und seine Determinanten Generatives Verhalten ist bevölkerungsproduktives Verhalten. Seine Determinanten sind: 4 Fertilität benennt die Zahl von Lebendgeburten von Frauen; diese hängt von zahlreichen Bedingungen ab (individuelle, soziale, kulturelle, wirtschaftliche, etc.). Sie beeinflusst andere demografische Bedingungen. 4 Geburtenziffer: Anzahl der Lebendgeburten im Zeitintervall geteilt durch die Durchschnittsbevölkerung im Zeitintervall. 4 Fertilitätsrate (altersspezifische Geburtenziffer) ist die Anzahl lebend geborener Kinder pro 1000 Frauen eines bestimmten Altersintervalls (in der Regel 15-45 Jahre) zu einem bestimmten Zeitpunkt. 4 Nuptialität steht für das Heirats- und Scheidungsverhalten einer Bevölkerung und stellt eine der gesellschaftlichen Rahmenbedingungen für Fertilität dar. 4 Mortalität nennt man den Anteil von Sterbefällen an der Bevölkerung. 4 m (Sterbeziffer) ist die Anzahl der Gestorbenen im Zeitintervall geteilt durch die Durchschnittsbevölkerung im Zeitintervall. 4 Perinatale Sterblichkeit beschreibt die Zahl der Sterbefälle zwischen 28. Schwangerschaftswoche und 1. Lebenswoche pro 1000 Lebend- und Totgeburten. 4 Säuglingssterberate ist die Zahl der Sterbefälle ab Geburt bis zu einem Jahr Alter im Zeitraum geteilt durch die Zahl der Lebendgeburten im Zeitraum. 4 Letalität ist das Maß für die Tödlichkeit einer Erkrankung. 4 L (Letalitätsrate) steht für die Zahl der verstorbenen Personen im Zeitraum geteilt durch die Zahl der Erkrankten im Zeitraum.

61 1.4 · Theoretische Grundlagen

4 Geschlechtsproportion beschreibt das zahlenmäßige Verhältnis von männlicher zu weiblicher Bevölkerung. 4 Altenquote bzw. Altenquotient nennt man die Zahl der über 60-jährigen je 1000 Personen im Alter von 15-59 Jahren. KLINIK DALY: Disease-adjusted Life Years. Mit diesem Konzept soll die Bedeutung von Krankheiten auf die Gesellschaft gemessen werden. Nicht nur die Sterblichkeit, sondern auch die Beeinträchtigung des Lebens durch eine Erkrankung soll erfasst werden, indem die verlorenen Lebensjahre durch vorzeitigen Tod mit dem Verlust an Lebenszeit durch Behinderung/Erkrankung kombiniert werden.

Migration und Akkulturation Neben dem generativen Verhalten bestimmt auch die Migration (Wanderung von Personengruppen) die Bevölkerungsstruktur. Dabei beschreibt W (Wanderungsbilanz) den Saldo der Zu- und Fortzüge aus einem bestimmten Gebiet für einen bestimmten Zeitraum. Ein in Zusammenhang mit Migration wichtiger Begriff ist Akkulturation. Gemeint ist die Annäherung von Kulturen durch Mischung der verschiedenen Elemente. Im Gegensatz hierzu: Assimilation (Aufgabe wichtiger kultureller Eigenarten einer Kultur, um in einer anderen Kultur aufzugehen).

Schema der demografischen Transformation Diese Theorie stammt aus den 1920er Jahren und besagt, dass Gesellschaften mit geringer wirtschaftlicher und sozialstruktureller Entwicklung zunächst hohe Geburten- und Sterbeziffern aufweisen, bedingt durch Modernisierung und Industrialisierung über eine Phase starken Bevölkerungswachstums schließlich zu einer stagnierenden oder schrumpfenden Bevölkerung gelangen, da die Kinderzahl ab- und die Lebenserwartung zunimmt. Zudem findet man heute eine starke Änderung des Familienzyklus: Ein- bis Zweipersonenhaushalte nehmen stetig zu. Die fünf Phasen der demografischen Transformation sind:

1

1. Phase: »Prätransformative Phase«. Hohe Geburtenziffern, hohe schwankende Sterbeziffern; hoher Bevölkerungsumsatz, geringes Wachstum. 2. Phase: »Frühtransformative Phase«. Einsetzen eines langsamen Absinkens der Sterbeziffern bei anhaltend hohen Geburtenziffern. Die Bevölkerung wächst zunehmend. 3. Phase: »Mitteltransformative Phase«. Die Sterbeziffern nehmen weiter ab, die Geburtenziffern beginnen allmählich zu sinken. Das Bevölkerungswachstum erreicht seinen Höhepunkt. 4. Phase: »Spättransformative Phase«. Die Geburtenziffern sinken bei niedrigen Sterbeziffern schnell weiter ab, ebenso das Bevölkerungswachstum. 5. Phase: »Posttransformative Phase«. Geburtenund Sterbeziffern bleiben auf niedrigem Niveau sowie einigermaßen konstant. Das Bevölkerungswachstum ist gering (kann unter Null sinken). Die Geburtenziffern schwanken stärker als die Sterbeziffern. In diesen Zustand befinden sich die meisten Industriestaaten, auch Deutschland.

Demografisches Altern Alterspyramiden (Bevölkerungspyramiden) veranschaulichen grafisch alle Altersgruppen einer Bevölkerung zu einem bestimmten Zeitpunkt. Für gewöhnlich sind bei den Pyramiden links die männliche und rechts die weibliche Bevölkerung abgetragen, auf der vertikalen Achse das Alter der Personen in Jahren (sie beginnt in der Regel bei Null und endet bei 100). Ausschläge auf der horizontalen Achse geben die tatsächliche Anzahl der Personen pro Jahrgang (meist in 1000) an. Starke Einschnitte oder Ausbeulungen spiegeln Kriege, Naturkatastrophen und andere Einflüsse auf plötzlich gehäufte Sterbefälle oder Geburtenrückgänge wieder, Ausbeulungen z. B. staatliche Förderungen innerhalb der Familienpolitik. Idealtypische Grundformen von Bevölkerungspyramiden sind in . Abbildung 1.12.a-e dargestellt. KLINK Deutschland befindet sich im Übergang von der urnenförmigen hin zur pilzförmigen Pyramide.

Med. Psychologie/ Soziologie

62

Kapitel 1 · Entstehung und Verlauf von Krankheiten

Entwicklung der Weltbevölkerung, Prognosemodelle, Folgen für die Bevölkerungspolitik a

b

c

d

e . Abb. 1.12a-e. Idealtypische Grundformen von Alterspyramiden a Gleichschenkliges Dreieck: Hohe Säuglings- und Kindersterblichkeit und überdurchschnittliche Sterbeziffern in allen anderen Altersstufen (z. B. Bangladesch, einige afrikanische Staaten); b Pagodenförmige Pyramide: Relativ hohe Sterblichkeit im Kindes- und Erwachsenenalter (Entwicklungsländer); c Glockenförmige Pyramide: Geburten- und Sterberate halten sich die Waage (z. B. die meisten Industrieländer); d Urnenförmige Pyramide: Geburtendefizit, schrumpfende Bevölkerung; e Pilzform: Geburtendefizit, Überhang älterer Menschen

Das demografische Altern (Zunahme der Altenquote) ist eindeutig und hat Folgen für die Sozial- und Gesundheitspolitik (. Abb. 1.13). Ein Ziel ist die Kompression der Morbidität: Mit dem Alter verbundene Krankheiten und Behinderungen sollen auf einen möglichst kurzen Lebensabschnitt unmittelbar vor dem Tod komprimiert werden (gemeint ist nicht, alte kranke Menschen schneller sterben zu lassen, sondern alte Menschen länger gesund zu erhalten!). Gesund alt werden ist auch ein gesellschaftliches Ziel, weil die mit dem Alter steigende Anzahl chronischer Erkrankungen starke Kosten verursacht (die letzten Monate vor dem Tod sind am kostenintensivsten).

Es werden 3 Phasen der Weltbevölkerungsentwicklung beschrieben: 1. Vorgeschichtliche Phase (Steinzeit bis Christi Geburt): Lebenserwartung: 20 Jahre. Reproduktionszeit der Frauen: 5–8 Jahre, ca. 4 Geburten pro Frau, hohe Säuglingssterblichkeit: Ca. 2 Kinder pro Frau erreichten selbst das Fortpflanzungsalter. Es handelte sich um eine fast konstante Bevölkerungszahl mit nur sehr langsamer Zunahme. Bei Christi Geburt lebten ca. 200– 400 Mio. Menschen auf der Erde. 2. Frühgeschichtliche und geschichtliche Phase (bis zum Beginn der Neuzeit): Lebenserwartung: 30–35 Jahre. Gemeinsame Lebenszeit von Eltern und Kindern stieg von 5 auf 15 Jahre. Das Bevölkerungswachstum nahm stark zu. Die Weltbevölkerung für das Jahr 1650 wird auf ungefähr 500 Mio. geschätzt. 3. Phase der Kulturentwicklung in der Moderne: Gemeinsam durchlebte Phasen von Eltern und Kindern haben sich weiter erhöht. Lebenserwartung: Männer: 84 Jahre, Frauen: 90 Jahre. Die Weltbevölkerung hat die 6 Mrd.-Grenze überschritten. Die Prognose von Malthus (britischer Nationalökonom und Sozialphilosoph), um 1800, war: 4 Der Geschlechtstrieb der Menschen ist eine natürliche, gleich bleibende Eigenschaft, durch welche die Bevölkerung ständig zunehmen wird. 4 Bevölkerungsvermehrung wird nur durch Krankheiten, Hungersnöte und gezielte Enthaltsamkeit gestoppt. 4 Wenn keine Hemmnisse auftreten, wächst die Bevölkerung in geometrischer Reihe (1, 2, 4, 16,…); Nahrungsmittel nehmen nur in arithmetischer Reihe (1, 2, 3, 4, 5, …) zu. 4 Wenn keine anderen hemmenden Faktoren auftreten, führt die Bevölkerungsentwicklung zu einer Katastrophe. Hieraus wurden zunächst kontrazeptive Maßnahmen abgeleitet. Die Idee von ökonomischen und soziokuturellen Einflussfaktoren tauchte erst später mit Marx und Engels auf.

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1 1

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Frauen

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Frauen

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Quelle: Statistisches Bundesamt, BBR INKAR Prognose 2020. Eigene Berechnungen. Alle Daten für Gesamtdeutschland.

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100+ 95 90 85 80 75 70 65 60 55 50 45 40 35

… im Jahr 2020

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. Abb. 1.13. Demografisches Altern der Bundesrepublik Deutschland: Veranschaulichung der Bevölkerungszahlen von 1980, 2000 und der Prognose für 2020 (Kröhnert, van Olst & Klingholz, 2004). Die Einschnitte in den Zahlen spiegeln Kriege (1;3), Wirtschaftskrise (2) und Pillenknick (4) wider sowie den Geburtenrückgang im Osten nach der Wende (5), der sich auf die bundesweite Bevölkerungszahl auswirkt. Niedrige Geburtenraten sollen 2020 zu einem massiven Bevölkerungsverlust führen (6). Der Überhang älterer Menschen (7) wird vermutlich 2030, wenn diese Jahrgänge in Rente gehen, zu verheerenden Problemen der Alterssicherung führen. (Kröhnert, von Olst und Klingholz 2004)

Anteil der jeweiligen Altersklassen in Prozent der Gesamtbevölkerung

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Frauen

95+ 90 85 80 75 70 65 60 55 50 45 40 35

Männer

… im Jahr 2000

Bevölkerung im Jahr 1980

1.4 · Theoretische Grundlagen

1

Med. Psychologie/ Soziologie

64

Kapitel 1 · Entstehung und Verlauf von Krankheiten

1.4.10 Sozialstrukturelle

Determinanten des Lebenslaufs Modernisierungsprozess von Gesellschaften Max Weber unterschied vier Bestimmungsgründe sozialen Handelns (zum Handeln gehört ihm zufolge inneres und äußeres Tun sowie Dulden und Unterlassen): 1. zweckrational: »Zweckrational handelt, wer sein Handeln nach Zweck, Mitteln und Nebenfolgen orientiert…« (Weber, 1984, S. 45). 2. wertrational: Durch Glauben begründetes (ethisch, ästhetisch, religiös, etc.), moralisches Handeln. 3. affektuell: Handeln wird durch Affekte und Gefühlslagen begründet. 4. traditional: Begründung durch eingelebte Gewohnheiten.

Beruf der Sicherung des Lebensunterhalts und es werden für ihn bestimmte Fertigkeiten in einer Ausbildung erworben. Ehrenamtliche, aber auch aus Liebhaberei und evtl. ohne Ausbildung ausgeübte Tätigkeiten (z. B. in den Bereichen Kunst und Sport) sowie intensive Hobbys bilden Schnittmengen zum Beruf. 4 Erwerbsquote bezeichnet den Anteil der Erwerbspersonen an der Bevölkerung (gesamt oder im erwerbsfähigen Alter). Die Erwerbsquote wird nach Alter, Geschlecht, Regionen, etc. untergliedert. (zu »Erwerbspersonen« 7 Kap. 1.2.5). Man unterscheidet drei Erwerbssektoren: 4 Primärer Sektor (Land- und Forstwirtschaft), 4 Sekundärer Sektor (produzierendes Gewerbe), 4 Tertiärer Sektor (Handel, Verkehr und Dienstleistungen). KLINIK

Ökonomischem Handeln liegt zweckrationales Handeln zugrunde; dies beinhaltet eine Gefährdung ethischer und anderer wichtiger Prinzipien.

Merke Merkmale zweckrationalen Handelns: Berechenbarkeit, Orientierung an maximaler Wirkung, Sachlichkeit, keine affektiven oder traditionalen Motive.

Weitere Kennzeichen moderner Gesellschaften sind Individualisierung und Übergang von der Industrie- zur Informationsgesellschaft. Änderungen der Erwerbsstruktur: 4 Arbeit steht für die gezielte, planmäßige Tätigkeit, mit der der Mensch in seiner Umwelt zu überleben versucht (mittels Lösung geistiger und technischer Aufgaben oder Herstellung von Produkten und Dienstleistungen). 4 Leistung ist das erfolgreiche Erreichen des Ziels durch geistige oder körperliche Anstrengung; aber auch: Ergebnis bestimmter Qualität, welches innerhalb einer vorgegebenen Arbeitszeit zu erbringen ist. 4 Beruf fasst Tätigkeiten zusammen, die für Gegenleistungen oder im Dienste Dritter regelmäßig erbracht werden. In der Regel dient der

Heute ist in unserer Gesellschaft bezüglich der drei Sektoren eine eindeutige Tertiarisierung nachweisbar: Primärer und sekundärer Sektor weisen einen massiven Rückgang zugunsten des tertiären Sektors auf (fast zwei Drittel der Erwerbstätigen sind im tertiären Sektor tätig). Der Anstieg ist mittlerweile so stark geworden, dass man begonnen hat, den tertiären Sektor zu unterteilen und einen quartären Sektor zu bilden, der sich mit Informationen befasst.

Nach der Fourastié-Hypothese (Jean Fourastié, Wirtschaftswissenschaftler) bewirken zwei Faktoren den Wandel der Erwerbsstruktur: 1. Technischer Fortschritt: Je größer die Technisierung in einem Sektor, desto geringer der Personalbedarf. 2. Nachfrage: Je stärker die Nachfrage, desto größer ist der Personalbedarf. 5 Primärer Sektor: Die Nachfrage ist hier wenig steigerbar, technischer Fortschritt nimmt mäßig zu. Folge: starker Abbau von Arbeitsplätzen. 5 Sekundärer Sektor: Die Nachfrage und auch die Technisierung steigen. Technischer Fortschritt steigt schneller als Nachfrage. Folge: Arbeitsplatzabbau.

65 1.4 · Theoretische Grundlagen

5 Tertiärer Sektor: Die Nachfrage ist steigerbar, Technisierungsmöglichkeiten sind gering. Folge: Erwerbstätigenzuwachs. Steigender Erwerbspersonenzuwachs in einem Sektor ist nur ein möglicher Faktor für Arbeitslosigkeit (Mangel an Arbeitsgelegenheit im Verhältnis zur verfügbaren Arbeitsleistung). Man unterscheidet: 4 Strukturelle Arbeitslosigkeit: Ursachen hierfür sind technologischer und sozioökonomischer Wandel. 4 Saisonale Arbeitslosigkeit wird verursacht durch jahreszeitlich bedingte Produktions- und Nachfrageschwankungen (z. B. Landwirtschaft, Tourismusbranche). 4 Konjunkturelle Arbeitslosigkeit wird verursacht durch gesamtwirtschaftliche Nachfragelücke; Arbeitslosigkeit ist abhängig vom Konjunkturzyklus. 4 Friktionelle Arbeitslosigkeit wird ausgelöst durch Fluktuation bzw. Arbeitsplatzwechsel. Sie kennzeichnet die Zeitspanne zwischen Aufgabe einer alten und Beginn einer neuen Tätigkeit und ist wirtschaftspolitisch eher ohne Bedeutung.

Einfluss von Bildung auf Lebensstil und Gesundheit Als soziale Lebensstile (Lebensformen) bezeichnet man relativ stabile, regelmäßig wiederkehrende Muster der allgemeinen Lebensführung. Lebensstile sind zwar bereichsübergreifend, haben aber ihren Schwerpunkt im Freizeit- und Konsumbereich. Neben weiteren Charakteristika ist die identitätsstiftende Funktion von Lebensstilen ein wichtiges Kriterium, denn der Lebensstil ist gleichzeitig Ausdruck personaler und sozialer Identität (zu »Identität« 7 Kap. 1.4.8). Es zeigt sich ein Zusammenhang zwischen Lebensstil und Gesundheitsverhalten. Wolf (2003) konnte z. B. nachweisen, dass eine größere Nähe zum Lebensstil höher gebildeter Schichten (das sog. »Hochkulturschema«) mit weniger gesundheitsschädlichen und mehr gesundheitsfördernden Verhaltensweisen einhergeht. Weitere bekannte Zusammenhänge von Bildung und Gesundheit: 4 Personen mit sehr niedriger Bildung bleiben häufig Vorsorge- und Früherkennungsuntersuchungen fern.

1

4 Personen mit sehr niedriger Bildung sind etwa dreimal so stark übergewichtig wie Personen mit sehr hoher Bildung.

Soziale Differenzierung Die funktionelle Differenzierung geschieht nach unterschiedlicher Aufgabenzuteilung, Arbeitsteilung, z. B. nach Geschlecht, Alter oder Berufsgruppen. Die vertikale Differenzierung verläuft aufgrund von Unterschieden zwischen den Mitgliedern einer Gesellschaft in sozialen Merkmalen, im Sinne von höher oder niedriger, bevorzugt oder benachteiligt, besser oder schlechter gestellt (soziale Ungleichheit), z. B. Einkommen, Bildung, Berufsprestige, Besitz, Arbeitsbelastungen, etc. Soziale Schichten

Man unterscheidet Ober-, Mittel- und Unterschicht, wobei jede Schicht in weitere Untergruppen unterteilt werden kann. Die Schichtgrenzen sind jedoch mehr oder weniger beliebig festgelegt. Zahlenmäßig umfasst die Mittelschicht die meisten Personen. Zwischen den Schichten bestehen fließende Übergänge. Sozialer Auf- oder Abstieg ist möglich (hauptsächlich über die berufliche Position).

Prüfungsfallstricke Die Verteilung der Sozialschichten in Deutschland besitzt Zwiebelform. Am stärksten besetzt sind die beiden Schichten »untere Mitte« und »unterste Mitte/oberes Unten«, welche den »Bauch« der Zwiebel ausmachen.

Statuskonsistenz (auch Statuskristallation) meint, dass die möglichen Schichtmerkmale (Bildung, Einkommen, Berufsprestige, 7 Kap. 1.2.5) innerhalb einer Person hoch miteinander korrelieren, wohingegen bei Statusinkonsistenz (auch Statusinkongruenz) ein- und dieselbe Person je nach Merkmal unterschiedliche Schichtzuweisungen erhalten würde (z. B. hohe Bildung, aber geringes Einkommen). Personen an den Extremen des Schichtungsaufbaus sind in ihrem Status recht konsistent, im mittleren Bereich ist eine größere Statusinkonsistenz vorhanden.

Med. Psychologie/ Soziologie

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Kapitel 1 · Entstehung und Verlauf von Krankheiten

Einkommensdisparität bezeichnet die Ungleichverteilung von Einkommen einer Bevölkerung, z. B. zwischen den Schichten (»Die Schere zwischen Arm und Reich«), Männer und Frauen, Ost- und Westdeutschland, etc.. Soziale Milieus (Lebenswelten) nennt man Gruppen von Menschen mit ähnlicher Wertorientierungen, Lebenszielen sowie Prinzipen der Lebensgestaltung. Die Milieuzugehörigkeit ist zwar durchaus von der Schichtzugehörigkeit abhängig, aber nicht mit dieser identisch; sie kann sich im Laufe des Lebens verändern. Soziale Randgruppen sind Personengruppen innerhalb einer Gesellschaft, die nur unzureichend integriert sind (z. B. aufgrund von Behinderungen, Krankheiten, lebensgeschichtlicher Besonderheiten, etc.). Der Begriff ist unscharf.

Soziale Mobilität wird mit folgenden Begriffen beschrieben: 4 Horizontale Mobilität nennt man den Positionenwechsel, der nicht mit einer Statusänderung einhergeht (z. B. Wechsel von Betrieb A zu Betrieb B bei gleichbleibender Tätigkeit und ähnlichem Einkommen). 4 Vertikale Mobilität bezeichnet den Positionenwechsel, der mit Statusverbesserung oder -verschlechterung einhergeht (z. B. Vom Manager zum Arbeitslosen oder vom einfachen zum leitenden Angestellten). 5 Intragenerationenmobilität ist der Statuswechsel innerhalb einer Generation (z. B. beruflicher Aufstieg einer Person). 5 Intergenerationenmobilität steht für den Statuswechsel zwischen mehreren Generationen (z. B. Vater Arbeiter, Sohn Arzt).

Fallbeispiel Der folgende Fall wird in 7 Kapitel 1 und 7 Kapitel 2 der medizinischen Psychologie, auf den jeweiligen Inhalten aufbauend, besprochen: Ein Mann, Anfang 20, zeigt folgendes normabweichendes Verhalten: Nach Berührung von Gegenständen außerhalb seines Wohnraums verspürt er den Drang, exzessiv seine Hände zu waschen. Die Anzahl kontaminationsgefürchteter Objekte weitet sich allmählich aus, seine Waschprozeduren werden immer länger, oftmals bemüht der Mann sich, Gegenstände und Personen nicht mehr zu berühren (z. B. durch das Tragen von Handschuhen). Die Person fühlt sich in ihrem Wohlbefinden gemindert, ihr Handlungsvermögen ist durch das exzessive Händewaschen sowie das Vermeidungsverhalten eingeschränkt. Die gesundheitsbezogene Lebensqualität des Mannes ist folglich reduziert. Die implizierte Theorie, derzufolge es durch Berührung zu zahlreichen Infektionen kommen kann, ist deutlich übertrieben. Aufgrund einer sehr niedrigen Symptomtoleranz nimmt der Mann sehr früh erste Anzeichen von Ekzemen an seinen Händen wahr und sucht einen Arzt auf. Ein medizinischer Befund bestätigt sein diesbezügliches Befinden. Zur Behandlung 6

der Ekzeme werden dem Patienten spezielle Salben verschrieben. Der Waschzwang und die Kontaminationsängste werden nicht thematisiert. Gesellschaftlich gesehen wird der Patient zunehmend in der Ausübung seiner Berufsrolle aufgrund seiner Zwänge gehindert: Als Pfleger in einem Seniorenheim benötigt er nach seinen pflegerischen Tätigkeiten zunehmend mehr Zeit für die eigene Reinigung, was ihn in enormen Zeitdruck am Arbeitsplatz bringt. Aufgrund seines devianten Verhaltens drohen ihm negative Sanktionen. Der Mann lässt sich von seinem Arzt aufgrund der Ekzeme für längere Zeit krankschreiben. Hintergründe: Es existieren unterschiedliche Modellvorstellungen zur Zwangsproblematik des Patienten. 5 Gemäß der kognitiven Lerntheorie wird das Zwangsverhalten durch negative Verstärkung und dysfunktionale Kognitionen aufrecht erhalten. 5 Im verhaltensanalytischen Genesemodell wäre die auslösende Situation (S) das Berühren von Objekten, welche im Organismus (O) zu starker Anspannung und Angst führt. Als Reaktion (R) ist starkes Händewaschen zu beobachten,

67 1.4 · Theoretische Grundlagen

wodurch sofort und zuverlässig (C) die Anspannungs- und Angstgefühle reduziert werden (K). 5 Unter biopsychologischen Gesichtspunkten sind Handlungszwänge durch Stress aktivierte, phylogenetisch bedeutsame, aber nunmehr dysfunktionale Verhaltensmuster (Süllwold, 1994). Zwänge lösen wiederum Stress bei der betroffenen Person aus. 5 Nach dem Psychodynamischen Modell würden die Waschzwänge mit dem Abwehrmechanismus des Ungeschehenmachens sowie einer Regression auf die anale Phase (z. B. in Zeiten erhöhten Stresses) sowie einer analen Charakterprägung (z. B. durch zu betonte Reinlichkeitserziehung in der frühen Kindheit) erklärt werden. Ebenfalls von Bedeutung sind der primäre (Reduktion der Anspannung durch die Waschsymptome) und der sekundäre (z. B. Krankschreibung) Krankheitsgewinn. 5 Aus sozialpsychologischer Sicht bestimmen u. a. Einstellungen, Selbstwirksamkeitserwartung und Kontrollattributionen das Verhalten. Ein starker sozialer Rückhalt könnte helfen, den Verlauf der Zwangsstörung für den Patienten günstig zu beeinflussen. Während man früher ein Überwiegen der Zwangsstörung bei Mittel- und Oberschicht feststellen konnte, ist die Schichtzugehörigkeit heutzutage ausgeglichen (Reinecker, 1998). Aufgrund dieses und anderer Fallbeispiele könnte ein Forscher induktiv die probabilistische Zusamenhangshypothese ableiten, dass Waschzwänge v.a. bei medizinischem und pflegerischem Personal vorzufinden sind. Die Alternativhypothese würde lauten, dass medizinisches Personal sich von anderen Berufsgruppen in der Auftretenshäufigkeit von Zwängen unterscheidet, wohingegen gemäß der Nullhypothese keine Gruppenunterschiede vorhanden sein sollen. In einer Querschnittstudie könnten die Zwänge mittels kategorialer klinischer Diagnosen gemäß ICD oder DSM, dimensional als teilstrukturiertes Interview anhand der Yale-Brown Obsessive Compulsive Scale (Y-BOCS) sowie als Selbstrating durch das Hamburger Zwangsinven-

tar (HZI) operationalisiert und für die entsprechenden Berufsgruppen quantitativ ausgewertet werden (Nach Hand und Büttner-Westphal, 1991, ist die Y-BOCS aufgrund ihrer hohen Reliabilitäts- und Validitätswerte hervorragend für den Einsatz in Klinik und Forschung geeignet). Im Anschluss der Untersuchung muss überprüft werden, inwieweit sich die an einer Stichprobe gewonnenen Ergebnisse auf eine größere Population generalisieren lassen. Biologische Besonderheiten sind bei Zwangspatienten im frontostriatalen Bereich sowie im Serotoninhaushalt zu finden. Vor einer einseitigen kausalen Interpretation ist zu warnen: Neuroanatomische und Neurotransmitterveränderungen müssen nicht automatisch Ursache, sie können auch Folge von psychologischen Prozessen sein (z. B. Baxter et al., 1992). Die Lerntheorie richtet ihr Augenmerk auf die operante Konditionierung des Zwangsverhaltens (Angstabfall durch Hände waschen). Kognitiv fallen bei Zwangspatienten eine stark selektive Aufmerksamkeit sowie Probleme bei der Informationsverarbeitung auf; die Intelligenz von Zwangspatienten liegt im normalen bis überdurchschnittlichen Bereich. Die in unserem Beispiel wichtigste Emotion ist Angst. Auf motivationaler Ebene ist bei Zwangspatienten eine übermäßige Unsicherheit festzustellen, sie leben in ständigem Zweifel (z. B. sich vielleicht doch angesteckt zu haben). Klinisch-psychologisch wird die Zwangsstörung von der zwanghaften Persönlichkeitsstörung unterschieden. Eine erhöhte Interferenzneigung soll mit Zwängen korrelieren. Die Zwänge des jungen Mannes aus dem Fallbeispiel treten erstmals zu einer Zeit auf, in der er beruflich zu stagnieren scheint: Als Altenpfleger wird ihm ein hoher Arbeitsaufwand abverlangt, bei gleichzeitig niedrigem Gehalt und niedrigen Einflussmöglichkeiten auf die Gestaltung seines Arbeitsalltags (Gratifikationskrisen-/Anforderungskontrollmodell). Die berufliche Situation des Mannes verweist ferner auf die psychologische und medizinische Bedeutung gesellschaftlicher, soziodemografischer und sozialstruktureller Determinanten.

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2 Ärztliches Handeln Mind Map Dieses Kapitel befasst sich mit den Aspekten der Arzt-Patienten-Beziehung: diese steht beim ärztlichen Handeln an zentraler Stelle, gleich welcher Fachrichtung der Arzt auch angehört. Wichtigstes Element ist die Kommunikation und Interaktion, aber auch die Beratung und Unterstützung, die über die gesamte Behandlungsstrecke aufrechterhalten werden sollte. Nach einer Darstellung von Kernpunkten bei Untersuchung und Gespräch werden auch Urteilsbildung und Entscheidung im ärztlichen Kontext behandelt, wobei auf Arten

und Grundlagen von Entscheidungen, auf Urteilsqualität und Qualitätskontrolle, Entscheidungskonflikte und Entscheidungsfehler eingegangen wird. Ebenfalls sehr wichtig sind die verschiedenen Interventionsformen (ärztliche Beratung, Patientenschulung und Psychotherapie) und der Umgang mit besonderen medizinischen Situationen, wie Tod, Sterben und Trauer, in die jeder als Arzt kommen wird. Schließlich werden verschiedene Facetten der Beziehung zwischen Patient und Gesundheitssystem behandelt.

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Med. Psychologie/ Soziologie

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Kapitel 2 · Ärztliches Handeln

2.1

Arzt-Patient-Beziehung

2.1.1 Professionalisierung

des Arztberufs Merke Gesundheitsberufe sind Dienstleistungsberufe.

Als Profession wird ein Beruf allgemein bezeichnet, aber auch ein Dienstleistungsberuf/akademischer Beruf mit hohem Prestige und besonderer Bedeutung für die Gesellschaft. Professionalisierung nennt man die Entwicklung eines Berufs zu einem akademischen Beruf mit erhöhten Anforderungen an Fachwissen und Qualifikationen innerhalb einer strukturierten, geregelten Ausbildung.

Merkmale des Professionalisierungsprozesses des Arztberufs Den Prozess der Professionalisierung des Arztberufs kennzeichnen folgende Merkmale: 4 Standardisierte akademische Ausbildung, 4 ärztliche Weiterbildungen, 4 Erweiterung des Markts für medizinische Dienstleistungen, 4 Durchsetzung neuer (wissenschaftlich begründeter) Methoden in Diagnostik und Therapie, 4 Ausdifferenzierung und Spezialisierung, 4 Normierung und Kontrolle ärztlichen Verhaltens, 4 berufliche Autonomie, 4 Selbstkontrolle, 4 Kontrolle anderer Gesundheitsberufe, 4 berufspolitische Organisationen, 4 staatliche Regelungen ärztlicher Leistungen; die Leistungen haben überwiegend Monopolstellung und 4 Steigerung des Berufsprestiges. Chancen der ärztlichen Spezialisierung liegen in der enormen Verbesserung von Diagnostik und Behandlung, zum einen durch vorantreibende Konkurrenz, zum anderen durch gegenseitige Ergänzung. Risiken zeigen sich in einer durch die Differenzierung steigenden Orientierungslosigkeit für Patienten und ebenso für Ärzte.

KLINIK Entprofessionalisierungstendenzen Ein immer größeres Eingreifen der Politik in die Kernbereiche ärztlichen Handelns schwächt zunehmend die ärztliche Autonomie. Kritische Stimmen fürchten, dass durch fachfremde administrative Vorgaben wirtschaftliche Standards wichtiger werden als wissenschaftliche (Kolkmann, Villmar und Stobrawa, 2004). Dies könnte zu schweren Störungen der Arzt-PatientenBeziehung führen.

Die Berufsordnung ist Aufgabe der Standespolitik, in ihr sind für alle Ärzte verbindliche Regeln und Pflichten der Berufsausübung festgehalten (Aufgaben des Arztes, Schweigepflicht, berufliches Verhalten, etc.). Die Ärztekammern tragen die Verantwortung für die Einhaltung der Berufsordnung. Zugangsregulation durch die Kassen

Die Abrechnung für Behandlungen von Kassenpatienten läuft über die gesetzlichen Krankenkassen. Im Sicherstellungsauftrag verpflichten sich die Kassenärztlichen Vereinigungen, eine Versorgung bestimmter Qualität für die Versicherten zu gewährleisten. Ferner prüfen Krankenkassen und Kassenärztliche Vereinigungen die Zulassung zur vertragsärztlichen Versorgung und machen so den Arzt zum Vertragsarzt der gesetzlichen Krankenkassen. Die ärztliche Approbation allein reicht nicht zur Berechtigung der Liquidation einer Behandlung von gesetzlich versicherten Patienten. Vollkommen eigenveratwortliche Behandlungen dürfen erst mit dem Facharztstatus durchgeführt werden und erst mit einer »Kassenzulassung« auch liquidiert werden. Die Kassenärztliche Vereinigung dient als Vermittler zwischen Ärzten und Krankenkassen.

Merkmale und Wandel von Organisationen, in denen der Arztberuf ausgeübt wird Mit der Inkrafttretung des Psychotherapeutengesetzes 1999 ist die Berufsbezeichnung »Psychotherapeut« geschützt und die Ausbildung zum selben staatlich geregelt. Weitere Veränderungen sind Erweiterungen des Katalogs ambulanter Operationen und vermehrte

71 2.1 · Arzt-Patient-Beziehung

Öffnung der Krankenhäuser für ambulante Behandlungen. Zum Belegarztsystem kommen neue Formen der Versorgung wie Tageskliniken (v. a. im psychiatrischen Bereich), Gemeinschaftspraxen und vernetzte ärztliche Praxen hinzu.

2.1.2 Arztrolle Organisatorische und ökonomische Determinanten des ärztlichen Handelns Folgende organisatorische und ökonomische Punkte bestimmen das ärztliche Handeln: 4 Niedergelassene Ärzte sind Vertragsärzte der Krankenkassen (s. o.) und sind steuerrechtlich gesehen Freiberufler. 4 In einer Klinik angestellte Ärzte sind Arbeitnehmer und erhalten ein festes Gehalt vom Krankenhaus. 4 Das Sozialgesetzbuch (SGB) legt die Leistungen, welche Ärzte den Versicherten anbieten können, fest. 4 In der Gebührenordnung für Ärzte (GOÄ) wird das Honorar niedergelassener Ärzte bestimmt. Die Krankenkassen haben ebenfalls einen Einfluss auf dieses Honorar. 4 Im Leistungskatalog der gesetzlichen Krankenkassen geht es vorrangig um die Behandlung vorhandener Erkrankungen. Vorsorge- und Früherkennungsuntersuchungen sowie präventive Maßnahmen werden hinten angestellt.

Bedeutung von Wirtschaftlichkeit und Zweckmäßigkeit Die gesetzlichen Krankenkassen stellen Forderungen nach Wirtschaftlichkeit und Zweckmäßigkeit an das ärztliche Handeln. Durch vermehrtes Eingreifen des Gesetzgebers in die ökonomischen Determinanten von Diagnostik und Behandlung (s. o.) wachsen die Selbstbeteiligungskosten von Patienten. Auf diese Weise entsteht ein immer größeres Kundenbewusstsein: Auch der Patient hat Ansprüche an Wirtschaftlichkeit und Zweckmäßigkeit der ärztlichen Leistungen. Krankenhausärzte unterliegen ebenfalls einer ökonomischen Rechtfertigung ihrem Arbeitgeber gegenüber.

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Normen der Arztrolle nach Talcott Parsons Talcott Parsons beschreibt folgende Begriffe für die Normen der Arztrolle: 4 Universalismus: Ärzte sind jedem Patienten gegenüber ohne Einschränkungen zur Hilfe verpflichtet. 4 Kollektivitätsorientierung: Uneigennützigkeit/ Altruismus des Arztes wird gefordert. 4 Affektive Neutralität: Der Arzt muss alle Patienten gleich behandeln, unabhängig von persönlichen Sympathien oder Antipathien. 4 Funktionale Spezifität: Vom Arzt wird fachliche Kompetenz verlangt, er soll seine (Fachbereichs-) Grenzen nicht überschreiten.

Motivation zum Arztberuf, berufliche Sozialisation zum Arzt Viele Medizinstudenten besitzen zu Beginn ihres Studiums eine altruistisch-humanistische Motivation, den Arztberuf zu erlernen, die im Verlauf der beruflichen Sozialisation jedoch nachlässt. Verschiedene Autoren betonen von daher, wie wichtig es ist, Gesprächsführungstechniken sowie wesentliche Aspekte der Arzt-Patienten-Beziehung zu erlernen!

Ethische Entscheidungskonflikte ärztlichen Handelns Kaum ein Bereich des ärztlichen Handelns ist frei von ethischen Überlegungen. Schon allein wirtschaftliche Abwägungen bei der Auswahl von Therapieverfahren aufgrund von Kürzungen durch die Krankenkassen können in ethische Zwickmühlen führen.

Psychische Belastungen des Arztberufs Neben häufigen Intra- und Interrollenkonflikten (7 Kap. 1.1.4) findet man bei Ärzten vermehrt das Helfer- sowie das Burn-out-Syndrom. Helfersyndrom

Für das Helfersyndrom sind folgende Merkmale kennzeichnend: 4 Die betroffenen Personen verleugnen ihre eigenen Schwächen und ihre Hilfsbedürftigkeit; 4 sie vermeiden enge, intime Kontakte; 4 ferner besitzen sie Schwierigkeiten, ihre eigenen (erfüllbaren) Wünsche zu äußern; 4 eigene Wünsche werden angesammelt und »explodieren« als Vorwürfe gegen die Umwelt.

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Kapitel 2 · Ärztliches Handeln

In Prophylaxe und Therapie versucht man die Personen für eigene Wünsche und Bedürfnisse zu sensibilisieren, Emotionalität und Kreativität sowie die Durchsetzung von Zielen im eigenen Interesse durch positive Verstärkung zu fördern. Aufgestaute Aggressionen sollen auf »gesunde«, akzeptierte Weise abgebaut werden (z. B. Sport, Rollenspiel, etc.).

Krankheitsbewältigung KLINIK Nachteile und Einschränkungen durch akute Erkrankungen sind von vergleichsweise kurzer Dauer und lassen sich leicht kompensieren. Anders bei chronischen Erkrankungen: Eine solche Diagnose kann handfeste Lebenskrisen auslösen.

Burn-out-Syndrom

Beim Burn-out-Syndrom werden folgende Phasen unterschieden: 4 Agitationsphase: Es wird mit aller Macht gegen die erlebten Überlastungsgefühle angekämpft. 4 Regressionsphase: Körperliche und seelische Erschöpfung mit Abstumpfung und Resignation tritt ein. 4 Chronifizierungsphase: Der Körper ist in Dauerspannung, die Person entfremdet sich in Form von Abstumpfung immer mehr von sich selbst und ihren eigenen Zielen, Wünschen und Bedürfnissen; Rigidität und Zynismus nehmen zu. Kernbausteine in Prophylaxe und Therapie sind: 4 Zeitmanagement (Steuerung der Situationsbedingungen), 4 Gefühlsmanagement (Steuerung der Gedanken) und 4 Problemlösung (Steuerung des Interessenausgleichs).

2.1.3 Krankenrolle Elemente der Krankenrolle nach Talcott Parsons Talcott Parsons beschreibt folgende Elemente der Krankenrolle: 4 Der Kranke wird befreit von regulären Rollenverpflichtungen; 4 er wird für seine Erkrankung nicht verantwortlich gemacht; 4 er trägt die Verpflichtung, sich um die Wiederherstellung seiner Gesundheit zu bemühen und 4 dazu muss er fachkundige Hilfe in Anspruch nehmen und mit Ärzten kooperieren.

Es existieren verschiedene Modelle zur Krankheitsbewältigung (Coping), welche u. a. »typische« Patientenkarrieren (7 Kap. 3.1.4) (z. B. häufigen Arztwechsel) erklären. Das Coping-Modell von Lazarus (7 Kap. 1.2.2 und 7 Kap. 3.1.4) kann auch als Krankheitsbewältigungsmodell gesehen werden, ebenso das Phasenmodell von Kübler-Ross aus der Trauerverarbeitung (7 Kap. 2.5.8). Das transaktionale Modell der Krankheitsbewältigung nach Heim, Augustiny und Blaser (1983) beschreibt folgende Punkte: 1. Wahrnehmung: Zu Beginn steht die Wahrnehmung von Symptomen. 2. Kognitive Verarbeitung: Diese gesundheitlichen Veränderungen werden bewertet. 3. Bewältigungsformen sind auf drei möglichen Ebenen mit spezifischen Abläufen angesiedelt: a) Handeln: – Kompensation (man gönnt sich etwas), – Zuwendungssuche, – Rückzug, – Ausleben von Wut und Zorn, – Altruismus, – Zupacken (»Das schaffe ich schon!«). b) Kognition: – Dissimulation (Herunterspielen der Erkrankung), – sich ablenken, – sich selbst valorisieren (aufwerten), – Problemanalyse (vernünftige Situationsanalyse), – Vermeidung des Problems, – Rumifizieren (ständiges Grübeln über die Erkrankung), – Stoizismus (gefasste Haltung). c) Intrapsychisch-emotional: – Bewahren der Haltung (Selbstkontrolle), – Fatalismus (sein Schicksal annehmen),

73 2.1 · Arzt-Patient-Beziehung

– – – –

Auflehnung (Protest), die Schuld bei sich selbst suchen, Emotionen rauslassen, Religiosität (Trost und Hoffnungssuche im Glauben).

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2.1.4 Kommunikation und Interaktion Funktionen der Kommunikation sind Orientierung, Information und Kooperation.

Formen der Kommunikation Diagnose, Therapie und Prophylaxe

Bei Diagnose-, aber auch Gutachtenerstellungen (z. B. von Rentenanforderungen) sind folgende Faktoren zu berücksichtigen: 4 Aggravation: Tatsächlich vorhandene Krankheitssymptome werden übertrieben. 4 Simulation: Symptome werden vorgetäuscht. 4 Dissimulation: Symptome werden verharmlost. In Therapie und Prophylaxe sind Attributionen (7 Kap. 1.2.4) und subjektive Krankheitstheorien als zentrale Themen zu beachten.

Merke Der sekundäre Krankheitsgewinn (7 Kap. 1.2.3) spielt als (unbewusster) Faktor bei der Aufrechterhaltung von Symptomen bzw. der Therapieresistenz oftmals eine starke Rolle.

Wirtschaftliche, rechtliche und familiäre Einflüsse auf die Krankenrolle Manche Personen werden aus wirtschaftlichen Gründen in die Krankenrolle gedrängt (z. B. Frühpensionierung statt Entlassung infolge von Personalabbau). Ein andersartiger Zusammenhang zwischen Wirtschaft und Krankenrolle besagt, dass je höher die wirtschaftliche Prosperität ist, desto höher die Anzahl der Krankschreibungen liegt. Wird eine krankgeschriebene Person bei Freizeitaktivitäten gesichtet, die mit der Erkrankung nicht vereinbar sind (z. B. Discobesuch), so kann das negative rechtliche Auswirkungen für sie haben (z. B. Verlust des Arbeitsplatzes). Die Familie hat ebenfalls einen Einfluss auf das »Ausleben« der Krankenrolle. So ist z. B. eine kranke Mutter meist nicht vollständig von ihren Rollenverpflichtungen befreit.

Verbale Kommunikation kann persönlich oder medial (z. B. Telefon), direkt oder indirekt (über Dritte), mündlich oder schriftlich erfolgen. Nonverbale Kommunikation ist die Übermittlung von Informationen ohne Sprache. Hierunter fallen akustische Besonderheiten (z. B. Lautstärke, Betonungen), visuelle Faktoren (z. B. Gestik und Mimik), taktile Informationen (Berührungen) sowie über Geschmacks-, Geruchs- und Wärmeempfindung aufgenommene Informationen. Unter paraverbaler Kommunikation versteht man Informationsaustausch durch nonverbale Lautäußerungen (z. B. Stöhnen, Brummen). Grundsätze der Kommunikation nach Paul Watzlawick sind: 1. Man kann nicht nicht kommunizieren: Jedes zwischenmenschliche Verhalten ist Kommunikation. 2. Jede Kommunikation hat einen Inhalts- (was gesagt wird) und einen Beziehungsaspekt (emotionale Beziehung der Gesprächspartner). 3. Kommunikationsabläufe werden von den Kommunikationspartnern unterschiedlich interpunktiert: Jeder Gesprächspartner sieht seine Handlung als Reaktion auf das Verhalten des anderen. 4. Menschliche Kommunikation besitzt digitale (verbale) und analoge (nonverbale) Anteile: Digitale Kommunikationsanteile haben eine logische Syntax, aber eine unzulängliche Semantik. Bei den analogen Anteilen verhält es sich umgekehrt. 5. Kommunikationsabläufe sind bei Gleichheit der Partner symmetrisch, bei Ungleichheit komplementär (ergänzend). Paradoxe Kommunikation: Hier laufen Inhaltsund Beziehungsaspekt auseinander (z. B. Unverschämtheiten in freundlichem Ton sagen oder das eine sagen, das andere tun). Ein Fall von paradoxer Kommunikation ist die sog. Doppelbindung (double bind): Egal, was der Gesprächspartner macht, es

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Kapitel 2 · Ärztliches Handeln

kann nur falsch sein (z. B. »Sei spontan!«: Kommt der Gesprächspartner der Aufforderung nach, handelt er nicht spontan; lässt er es, verweigert er eine Befolgung der Aufforderung.). Paradoxe Kommunikationen sind Bestandteil unserers Alltags und meist nicht weiter problematisch, da wir sie z. B. umgehen oder mit Humor reagieren können. Werden sie jedoch als unausweichlich erlebt, können sie einen Beitrag zu psychischen Störungen leisten.

Prüfungsfallstricke »Doppelbindung«, weil »ich doppelt gebunden bin«: Ich sollte den Handlungsalternativen sowohl nachkommen als auch nicht nachkommen.

sein Verhalten mit seiner Person kongruent ist, nicht künstlich, und dass Inhalte verständlich gemacht werden. Übertragung und Gegenübertragung (7 Kap. 2.4.3) sind in der psychoanalytischen Therapie erwünscht und werden gefördert, in der Arzt-Patienten-Beziehung sind sie jedoch möglicherweise störend. KLINIK Eine wichtige Grundlage der Arzt-PatientenBeziehung ist Vertrauen. Mangelt es seitens des Arztes an Echtheit oder Empathie und Wertschätzung, so prägt Misstrauen die Beziehung.

Typen interpersoneller Interaktion nach Jones und Gerard (1967)

In der sog. Metakommunikation spricht man nicht über gesagte Inhalte, sondern fokussiert die Beziehungsebene der Gesprächspartner.

Strukturen der Kommunikation Kommunikation kann in folgenden Strukturen ablaufen: 4 symmetrisch: Gleichheit der Kommunikationspartner (z. B. gegenseitiges Zuhören) 4 asymmetrisch: Ungleichheit der Partner (z. B. Arzt/Patient). Asymmetrie im ärztlichen Gespräch ist z. B. gekennzeichnet durch ein Nichtbeachten von Einwänden und Fragen des Patienten, einen Wechsel im Thema oder den Adressaten betreffend seitens des Arztes und Suggestivfragen. 4 direktiv: Ein Gesprächspartner bestimmt die Thematik und den Verlauf (z. B. Arzt/Patient). 4 nondirektiv: Beide Partner bringen sich gleichsam ins Gespräch ein. Prinzipien der non-direktiven Gesprächsführung sind: 4 Empathie und Wertschätzung: Nur wenn der Arzt sich in den Patienten hineinversetzen, ihn verstehen kann und ihn als Person prinzipiell akzeptiert, kann er relevante Informationen (Diagnosen, Empfehlungen, Anweisungen, etc.) überzeugend vermitteln. 4 Echtheit und Transparenz: Wichtig ist dabei auch, dass der Arzt authentisch wirkt, d.h., dass

Jones und Gerard unterscheiden folgende Typen interpersoneller Interaktion: 4 Pseudokontingente Interaktion (»Pseudo-Interaktion«): Reaktionen der Gesprächspartner sind durch eigene psychische Programme bestimmt, Ziele wurden schon vor der Interaktion definiert. Man wartet, bis der andere zu Ende gesprochen hat. 4 Asymmetrische Kontingenz/Interaktion: Ein Interaktionspartner handelt nach zuvor definierten Zielen, während der andere auf ihn reagiert. 4 Reaktive Kontingenz/Interaktion: Hier herrscht spontane Interaktion mit wechselseitiger Orientierung ohne zuvor festgelegte Ziele vor. Beide Partner lassen sich durch Reize des anderen treiben. Diese Art der Interaktion verläuft oft emotional. 4 Wechselseitige Kontingenz (»totale Interaktion«): Hierbei handelt es sich um eine wechselseitige Interaktion, bei der beide Interaktionspartner bemüht sind, eigene Vorstellungen zu verändern und gemeinsam Probleme zu lösen. Es besteht ein echter Austausch von Beziehungen.

Organisatorisch-institutionelle Rahmenbedingungen Von solchen Rahmenbedingungen hängt ab, ob das Arzt-Patienten-Gespräch als Einzel-, Gruppenoder Paargespräch durchgeführt wird und ob die

75 2.1 · Arzt-Patient-Beziehung

Versorgung ambulant, stationär oder gar als Hausbesuch im privaten Umfeld durchgeführt werden soll.

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2.1.5 Besonderheiten der Kommuni-

kation und Kooperation Formen von Kooperation von Patienten

Soziokultureller Rahmen der Kommunikation Bernstein ermittelte in England Unterschiede im Sprachstil zwischen Mittel- und Unterschicht: 4 Der restringierte Sprachcode ist häufiger in der Unterschicht anzutreffen. Typisch hierfür sind unzulängliche syntaktische Satzkonstruktionen; kurze, oft unvollendete Sätze; starrer, begrenzter Gebrauch von Adjektiven und Adverbien; formelhafte Redewendungen; Vermischung von Tatsachenfeststellung und Begründung. Absichten werden selten explizit geäußert. 4 Der elaborierte Sprachcode kommt häufiger in der Mittelschicht vor. Kennzeichnend sind grammatikalische Ordnung und Syntax; komplexe Satzkonstruktionen mit Nebensätzen; viele einsetzbare Adjektive und Adverbien; häufige Verwendung spezifizierender Präpositionen. Absichten werden explizit artikuliert.

Merke In Deutschland lässt sich keine so ausgeprägte Schichtspezifität nachweisen.

Verständnisprobleme können besonders beim Aufeinandertreffen von Fach- und Alltagssprache auftreten, dies ist besonders im Arzt-Patienten-Gespräch zu berücksichtigen. KLINIK Zur besseren Verständigung mit dem Patienten ist »Fachchinesisch« zu vermeiden!

Ein Patient kann sich in Bezug auf den Arzt wie folgt verhalten: 4 passiv: Der Patient überlässt dem Arzt die Auswahl von Untersuchungen und Behandlungsmethoden. Das kann für manche Vorgehensweisen funktional sein. 4 aktiv: Der Patient arbeitet mit, stellt Fragen, bringt Vorschläge mit ein. Dieser Zustand ist durch eine non-direktive Gesprächsführung zu erreichen und sehr wertvoll in Anamnese, Diagnostik und Therapie. 4 compliant: Compliantes Verhalten ist mit dem Arzt kooperierendes Verhalten. 4 non-compliant: Hier werden ärztliche Anweisungen nicht befolgt. KLINIK Einfluss auf die Compliance haben u. a soziales und familiäres Umfeld, Arzt-Patienten-Beziehung, (Un-)Zufriedenheit des Patienten mit Art und Ausmaß der medizinischen Betreuung, Transparenz der Behandlungsmethoden und Informiertheit des Patienten, Art der Erkrankung, Leidensdruck, Komplexität der Behandlung, ärztliche Kontrolle.

Weiterhin kann sich ein Patient autonom verhalten, d.h. er ergreift die Initiative und geht z. B. zum Arzt. Als heteronom bezeichnet man, dass das (spätere) Vorgehen (möglichst) von beiden Seiten aus erfolgt (die weitere Behandlung sollte nicht autonom vom Arzt durchgeführt werden).

Formen von Kooperation bei Ärzten Schwierigkeiten können auch in der Kommunikation mit fremdländischen Kranken auftreten. Hier ist vom Arzt genauestens zu überprüfen, ob seine Anweisungen auch richtig verstanden werden und der Umsetzung von Behandlungsmaßnahmen keine kulturellen Besonderheiten im Wege stehen (nicht zu unterschätzen!).

Ärzte können sich in Bezug auf den Patienten wie folgt verhalten: 4 patientenorientiert: Dieses Verhalten ist beim Allgemeinmediziner üblich; der Arzt ist Ansprechpartner für den Patienten, dem Patienten gilt seine zentrale Sorge. 4 technikorientiert: Dieses Verhalten findet sich meist in Facharztpraxen, in denen die Kontakte von Arzt und Patient zeitlich begrenzt und auf technische Maßzahlen reduziert stattfinden.

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Kapitel 2 · Ärztliches Handeln

Besondere kommunikative Anforderungen Besondere Anforderungen stellen Gespräche mit Schwerkranken und Sterbenden sowie die Mitteilung von ungünstigen Diagnosen/Behandlungen dar. KLINIK Auch die Kommunikation mit Kindern verlangt nach großem Einfühlungsvermögen und Feingefühl. Sachverhalte sollten kindgerecht formuliert, Angst mindernde Strategien eingesetzt werden (z. B. kindgerechte Informationsfilme vor Durchführung einer Operation). Das Kind muss immer ernst genommen werden.

Störungen der Kommunikation und Kooperation Ursachen von Störungen der Kommunikation und Kooperation können sein: 4 Organisatorisch-rechtliche Bedingungen (Kassenpatienten vs. Privatpatienten, Honorierung für Krankheitsleistung, Trennung von ambulanter und stationärer Versorgung, Zeitdruck der Visite, etc.), 4 Fehlerquellen und Beurteilungsfehler (7 Kap. 2.2.2), 4 Ablehnende Kranke (Rückzug, Passivität, NonCompliance, provozierendes Verhalten, Aggressivität, etc.). Ablehnendes Patientenverhalten kann beim Arzt zur Reaktanz (innerem Widerstand) führen. 4 Erwartungsenttäuschung des Kranken (z. B. durch Zeitmangel bei der Visite, Unterbrechungen und Störungen, ungenügende Informierung des Patienten, etc.).

2.2

Untersuchung und Gespräch

2.2.1 Erstkontakt Aus der Patientenperspektive gibt es bestimmte Erwartungen an den Arztbesuch. Ferner hat der Patient seine eigenen Krankheits- und Kontrollüberzeugungen (7 Kap. 1.2.4 »Attribution« und 7 Kap. 3.1.2 »Health-Belief-Modell«) sowie persönliche Vorerfahrungen und Vorkenntnisse, die seine Wahrneh-

mung und sein Verhalten bezüglich des ärztlichen Erstkontakts mitprägen. Aus der Arztperspektive spielen folgende Faktoren eine Rolle beim Erstkontakt: 4 Primacy-Effekt: Der erste Eindruck vom Patienten bleibt haften und bestimmt die weitere Wahrnehmung des Patienten. 4 Recency-Effekt: Der letzte Eindruck beim Erstkontakt setzt sich durch. 4 Stereotypien (7 Kap. 1.2.4). 4 Beurteilungsfehler (7 Kap. 2.2.2). 4 Die Beurteilung der Angemessenheit des Beratungsanlasses durch den Arzt bestimmt ebenfalls, wie er sich dem Patienten gegenüber verhält (z. B.: der Patient, der nachts um 2 Uhr mit Schmerzen im Daumen kommt, die seit zwei Wochen bestehen!).

2.2.2 Exploration und Anamnese Als Exploration bezeichnet man die Erkundung, Befragung, als Anamnese die Erhebung der Krankheitsgeschichte.

Funktionen von Exploration und Anamnese Exploration und Anamnese dienen der: 4 Datengewinnung, 4 diagnostischen und therapeutischen Funktion, 4 Differenzialdiagnose, 4 Therapieplanung, 4 Aufklärung, 4 Edukation und 4 emotionalen Unterstützung.

Formen von Exploration und Anamnese Es gibt folgende Formen der Exploration und Anamnese: 4 Eigenanamnese: Der Patient selbst gibt die notwendigen Informationen. 4 Fremdanamnese: Die Informationen werden von Angehörigen, Bezugspersonen oder Zeugen (Unfall) erhoben. 4 Sozialanamnese: Lebensweise und Umfeld des Patienten werden näher beleuchtet. 4 Krankheitsanamnese: Dazu gehört das Erfragen von Hauptbeschwerden und Informationen zu Beginn, Verlauf und Bedingungen der Be-

77 2.2 · Untersuchung und Gespräch

4 4

4 4 4

schwerden; zudem werden alle früheren Erkrankungen chronologisch geordnet. Entwicklungsanamnese: Die körperliche und psychische Entwicklung des Patienten wird erfasst. Medikamentenanamnese: Dabei sind aktuelle und frühere Einnahme von Medikamenten, vorhandene Medikamentenallergien und durchgeführte Impfungen zu erfragen. Familienanamnese: Hier geht es um Erkrankungen und Todesfälle in der Familie des Patienten. Vertikale (Analyse von Lebensgeschichte und Schemata) und horizontale Verhaltensanalyse (SORKC-Schema 7 Kap. 1.2.1). Verhaltensbeobachtung (7 Kap. 1.3.5).

Es gibt unterschiedliche Strukturen von Exploration und Anamnese, zum einen direktiv vs. nondirektiv (7 Kap. 2.1.4), zum anderen unterschiedliche Fragestile (offen vs. geschlossen, Alternativ- oder Katalogfragen, Suggestivfragen) (7 Kap. 1.3.3).

Schwierigkeiten bei der Exploration und Anamnese Schwierigkeiten können aufgrund von Sprachbarrieren (sowohl inhaltlich, als auch sprachtechnisch), von unterschiedlichem Verständnis der Gesprächspartner bezüglich arztzentriertem vs. patientenzentriertem Vorgehen sowie von Beobachtungsund Beurteilungsfehlern auftreten. Beobachtungs- und Beurteilungsfehler sind: 4 Rosenthal-Effekt (Rosenthal: engl. Psychologe): Einstellungen und Erwartungen des Beobachters wirken sich auf den Beobachtungsgegenstand im Sinne einer sich selbst erfüllenden Prophezeihung aus. 4 Halo-Effekt (Hof-Effekt): Ein Beobachter bildet einen »Hof« um eine beim Beobachteten registrierte Eigenschaft, d.h. die beobachtete Eigenschaft färbt auf weitere Beobachtungen ab. 4 Hawthorne-Effekt: Das Wissen darüber, beobachtet zu werden, verändert das Verhalten des Beobachteten. 4 Kontrast-Fehler: Dieser Fehler besteht in einer Überinterpretation von Unterschieden zwischen zwei beobachteten Personen, aber auch darin, Unterschiede zwischen Beobachter und Beobachtetem überzubewerten.

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4 Logische Fehler: Eventuell vorhandene Theorien über den Beobachtungsgegenstand können die Beobachtungen in die Richtung verzerren, dass sie mit der Theorie in Einklang stehen. 4 Milde-Fehler bezeichnet die Neigung von Beurteilern, positive Urteile abzugeben (z. B. um dem Beurteilten nicht zu schaden). 4 Fehler zur zentralen Tendenz (Tendenz zur Mitte): Stehen zur Beurteilung mehrere Abstufungen zur Auswahl, wird die mittlere Ausprägung als Antwort bevorzugt (in Persönlichkeitsfragebögen wird häufig versucht, dem durch eine gerade Anzahl von Abstufungsalternativen entgegenzuwirken). 4 Projektion: Abwehrmechanismus nach Freud (7 Kap. 1.2.3).

2.2.3 Körperliche Untersuchung Psychosoziale Aspekte aus Patientenperspektive Körperliche Untersuchungen jeder Art sind immer Eingriffe in die Intimität des Patienten, in dessen innersten persönlichen Bereich. Untersuchungen bzw. die Untersuchung begleitende Befragungen und Gespräche können seitens des Patienten mit Scham behaftet sein. KLINIK Dem Arzt ist oftmals nicht bewusst, dass bei der Untersuchung vermeintlich »harmloser« Körperregionen Scham auch eine Rolle spielen kann. Der Patient kann sich aber z. B. schon dafür schämen, bestimmte Regionen/Veränderungen/Verletzungen, etc. nicht sorgsam gepflegt/ rechtzeitig bemerkt/zu einem früheren Zeitpunkt vorgestellt zu haben. Schon allein Schichtunterschiede zwischen Patient und Arzt oder die Angst vor Eingriffen können zu Scham führen.

Ein Tabu ist ein ungeschriebenes Gesetz der Unterlassung, ein per Konvention festgelegtes Verbot, eine sittliche Schranke. Körperliche Untersuchungen fordern häufig Tabubrüche, z. B. die Zurschaustellung des Genitalbereichs.

Med. Psychologie/ Soziologie

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Kapitel 2 · Ärztliches Handeln

Bezüglich der individuellen Intimisphäre, Scham und Tabus gibt es deutliche interkulturelle Unterschiede. Viele Tabus anderer Kulturen sind dem deutschen Arzt meist nicht bekannt. Er sollte sich ggf. im Einzelfall informieren.

Psychosoziale Aspekte aus Arztperspektive Die vom Arzt geforderte affektive Neutralität kann im Einzelfall problematisch sein, der Arzt sollte jedoch aversive Gefühle kontrollieren. Der Arzt besitzt zwar ein Eingriffsrecht gegenüber dem Patienten, dennoch muss er ein Vertrauensverhältnis zwischen sich und Patient herstellen. Soziokulturelle Barrieren sind natürlich nie einseitig, sondern auch aus der Arztperspektive zu betrachten.

2.3

Urteilsbildung und Entscheidung

2.3.1 Arten der diagnostischen

Entscheidung Folgende Arten der Diagnostik werden unterschieden: 4 Die Indikationsdiagnostik dient der Diagnoseerstellung sowie der Ableitung therapeutischer Entscheidungen. 4 Als Prozessdiagnostik wird die Veränderungsmessung (im Laufe des therapeutischen Prozesses) bezeichnet. 4 Ergebnisdiagnostik nennt man die Therapieerfolgskontrolle.

2.3.2 Grundlagen der Entscheidung Die wichtigsten Klassifikationssysteme der standardisierten Diagnostik sind ICD und DSM (7 Kap. 1.1.3). Ihre inhaltliche Aufteilung ist in . Tabelle 2.1. (ICD) und . Tabelle 2.2. (DSM) dargestellt. Befunde ergeben sich infolge objektiver Untersuchungsdaten (7 Kap. 1.1.3). Aus dem ICD-10 wurde ein spezielles Multiaxiales System für Kinder und Jugendliche entwickelt. Es umfasst Lernstörungen, Störungen der motorischen Fertigkeiten, tiefgreifende Entwicklungsstörungen (z. B. Autismus), Aufmerksamkeitsstörungen, Stö-

rungen von Aktivität und Sozialverhalten, Ess-Störungen, Ausscheidungsstörungen und Ticstörungen. Bei der Anamneseerhebung sind aus Gründen der Qualitätssicherung standardisierte Verfahren vorzuziehen. Ebenso ist in der Diagnostik die Verwendung standardisierter Tests zu empfehlen. Bei der Verdachtsdiagnose wird das diagnostische Vorgehen durch Hypothesenbildung geleitet.

2.3.3 Urteilsqualität und

Qualitätskontrolle Es werden folgende Arten der Schlussfolgerung unterschieden: 4 Additive Schlussfolgerungen: Möglichst viele Informationen über den Patienten werden additiv zusammengetragen. Bei zunächst fehlenden Informationen bietet sich dieses Vorgehen an, es ist jedoch sehr arbeits- und kostenintensiv. Ferner werden u. U. zahlreiche irrelevante Daten erhoben. 4 Lineare Schlussfolgerung: Informationen werden schrittweise unter Beachtung der Differenzialdiagnosen erhoben, von einer ersten Verdachtsdiagnose ausgehend. Dieses Vorgehen ist sehr zeitökonomisch, kann aber u. U. zunächst in falsche Richtungen lenken. Die Informationsbasis ärztlicher Entscheidungen setzt sich bei der Urteilsbildung aus »harten« (objektiven) Daten (z. B. Labordaten, Röntgenbefunde) und »weichen« (subjektiven) Daten (z. B. Befragung, Anamnese) zusammen. Die Verlaufsdokumentation von Krankheiten und Therapien sowie Informationen aus Nachuntersuchungen (Katamnesen), in denen Therapieergebnisse nach Wochen/Monaten/Jahren nach Behandlungsende erfasst werden, ermöglichen eine Qualitätskontrolle. Kriterien der Erfolgsmessung in der sog. Prozess- und Evaluationsforschung zur Beurteilung der Wirksamkeit von Therapien müssen vor jeder durchgeführten Studie definiert werden: Ab wann wird von einer Verbesserung der Symptomatik gesprochen? Unter einem Qualitätszirkel versteht man Expertengruppen, die in Gruppentreffen optimierte Lösungsstrategien für Problemsituationen erarbeiten.

79 2.3 · Urteilsbildung und Entscheidung

2

. Tab. 2.1. Kapitelaufteilung von ICD-10 A00-B99

Bestimmte infektiöse und parasitäre Krankheiten

C00-D48

Neubildungen

D50-D89

Krankheiten des Blutes und der blutbildenden Organe sowie bestimmte Störungen mit Beteiligung des Immunsystems

E00-E90

Endokrine, Ernährungs-, und Stoffwechselkrankheiten

F00-F99

Psychische und Verhaltensstörungen

G00-G99

Krankheiten des Nervensystems

H00-H59

Krankheiten des Auges und des Augenanhangsgebildes

H60-H95

Krankheiten des Ohres und des Warzenfortsatzes

I00-I99

Krankheiten des Kreislaufsystems

J00-J99

Krankheiten des Atmungssystems

K00-K93

Krankheiten des Verdauungssystems

L00-L99

Krankheiten der Haut und der Unterhaut

M00-M99

Krankheiten des Muskel-Skelett-Systems und des Bindegewebes

N00-N99

Krankheiten des Urogenitalsystems

O00-O99

Schwangerschaft, Geburt und Wochenbett

P00-P96

Bestimmte Zustände, die ihren Ursprung in der Perinatalperiode haben

Q00-Q99

Angeborene Fehlbildungen, Deformitäten und Chromosomenanomalien

R00-R99

Symptome und abnorme klinische und Laborbefunde, die anderenorts nicht klassifiziert sind

S00-T98

Verletzungen, Vergiftungen und bestimmte andere Folgen äußerer Ursachen

V01-Y98

Äußere Ursachen von Morbidität und Mortalität

Z00-Z99

Faktoren, die den Gesundheitszustand beeinflussen und zur Inanspruchnahme des Gesundheitswesens führen

U00-U99

Schlüsselnummern für besondere Zwecke

. Tab. 2.2. Achsenaufteilung des DSM-IV Achse I

Klinische Störungen und andere klinisch relevante Probleme

Achse II

Persönlichkeitsstörungen und geistige Behinderung

Achse III

Medizinische Krankheitsfaktoren

Achse IV

Psychosoziale und umgebungsbedingte Probleme

Achse V

Globale Beurteilung des Funktionsniveaus

2.3.4 Entscheidungskonflikte In der Praxis findet sich nicht selten ein Dissens zwischen Ärzten. Es kann zu Konflikten zwischen der funktionalen (durch überlegenen Sachverstand) und der positionalen (durch Besitz einer bestimmten

Position in einem Hierarchiesystem, z. B. Krankenhaus) Autorität kommen. Ein partizipativer (demokratischer) Führungsstil innerhalb einer (meist eher flachen) hierarchischen Struktur gewährt einen gleichberechtigten Austausch verschiedener Positionsinhaber. Im Konfliktfalle wird man hier eher zugunsten der funktionalen Autorität entscheiden. Innerhalb strenger Hierarchien wird jedoch meist ein direktiver (autoritärer) Führungsstil bevorzugt, wobei »von oben nach unten« klare Handlungsanweisungen gegeben werden. Hier wird sich im Konfliktfall die positionale Autorität durchsetzen. Bei allen Konflikten hat die Verpflichtung des Arztes gegenüber dem individuellen und allgemeinen Wohl, wie im Hippokratischem Eid geschworen, Vorrang.

Med. Psychologie/ Soziologie

80

Kapitel 2 · Ärztliches Handeln

2.3.5 Entscheidungsfehler Im ärztlichen Entscheidungsprozess gibt es vielfältige Fehlerquellen, wie das Übersehen wichtiger Einzelheiten, die Überbetonung unwichtiger Aspekte, das ungenügende Bedenken aller Wirkungen, Nebenund Wechselwirkungen bei komplexen Medikationen, etc.. Hinzu kommen die in 7 Kap. 2.2.2 besprochenen Beobachtungs- und Beurteilungsfehler.

2.4

Interventionsformen

2.4.1 Ärztliche Beratung Typische Themen in der ärztlichen Beratung sind: Erklärungen zur Pathogenese, Diagnose und Behandlung sowie Gesundheitsberatung.

Merke Der Berater sollte sich nur zu Themen äußern, von denen er etwas versteht: Es ist besser, keine Beratung zu geben als eine schlechte!

Um dem Patienten das Gespräch zu erleichtern, sollte es mit offenen Fragen eröffnet werden. Ferner sind folgende Regeln zu beachten: 4 Anteilnahme zeigen, 4 Beistand leisten, 4 beruhigen, 4 nicht kritisieren, 4 den Patienten sprachlich auf seiner »Ebene« beraten. Komplexe Probleme müssen schrittweise in Einzelziele untergliedert werden. Entscheidungsstufen des Hilfesuchens 7 Kap. 2.6.1.

2.4.2 Patientenschulung Als Patientenaufklärung gilt die Pflicht des Arztes, den Patienten über Art und Ausmaß seiner Erkrankung und der Behandlung bestmöglichst zu informieren. Aufgeklärt wird nach einer Diagnose und vor einer Behandlung über Anlass, Dringlichkeit,

Umfang, mögliche Risiken und Komplikationen, Art, Folgen und Nebenwirkungen möglicher Eingriffe und Behandlungsalternativen, Heilungs- und Besserungschancen sowie Folgen einer Nichtbehandlung. Patienteninformation sind Broschüren, Bücher sowie andere schriftliche Formen der Informationsvermittlung über verschiedene Krankheitsbilder und ihre jeweiligen Folgen, aber auch Videos und TVBerichte sowie Veranstaltungen zum Thema. Es kann Überschneidungen zur Patientenaufklärung geben. In der Patientenberatung wird versucht, eigene Ressourcen zu entdecken und zu stärken (7 Kap. 2.4.1). Patiententrainings werden v. a. bei chronischen Erkrankungen eingesetzt. Neben Aufklärung, Informationsvermittlung und individueller Beratung werden hier komplexe Therapien erarbeitet und in Kleingruppen erprobt. Ziele der verschiedenen Formen der Patientenschulung sind: 4 Differenziertes Krankheitswissen, 4 verbessertes Krankheitsverhalten, 4 erhöhte Lebensqualität, 4 reduzierte Krankheitskosten, 4 günstigere Krankheitsprognose, 4 Entlastung von Bezugspersonen, 4 Änderung von Einstellung und Verhalten.

2.4.3 Psychotherapie Psychotherapie ist ein Oberbegriff für eine Vielzahl von Behandlungsformen.

Verhaltenstherapie und kognitiv behaviorale Therapien Es gibt verschiedene Methoden der Verhaltenstherapie (VT): 1. Konfrontations- und Bewältigungsverfahren 2. Operante Methoden 3. Modell-Lernen 4. Selbstbehauptungs-/Selbstsicherheitstrainings 5. Kognitive Techniken 1. Konfrontations- und Bewältigungsverfahren

a) Systematische Desensibilisierung (SD) nach Wolpe Diese Methode baut auf der Grundannahme auf, dass körperliche Entspannung und ängstliche Erre-

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81 2.4 · Interventionsformen

gung nicht gleichzeitig bestehen können (Prinzip der reziproken Hemmung). Zunächst wird mit dem Patienten eine Hierarchie seiner Ängste erstellt (einzelne Items können bei Angst vor Spinnen z. B. sein: Informationen über Spinnen lesen, die Abbildung einer Spinne betrachten, sich mit einer Spinne im Raum aufhalten, eine Spinne berühren). Anschließend erlernt der Patient eine wirksame Entspannungsmethode, meist Progressive Muskelrelaxation oder Autogenes Training. Nun wird der entspannte Patient Schritt für Schritt mit seinen Ängsten, in der Hierarchieliste von schwach bis stark, konfrontiert. Der Patient bleibt so lange in der Situation, bis er entspannt ist. Beim Auftreten von Ängsten wird abgebrochen. Bleibt der Patient in einer Situation dauerhaft ruhig, wird die nächste Stufe der Hierarchie genommen. Bei der Konfrontation in sensu stellt der Patient sich die jeweiligen Situationen vor; in vivo wird der Patient in der Realität mit den Ängsten konfrontiert. Ursprünglich wurde das Verfahren für die Konfrontation in der Vorstellung entwickelt. Häufig geht die Desensibilisierung in sensu der in vivo voraus, um erste Voraussetzungen für die reale Konfrontation zu schaffen. b) Konfrontation und Reaktionsverhinderung (auch »exposure/response prevention«) Die Konfrontation findet hier nicht unter Entspannungsbedingungen statt, sondern der Patient soll sich ganz bewusst aktiv mit der gefürchteten Situation auseinandersetzen. . Abb. 2.1. Verlauf von Angst und Vermeidung bei Konfrontation und Reaktionsverhinderung nach Reinecker (1999). Ausführliche Erläuterung im Text. (E: Erwartung des – Patienten; R: Vermeidungsverhalten; – C : negative Konsequenz. Ihr Wegfall führt zu einer Verstärkung des Vermeidungsverhaltens.)

Die Exposition (Darbietung einer gefürchteten Situation) kann auch hier in vivo oder in sensu erfolgen. Die Reaktionsverhinderung ist die Verhinderung von Vermeidungsverhalten (bzw. Neutralisierungsverhalten bei Zwangsstörungen). Es gibt wiederum verschiedene Formen der Konfrontation und Reaktionsverhinderung: 4 Reizüberflutung/Flooding: Hier werden gefürchtete Items rasch und intensiv dargeboten. Nach gründlicher Vorbereitung durch den Therapeuten wird der Patient massiv und ohne Entspannung mit seinen Ängsten (meist in vivo) konfrontiert. Häufig beginnt man mit dem »top item« der Angsthierarchie. 4 Graduierte Konfrontation nennt man die schrittweise und systematische Darbietung der gefürchteten Situationen gemäß der SD. . Abbildung 2.1 nach Reinecker (1999) gibt die hinter der Konfrontation und Reaktionsverhinderung stehende Theorie wieder (Reinecker, 1994, 1999): Bei einer Konfrontation entsteht sofort Angst, die sich nach Erwartung des Patienten ins Unermessliche steigert (in der Realität jedoch nach Erreichen eines Gipfels abklingt), weswegen die Konfrontation vermieden wird. Der rasche Angstabfall durch das Vermeidungsverhalten verstärkt dasselbe. Nach erfolgreicher Konfrontationstherapie flammt die Angst bei Konfrontation mit der gefürchteten Situation noch kurz auf, bleibt aber unter dem Niveau, welches früher Vermeidungsverhalten ausgelöst hat und klingt rasch wieder ab.

Ausprägung von Angst E (= C–) Abnahme der Angst in der Realität

Vermeidung R → C– Zeitlicher Verlauf Beginn der Konfrontation

Med. Psychologie/ Soziologie

82

Kapitel 2 · Ärztliches Handeln

c) Gegenkonditionierung Hier wird eine Stimulus-Reaktions-Verbindung durch die Kopplung einer alternativen Reaktion an den Stimulus gelöscht, wobei die neue Reaktion stärker ist als die ursprüngliche Reaktion.

Prüfungsfallstricke Bei den operanten Methoden wird gezielt mit Verstärkern bzw. Verstärkerentzug gearbeitet.

Prüfungsfallstricke

3. Modell-Lernen

Die Systematische Desensibilisierung kann als Gegenkonditionierung verstanden werden und baut somit auf der klassischen Konditionierung auf. Konfrontation und Reaktionsverhinderung setzt am Vermeidungsverhalten an und basiert somit auf der Theorie der operanten Verstärkung.

Prinzipien des Modell-Lernens 7 Kap. 1.4.2. Es wird eingesetzt bei Ängsten, Verhaltensdefiziten und unangepasstem Verhalten. 4. Selbstbehauptungs-/Selbstsicherheitstraining

Hier handelt es sich um ein Training der sozialen Kompetenz durch Rollenspiele und Modell-Lernen; es gehört zu den ältesten Methoden der VT. 5. Kognitive Techniken

2. Operante Methoden

In der Therapie werden die in 7 Kap. 1.4.2 dargestellten Methoden der operanten Konditionierung, Shaping und Chaining, unter Zuhilfenahme der Techniken Prompting und Fading verwendet. Weitere Verfahren sind u. a.: 4 Time out: Verstärkerentzug durch soziale Isolation. So soll verhindert werden, dass »natürliche« Kontingenzen das Problemverhalten verstärken. Diese Methode darf nur in Kombination mit positiven Verstärkern für erwünschtes Alternativverhalten eingesetzt werden. 4 Sättigung: Der Patient wird aufgefordert, ein bestimmtes unerwünschtes Verhalten sehr häufig auszuführen, wobei immer derselbe Verstärker folgt (z. B. Entspannungsgefühl nach zwanghaftem Wäsche bügeln). Mit der Zeit tritt so eine Sättigung ein: Eine prinzipiell angenehme Aktivität wird allmählich zu einer unangenehmen. 4 Token Systems (Token Economies): Der Patient erhält für eine erwünschte Verhaltensweise einen sog. Token (Chip, Punkte, Wertmarke, etc.) als Belohnung, dazu kommt die »Response Cost« (Wegnahme eines Tokens) bei unerwünschten Verhaltensweisen. Tokens können später in »richtige« Belohnungen umgetauscht werden. Diese Methode wurde ursprünglich für psychiatrische Institutionen entwickelt; sie wird häufig an Schulen sowie in Heimen (hauptsächlich zur Intervention bei delinquenten Jugendlichen) eingesetzt.

Dazu gehören: 4 Kognitive Umstrukturierung beschreibt die Veränderung der internen Repräsentation. 4 Ein Gedankenstopp kann bei sich aufdrängenden, unerwünschten Gedanken (z. B. gedankliche Neutralisierungsversuche bei Zwangsstörungen oder nächtliche Grübelkreisläufe bei Schlafgestörten) eingesetzt werden. Der Patient soll zunächst im Beisein des Therapeuten die unerwünschten Gedanken willentlich produzieren. Der Therapeut unterbricht ihn, indem er laut »Stopp« ruft. Nach mehrmaligem Üben soll der Patient diese Technik alleine trainieren und bei Bedarf einsetzen. 4 Paradoxe Intervention: Innerhalb der paradoxen Intervention gibt es wiederum verschiedene Methoden. Allen ist gemeinsam, dass der Patient sich auf eine nicht erwartete Weise auf sein Problem einlassen soll und dass so eine Veränderung des Problems eintritt. »Vater« der paradoxen Verfahren ist Victor E. Frankl. Diese Methode wird in die kognitiven Verfahren eingeordnet, da die Vermittlung einer paradoxen Anweisung per se nur kognitiv erfolgen kann. Beispiel: Symptomverschreibung: Der Patient wird dazu angeleitet, willentlich ein Symptom zu produzieren, z. B. statt sich nachts zu ängstigen und darüber zu ärgern nicht einschlafen zu können, im Bett mit offenen Augen ohne Hilfsmittel zu versuchen, so lange wie möglich wach zu bleiben.

83 2.4 · Interventionsformen

KLINIK Kognitionen können dysfunktional sein (Beispiele: Depression: »Ich bin nichts wert«, soziale Ängste: »Wenn mir bei einem geselligen Beisammensein ein peinliches Missgeschick passiert, dann halten mich alle für total bescheuert«; Zwänge: »Wenn mir ein sexueller Gedanke mit einer fremden Person in den Sinn kommt, heißt das, dass ich ein schlechter, verwerflicher Mensch bin«; etc.). Durch Analysieren dieser Gedanken, ihrer Hinterfragung und der Erarbeitung alternativer Interpretationsmöglichkeiten kann eine Reattribution (= Neuzuschreibung) stattfinden.

Biofeedback Biofeedback bezeichnet die Rückkopplung von Körpersignalen. Angestrebt wird eine willkürliche Kontrolle über normalerweise schwer beeinflussbare vegetative Körperfunktionen. Die entsprechenden Parameter (Muskelspannung, Blutdruck, etc.) werden physiologisch abgeleitet und dem Patienten in Form von Lichtreizen oder Tönen zurückgemeldet. Einsatzgebiete des Biofeedbacks sind u. a. Spannungskopfschmerz, Rückenschmerzen, Migräne und nächtliches Zähneknirschen (Bruxismus).

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und geringfügige Anspannungen wahrnehmen zu lernen. Meditation: Der Meditierende konzentriert seine Gedanken zielgerichtet auf einen Gegenstand, ein Symbol oder einen Gedankeninhalt, und zwar bei weitgehender Nichtbeachtung von Umgebungsreizen. Ruhebilder und Phantasiereisen: Hier geht es um das Imaginieren eines angenehmen Bildes (Strand, Wiese, etc.) oder einer »Reise« (Waldspaziergang, Flug auf einem fliegenden Teppich, etc.). Hypnose: Die Hypnose ist ebenfalls eine Entspannungstechnik, kann aber darüber hinaus durch den Einsatz therapeutischer Suggestionen konkrete Verhaltens- und Kognitionsänderungen bewirken (Suggestionen sind Botschaften bzw. Handlungsaufforderungen des Hypnotiseurs an den Hypnotisanden). Hypnose lässt sich in drei Abschnitte unterteilen: 1. Das Einleitungsverfahren (Induktion), 2. die Entspannungsphase und 3. (ggf.) die Therapiephase. Der Begriff Trance bezeichnet den in der Hypnose erreichten Bewusstseinszustand, welcher sich durch subjektive Veränderungen auszeichnet. KLINIK

Entspannungstechniken Autogenes Training (AT) (nach J. H. Schultz): Der Ursprung des AT liegt in der Hypnoseforschung. Es ist ein didaktisch klar gegliedertes Verfahren zur konzentrativen Selbstentspannung, das ausschließlich auf Selbstsuggestionen beruht. Körperhaltung, innere Vorstellungsbilder und Entspannungserlebnisse werden mit kurzen, prägnanten sprachlichen Formulierungen verknüpft (klassisch konditioniert). Schließlich löst die innere Formel einen messbaren körperlichen Entspannungseffekt aus. Progressive Muskelrelaxation (PMR) (nach E. Jacobson): Bei der PMR kontrahiert die Person sukzessiv alle Muskelgruppen des Bewegungsapparats für eine Dauer von 1‒2 min, konzentriert sich auf die entsprechenden Empfindungen und entspannt danach die gerade kontrahierte Muskelgruppe für eine Dauer von 3‒4 min. Bei der Anspannung geht es dabei nicht darum, möglichst intensive Kontraktionen durchzuführen, sondern möglichst subtile

Suggestionen und Autosuggestionen sollen beim sog. Placebo-Effekt (Initiierung von Selbstheilungskräften durch Gabe eines Scheinmedikamentes) eine Rolle spielen. Dieser ist vor kurzem vom Schattendasein als unerwünschte Nebenwirkung in Placebo-Studien (7 Kap. 1.3.3, »Kontrollgruppe«) ins Zentrum des Forscherinteresses gerückt.

Psychoanalyse und tiefenpsychologisch fundierte Psychotherapie Die klassische Psychoanalyse findet über mehrere Jahre mehrmals die Woche statt. Während der Patient auf der berühmten Couch liegt, sitzt der Analytiker hinter ihm und führt ein Tiefeninterview durch: Der Patient soll alle ihm durch den Kopf gehenden Gedanken möglichst unkontrolliert sofort aussprechen, der Analytiker versucht eine Deutung. Der Patient wird mit dieser Deutung konfrontiert; es

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Kapitel 2 · Ärztliches Handeln

bedarf weiterer Klärung durch Erfragung weiterer Einfälle und Deutung von Träumen. Weitere Techniken sind freie Assoziation und Hypnose. Die Einsicht des Patienten wird als erster Schritt der Veränderung neurotischen Verhaltens gewertet. Durch Durcharbeiten des Konflikts soll das neurotische Verhalten verlernt werden. Übertragung (frühere Beziehungserfahrungen des Patienten werden auf den Therapeuten übertragen) ist erwünscht und wird gefördert. Der Patient kann allerdings auch mit Widerstand auf das regressionsfördernde Setting reagieren (dies wird als Abwehr des Patienten gegen die Aufdeckung der inneren Konflikte gewertet). Der Analytiker versucht, Widerstände zu erkennen und mit dem Patienten durchzuarbeiten. Auf eine Übertragung des Patienten reagiert der Therapeut mit Gegenübertragung: Er nimmt das Rollenangebot an, um dem Patienten eine Wiederholung seiner früheren Beziehungserfahrung zu ermöglichen. Die tiefenpsychologisch fundierte Psychotherapie unterscheidet sich vom Standardverfahren durch 4 ein andersartiges Setting (Therapie erfolgt im Sitzen), 4 eine kürzere Dauer (20 bis maximal 80 h) und 4 eine umschriebene Zielsetzung (Bearbeitung eines umschriebenen bewusstseinsnahen Konflikts zur Beseitigung der daraus resultierenden Symptome).

Nondirektive Gesprächspsychotherapie Die nondirektive Gesprächspsychotherapie gehört zu den humanistischen Ansätzen, die psychische Störungen mit unzureichender persönlicher Reife erklären und in der Therapie auf eine Stärkung der Selbstheilungskräfte, ein Wachstum der Persönlichkeit und ein Erleben im Hier und Jetzt abzielen. Man nennt diese Therapieform auch klientenzentrierte Psychotherapie, ihr Begründer war Carl Rogers (1902‒1987). Der Patient soll wieder mehr Souveränität über seine eigenen Erfahrungen erhalten und wird daher auch als »Klient« bezeichnet. In der humanistischen Therapie geht es um aktuelle Probleme, nicht um die Vergangenheit. Emotionale Empfindungen des Patienten werden vom Therapeuten verbalisiert, um sie zu spiegeln und Missverständnisse zu vermeiden. Der Therapeut möchte den Pa-

tienten dabei unterstützen, wieder in Kontakt mit seinem eigentlichen Selbst zu kommen (inkongruente Persönlichkeit vs. kongruente Persönlichkeit).

Prüfungsfallstricke Die Prinzipien der Nondirektivität, Echtheit und Transparenz sowie Empathie und Wertschätzung, die auf Rogers Gesprächspsychotherapie zurückgehen, spielen eine wichtige Rolle in der Arzt-Patienten-Beziehung.

Gestalttherapie Ziele der ebenfalls humanistisch ausgerichteten Gestalttherapie nach Fritz Perls sind u. a.: Den Patient mehr in Kontakt mit sich und der Umwelt bringen, Wiederherstellung der Ganzheit der Person, Akzeptanz abgespaltener Persönlichkeitsteile.

Systemische Familientherapie In der systemischen Familientherapie werden Probleme eines Einzelnen als das Resultat der Interaktion seines Bezugssystems verstanden (»Kollusion«, Verstrickung). Nicht der »Symptomträger« muss verändert werden, sondern das gesamte gestörte System.

Neuropsychologisches Training Dieses Trainung umfasst Programme für Patienten mit unterschiedlichen Arten von Hirnschädigungen. Je nach diagnostizierter Hirnleistungsstörung finden z. B. Aufmerksamkeits- und Konzentrationstrainings und/oder Förderung von Gedächtnisleistungen sowie Wahrnehmung statt.

2.5

Besondere medizinische Situationen

2.5.1 Intensivmedizin Psychosoziale Belastungsfaktoren des Patienten auf der Intensivstation Das ICU-Syndrom (ICU = »intensive care unit«) ist gekennzeichnet durch: 4 Todesangst, 4 Gefühle der Hilflosigkeit und des Ausgeliefertseins, 4 starke Schmerzen und Schwächegefühl,

85 2.5 · Besondere medizinische Situationen

4 Bewegungsunfähigkeit (oft temporär durch Medikamente hervorgerufen), 4 chronischen Schlafentzug durch externale Störungen, Lärm und ständige helle Beleuchtung, 4 sensorische Monotonie, 4 hirnorganisches Psychosyndrom (»HOPS«), Gedächtnisprobleme: Patient ist bei jedem Erwachen erneut desorientiert, 4 Fehlinterpretationen bis zu Halluzinationen und Wahnvorstellungen, 4 fehlende zeitliche Orientierung, 4 starken Durst, 4 Furcht vor Abstellen des Beatmungsgeräts, 4 Unfähigkeit zur Kommunikation infolge des Beatmungsgeräts, daher Unklarheit bezüglich Ursachen, Zustand und Prognose, 4 folglich Informationsmangel, v. a. bei (scheinbar) komatösen Patienten, 4 Verlust der Intimsphäre und 4 Zukunftsängste. Patienten berichten später von unrealen Erfahrungen und »innerem Chaos«.

Merke Typische Abwehrmechanismen des Patienten sind Verdrängung, Verleugnung, Regression und Verschiebung.

Maßnahmen zur Verbesserung der Situation des Patienten

Es sollte auf Kommunikation und eine soweit wie mögliche Wahrung der Intimsphäre (z. B. Stellwände, Vorhänge, den Patienten nicht aufgedeckt liegen lassen, immer mit dem Patienten sprechen etc.) geachtet werden. Kinderstation: Der Kontakt zu den Eltern ist für die Kinder, v. a. für Säuglinge (z. B. Frühchen) besonders wichtig. Stillbemühungen der Mutter sind soweit wie möglich zu unterstützen. Betreuungserfordernisse auf der Intensivstation sind: 4 Einbeziehung von Angehörigen, 4 Kooperation mit psychosozialen Diensten und 4 Überwindung von Kommunikations- und Informationsproblemen (v. a. bei Bewusstseinsveränderung).

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KLINIK Generell sollen Eltern so viel Zeit wie möglich bei ihren kranken Kindern mit Berühren, Sprechen und Zuwenden verbringen. Es ist stets zu berücksichtigen, dass auch ältere Kinder die Geschehnisse oft nur unzureichend erfassen können und keine Begriffe für abstrakte Phänomene wie Zeit besitzen. Die Eltern sind durch die Situation ebenfalls stark belastet, brauchen Wärme und Unterstützung und haben ein Recht auf ausführliche Information.

Merke Eine Intensivbehandlung kann eine Traumatisierung darstellen und zu einer posttraumatischen Belastungsstörung (7 Kap. 1.4.4) führen.

Belastungen beim ärztlichen und pflegerischen Personal Auf Ärzte und Pfleger kommen folgende Probleme zu: 4 Starke körperliche, mentale und psychische Beanspruchung, 4 frustrierende Erfolglosigkeit durch hohe Mortalitätsrate, 4 Schuldgefühle, 4 Konfrontation mit dem Tod, 4 Fluktuation der Patienten, 4 Erfolgsdruck durch Klinik und Angehörige, 4 Zeitdruck. 4 Durch die andauernde Überforderung kommt es nicht selten zum Burn-Out-Syndrom, etc.. Bewältigungsformen und Auswirkungen äußern sich z. B. in einem hohen Krankenstand und in Fluktuation des Personals.

2.5.2 Notfallmedizin Psychosoziale Merkmale medizinischer Notfallsituationen sind »schockierende«, plötzlich eintretende Ereignisse mit starken Stress- und Angstsymptomen als mögliche Patientenreaktionen. Psychischer Schock: Psychischer Ausnahmezustand – emotionaler »Stupor« (Unansprechbarkeit/

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Kapitel 2 · Ärztliches Handeln

Bewegungslosigkeit) und vegetative Symptome: Es kommt zu einer psychischen Lähmung mit verzögerten psychischen Reaktionen und hoher psychosoziale Vulnerabilität. Seltener tritt eine Agitation mit Unruhe, Reizbarkeit, Aggressivität und Panikreaktionen auf. KLINIK Ein psychischer Schock kann auch durch die Überbringung einer Todesnachricht oder die Bitte um Organspende bei Angehörigen eines z. B. Unfallopfers ausgelöst werden. Auch notfallmedizinisches Personal kann auf diese Weise »schockiert« werden!

Verbale Krisenintervention mit dem Patienten ist oft nicht möglich. Bei Bedarf sollte man den Patienten medikamentös in Form einer Sedierung »abschotten« (Achtung: Atemdepression!). Mit den Angehörigen kann und muss jedoch so bald wie möglich gesprochen werden. Belastungen des Personals sind u. a. starker Handlungs- und Entscheidungsdruck sowie mögliche Fehlhandlungen. Zur Abfederung psychischer Belastungen, besonders auch zum Umgang mit plötzlichem Tod, Suizid oder Unfällen mit Beteiligung von Kindern sind regelmäßige Teamsupervisionen (meist von Psychologen moderierte Teambesprechungen) unverzichtbar!

2.5.3 Transplantationsmedizin Psychosoziale Situation Nierentransplantation: Transplantationspatienten sind generell durch eine lange Krankheitsgeschichte psychisch und körperlich beeinträchtigt. Die Nierenspende ist die häufigste Form der Lebendspende. Der Spender geht in jedem Fall ein gesundheitliches Risiko ein. Seine Spende geschieht zwar freiwillig, jedoch kann er dabei subtilen Formen von innerem und äußerem Druck unterliegen. Mögliche Vorbehalte des Spenders sollten auf Verständnis stoßen. Der Empfänger wiederum kann z. B. durch subtile Dankbarkeitserwartungen in eine psychische Abhängigkeit geraten. Eine psychologische Bewertung von Situation und Persönlichkeit sowie dem

Verhältnis zueinander sollte für Spender und Empfänger Standard sein. Lebertransplantation: Besondere Fragen ergeben sich hier durch die Prognose, z. B.: Wird ein Alkoholiker mit Leberzirrhose nach einer Lebertransplantation seine Lebensweise in den Griff bekommen? Hier erscheinen psychologische Abklärung und Weiterbetreuung extrem sinnvoll. Lebertransplantationspatienten weisen oftmals eine starke psychoorganische Beeinträchtigung auf. Die Herztransplantation ist ein etabliertes Verfahren mit hoher Lebenszufriedenheit bei den Patienten trotz bleibender körperlicher Beschwerden nach der Transplantation. Ein Teil der Patienten weist jedoch nach der Operation behandlungsbedürftige psychische Probleme auf, v. a. Depressionen, die sich auf Mortalität und Morbidität auswirken. Die Patienten haben in ihrer langen Geschichte der Vorerkrankung oft schon psychische Belastungen (v. a. Ängste und Depressionen) sowie häufig hirnorganische Fehlanpassungen ausgebildet. Die Knochenmarktransplantation findet häufig im Rahmen auftretender Rezidive von Leukämie statt. Auf der einen Seite ergeben sich durch die Transplantation Heilungschancen, auf der anderen Seite steigt das Mortalitätsrisiko infolge der herabgesetzten Immunabwehr im Rahmen der Behandlung (»prisoner’s dilemma«). Eine weitere psychosoziale Belastung liegt in der sozialen Isolation während der Behandlungszeit (diese ist medizinisch als Reaktion auf die stark herabgesetzte Immunabwehr unabdingbar).

Psychoimmunologische Aspekte der Transplantation Es kommt zur Schwächung des Immunsystems durch die psychische Belastung sowie zur erhöhten psychischen Belastung durch immunologische Schwächung. So kann es z. B. infolge der immunsuppressiven Behandlung zu Persönlichkeitsveränderungen bei den Patienten kommen. Das Immunsystem unterliegt ferner den Gesetzen der klassischen Konditionierung (Immunkonditionierung).

Rechtliche und ethische Aspekte Spender-Empfänger-Probleme: Für viele Patienten stellt es ein psychisches Dilemma dar, dass das Warten auf ein Spenderorgan faktisch ein Warten auf den

87 2.5 · Besondere medizinische Situationen

2

Tod eines Menschen bedeutet, um selbst weiterleben zu können. Die bei Lebendspenden möglichen subtilen Formen von Druck und Abhängigkeit/Dankbarkeit sind oben im Abschnitt »Nierentransplantation« genannt. Wartezeit: Eine hohe Diskrepanz zwischen Organbedarf und -verfügbarkeit führt zu langen Wartezeiten, was eine zusätzliche psychische Belastung für Patienten und Angehörige darstellt. Der Patient muss zudem ständig verfügbar sein, sobald er sich auf eine Empfängerliste eingetragen hat. Nachsorge: Durch Immunsuppression sollen Abstoßungsreaktionen verhindert werden, was eine erhöhte Infektgefahr und daher soziale Isolation für den Patienten bedingt. Hier ist daran zu denken, welchen starken positiven Einfluss soziale Unterstüzung auf Heilungschancen hat, um im Umkehrschluss zu verstehen, welch fatale Folgen diese Isolation haben kann! Ferner kann der Patient durch die Reaktionen seiner sozialen Umwelt auf die veränderten Lebensbedingungen im Anschluss an die Behandlung gestützt oder belastet werden. Veränderung des Körpererlebens: Meist stellt sich eine andauernde (latente) Angst vor erneutem Organschaden ein. Ferner kann sich das psychische Körpergefühl durch das In-sich-Tragen eines »Fremdkörpers« verändern, das Organ kann mehr oder weniger psychisch akzeptiert werden.

rung der Kommunikation zwischen Patienten, Angehörigen und Behandlungsteam. Ein wesentlicher Kern der Psychoonkologie ist die interdisziplinäre Zusammenarbeit verschiedener Richtungen, um eine umfassende medizinische und psychosoziale Betreuung von Patienten und Angehörigen zu erreichen. In der organisatorischen Umsetzung einer psychoonkologischen Betreuung lassen sich folgende Modelle unterscheiden: 4 Beim Liaisonmodell besteht eine anfragenunabhängige, regelmäßige Anwesenheit des Psychologen/Psychotherapeuten in einer Behandlungseinheit (Definition Liaisondienst: Fachärztliche Mitbetreuung während eines Krankenhausaufenthalts im Auftrag des behandelnden Arztes.). 4 Beim Konsiliarmodell gilt ein bedarfsweises patientenbezogenes Hinzuziehen des Psychologen/ Psychotherapeuten (Definition Konsiliardienst: Fachärztliche Beurteilung im Auftrag des behandelnden Arztes.). 4 Auf psychoonkologischen Stationen setzt sich immer mehr das Konsiliar-Liaisondienst-Modell (auch Konsil-Liaisondienst) durch, oft C/ L-Dienste abgekürzt. 4 Beim Kontraktmodell wird der Psychologe/ Psychotherapeut bei bestimmten Patienten-, Diagnose- oder Problemgruppen regelmäßig hinzugezogen.

2.5.4 Onkologie

2.5.5 Humangenetische Beratung

Es können drei Ebenen der Bewältigung bei Krebspatienten als Modelle der Krebsverarbeitung unterschieden werden: 4 Bewältigung belastender Ereignisse im Zusammenhang mit der Erkrankung (Diagnosemitteilung, Therapien und ihre Folgen), 4 Intrapsychische Verarbeitung der Erkrankung (Coping oder Abwehr), 4 Bewältigung von Einschränkungen und geminderter Lebensqualität.

Psychosoziale Aspekte

Psychoonkologische Interventionsformen sind häufig problemorientiert mit den Zielen Unterstützung, Ressourcenaktivierung, Symptomreduktion, Verbesserung der Lebensqualität sowie Verbesse-

Durch den Fortschritt der Pränataldiagnostik sind für Schwangere und ihre Partner die psychosozialen Belastungen gestiegen. Neben individuellen Erwartungen und persönlicher Ethik sind somit auch die Kommunikation der Partner, der soziale Rückhalt durch Freunde und Verwandte und das soziale Umfeld entscheidend für die gelungene Bewältigung von Belastungsfaktoren (Gleiches gilt für die psychosozialen Belastungen im Rahmen der prädiktiven Medizin).

Pränataldiagnostik Neben den regulären Vorsorgeuntersuchungen im Rahmen einer Schwangerschaft gibt es spezielle

Med. Psychologie/ Soziologie

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Kapitel 2 · Ärztliches Handeln

(noninvasive und invasive) Verfahren zur Bestimmung genetischer Auffälligkeiten (Nackenfaltenmessung, Triple-Test, Fehlbildungsultraschall, Chorionzottenbiopsie, Amniozentese). KLINIK Invasive pränataldiagnostische Methoden (Chorionzottenbiopsie; Amniozentese) sollten nur bei vorliegenden Risikofaktoren (z. B. erhöhtes mütterliches Alter, Chromosomenanomalien in der Familie) und nach einem persönlichen Gespräch (genetische Beratung) durchgeführt werden. Bei manchen Chromosomenstörungen (z. B. Klinefelter- oder Turner-Syndrom) lässt sich zudem nur schwer abschätzen, ob und in welchem Ausmaß später eine Behinderung vorliegt und ob diese dann durch zukünftige medizinische Verfahren ausgeglichen werden kann.

Prädiktive Medizin Zunehmend mehr genetische Risiken können bestimmt werden (z. B. Chorea Huntigton, Diabetes mellitus, Allergien, Demenz). In diesem Zusammenhang ist das Projekt »Familiärer Brustkrebs«, gefördert durch die Deutsche Krebshilfe, zu nennen, das in einer Brustkrebsfrüherkennung durch Gentests bei Vorliegen ganz bestimmter Kriterien besteht.

Interdisziplinäre Beratung: Möglichkeiten und Risiken In der Humangenetischen Beratung klafft eine große Lücke zwischen diagnostischen und therapeutischen Möglichkeiten. Von daher empfehlen sich interdisziplinäre Beratungen zur Abdeckung und Offenlegung aller Aspekte. Die Mitteilung von Risikoziffern liefert jedoch nur Wahrscheinlichkeiten; in der Schwangerenberatung liegt die Entscheidung zwischen Austragen und Abtreiben letztendlich bei der Mutter/den Eltern.

2.5.6 Reproduktionsmedizin Die Reproduktionsmedizin entwickelt und erprobt neue Verfahren zur Diagnostik und Behandlung von

Fruchtbarkeitsstörungen (z. B. In-vitro-Fertilisation, Intrazytoplasmatische Spermieninjektion [ICSI], hormonelle Stimulation).

Fertilität und Infertilität aus psychologischer Sicht Stress hat einen negativen Einfluss auf die Fertilität. Infertilität bringt wiederum psychischen Stress mit sich, ein Teufelskreis entsteht. Kinderwunschmotive können unterschiedlich begründet sein: Sie fallen grob in die zwei Bereiche generatives Verhalten und individuelle Lebensplanung. Bei Infertilität sollten die persönlichen Motive besprochen und analysiert werden – in manchen Fällen ist es besser, von einer Schwangerschaft abzuraten. Vor reproduktionsmedizinischen Eingriffen sollten in einer psychologischen Beratung auch die Belastungen, die ein Kind mit sich bringt, durchgearbeitet werden. Sowohl für reproduktionsmedizinische Behandlungen als auch für das Aufziehen von Kindern benötigen Paare ein hohes Maß an Ambiguitätstoleranz (die Fähigkeit, Mehrdeutigkeiten auszuhalten).

Risiken der Mehrlingsgeburt Die Wahrscheinlichkeit für Mehrlingsgeburten wird durch reproduktionsmedizinische Eingriffe erhöht. Solche Schwangerschaften sind jedoch Risikoschwangerschaften. Mehrlinge bedeuten auch eine deutlich höhere psychosoziale Belastung nach der Entbindung. Schwierig ist auch der selektive Fetozid: Gelegentlich müssen intrauterin ein oder mehrere Embryonen getötet werden, um die Lebenschancen der verbleibenden zu erhöhen. Diese konflikthafte Entscheidung ist extrem belastend für Eltern und Ärzte.

2.5.7 Sexualmedizin Psychophysiologische Grundlagen sexueller Reaktionen Sexuelle Phasen nach Masters und Johnson sind: 4 Erregungsphase, 4 Plateauphase, 4 Orgasmische Phase, 4 Rückbildungsphase.

89 2.5 · Besondere medizinische Situationen

ICD und DSM haben Vorschläge der Sexualtherapeutin H. S. Kaplan hinzugenommen und legen folgende Phasen zugrunde: 4 Appetenzphase, 4 Erregungsphase, 4 Orgasmusphase, 4 Entspannungsphase. Sexuelle Erregungskurven unterliegen nicht nur geschlechtsspezifischen Unterschieden (bei Frauen wurden drei Formen typischer Erregungsverläufe nachgewiesen; Männer besitzen eine Refraktärphase – auf eine erneute Stimulation kann nicht sofort reagiert werden), sondern auch interindividuellen Unterschieden. Ferner sind sexuelle Reaktionen in ihrem Auftreten unabhängig von der Art der Stimulation. Die Reihenfolge der Phasen ist festgelegt, die Verläufe beeinflussen sich jedoch und erhöhen die Wahrscheinlichkeit für das Überwechseln in die nächste Phase. Endogene (z. B. Phantasievorstellungen, Ängste) und exogene Reize (z. B. Reaktionen des Partners, Störeinflüsse der Umwelt) können eine Steigerung oder Reduzierung sexueller Reaktionen bewirken, wobei jedoch in der Orgasmusphase Störreize nur noch eingeschränkt wirken, da hier die sensorische Wahrnehmung eingeschränkt ist.

2

Sexualität im Alter

Als altersbedingte Veränderungen der Sexualfunktionen bei Frauen können auftreten: 4 Menopause, 4 eine durch den Hormonmangel bedingte verminderte vaginale Gleitfähigkeit, was Schmerzen beim Geschlechtsverkehr verursachen kann, 4 eine verringerte Erektionsfähigkeit von Brust und Brustwarzen, 4 evtl. eine verminderte selbstempfundene sexuelle Attraktivität infolge von Gewichtszunahme und Veränderung der Körperproportionen aufgrund hormoneller Umstellungen. Als altersbedingte Veränderungen der Sexualfunktionen bei Männern können auftreten: 4 Verringerung der sexuellen Reaktionsgeschwindigkeit und der Erlebnisintensität, 4 Anpassung des Kurvenbildes des Reaktionszyklus an das von Frauen (langsameres Erreichen der Plateauphase), 4 die Plateauphase kann länger aufrechterhalten werden, 4 deutliche Verlängerung der Refraktärphase (Stunden bis Tage), 4 erhöhte Störanfälligkeit der sexuellen Funktionen bei älteren Männern im Vergleich zu älteren Frauen.

Sozialer Wandel und Sexualität Aufgrund von strukturellen Veränderungen in der Bevölkerung (Zunahme von Einpersonenhaushalten, veränderte Familien- und Partnerschaftsformen, etc.) haben sich die Möglichkeiten im Bereich der Sexualität und die Sexualmoral verändert.

Merke Es ist empirisch belegt, dass die sexuelle Aktivität im Alter hoch bleibt, wenn es möglich ist.

Sexualität bei organischer Krankheit KLINIK Dennoch unterliegt Sexualität gewissen Tabus, was in der Medizin oftmals dysfunktional ist. So werden z. B. Auswirkungen von Erkrankungen, therapeutischen Maßnahmen und Medikamenten auf die Sexualität oft nicht systematisch von ärztlicher Seite beachtet, beobachtet und ggf. behandelt.

Sexualität in verschiedenen Lebensabschnitten Sexualität bei Kindern und Jugendlichen (7 Kap. 1.2.3 und 1.4.8.).

Organische (und psychische) Erkrankungen und ihre Therapien können (direkt oder indirekt) die Sexualität beeinflussen.

Sexuelle Störungen Diagnostische Unterscheidung nach DSM: 4 Störungen der Geschlechtsidentität: Transexualismus. 4 Paraphilien: Die sexuelle Attraktivität geht von ungewöhnlichen Objekten aus, die sexuellen Aktivitäten selbst sind ungewöhnlich: 5 Fetischismus, 5 transvestitischer Fetischismus,

Med. Psychologie/ Soziologie

90

Kapitel 2 · Ärztliches Handeln

5 Voyeurismus, 5 Exhibitionismus, 5 Sadismus/Machosismus, 5 Inzest, 5 Pädophilie. 4 Sexuelle Funktionsstörungen: Als mögliche Gründe hierfür werden Religiosität, Fehlinformationen und soziokulturelle Faktoren ebenso genannt wie physiologische Ursachen und übermäßiger Alkoholkonsum sowie frühere Traumatisierungen oder nicht gelebte homosexuelle Neigungen. Eine zentrale Rolle sollen Leistungsund Versagensängste spielen. 5 Störungen der sexuellen Appetenz: – hypoaktive Störung, – sexuelle Aversionsstörung. 5 Störungen der sexuellen Erregung: – bei der Frau: ausbleibende Lubrikation trotz Stimulation, – beim Mann: Störung der Erektion. 5 Orgasmusstörungen: – gehemmter Orgasmus bei der Frau, – Orgasmusstörung beim Mann, – Ejaculatio praecox. 5 Störungen mit sexuell bedingten Schmerzen: – Dyspareunie: ständige oder wiederholte Schmerzen vor, während oder nach dem Geschlechtsverkehr. – Vaginismus: Spasmen der Scheidenmuskulatur. Therapeutische Ansätze umfassen: 4 Störungen der Geschlechtsidentität: Geschlechtsumwandlung oder Änderung der Geschlechtsidentität nach dem Prinzip der operanten Konditionierung. 4 Paraphilien: 5 Aversionstherapie, häufig ergänzt mit einem Training der sozialen Fertigkeiten. 5 Orgasmische Reorientierung: Umkonditionierung der sexuellen Erregung durch Kopplung an alternativen Stimulus. 5 Bei Sexualstraftätern (wurden) werden ferner folgende Verfahren angewandt: (Psychochirurgie, Kastration), Behandlung mit Medroxyprogesteronazetat, Desensibilisierung sowie Training sozialer Fertigkeiten und Se-

xualerziehung, Familiensystemischer Ansatz bei Inzest. 4 Sexuelle Funktionsstörungen: Standard in der Therapie sind Streichelübungen nach Masters und Johnson mit dem Ziel, die ursächlichen und aufrechterhaltenden Bedingungen der Störung anzugehen.

2.5.8 Tod und Sterben, Trauer Der Begriff Trauerarbeit geht auf Freud zurück und macht deutlich, dass Trauern kein passiver Prozess, sondern aktives Bewältigen, schwere »Arbeit«, darstellt.

Phasenmodelle Das Modell von Kübler-Ross beschreibt folgende Phasen: 1. Nicht-wahr-haben-wollen: Verleugnung des Gedanken, sterben zu müssen. 2. Aggression: Die Vorstellung, sterben zu müssen, löst Wut aus, die insbesondere an Ärzten und Schwestern ausgelassen wird. 3. Verhandeln: …mit Ärzten oder mit Gott. 4. Depression: Durch weiteres Voranschreiten der Symptome stellt sich Hoffnungslosigkeit ein, der Patient wird depressiv und apathisch, er verweigert die Mitarbeit oder weitere Behandlung. 5. Akzeptieren: Der eigene Tod wird als Ende eines natürlichen Zykluses akzeptiert. Das Modell von Koch und Schmeling umfasst folgende Phasen: 1. Schock. 2. Gefühle der Betäubung: Nicht-wahr-habenwollen, psychischer und physischer Zusammenbruch. 3. Emotionale Bewegtheit: Verzweiflung und Depression mit psychosomatischen Störungen; Ärger, Wut, Vorwürfe, Schuldgefühle. 4. Anpassung an die neue Situation (Coping): Erholung, Reorganisation: Akzeptieren der Situation. Beim Phasenmodell nach Kast stellt die Trauerverarbeitung mit Angst, Anpassungs- und Abwehrmechanismen einen zentralen Bestandteil dar:

91 2.5 · Besondere medizinische Situationen

1. Nicht-wahr-haben-wollen: Psychischer Abwehrmechanismus zum Schutz vor Überforderung. Empfindungslosigkeit, »sich wie tot fühlen«. 2. Beherrschung: Anpassungsmechanismus. Der Alltag normalisiert sich scheinbar, es findet eine betonte Demonstration von Bewältigung statt. 3. Aufbrechende Emotionen. 4. Sich lösen: Vor- und Nachteile des Verlusts werden bilanziert. 5. Neuer Selbst- und Weltbezug: Verlustakzeptanz. KLINIK Phasenmodelle haben die wissenschaftliche Aufmerksamkeit auf den Trauerprozess gelenkt. Es wird jedoch kritisiert, dass individuelle Unterschiede aufgrund starrer Vorgaben im Ablauf der Phasen zu wenig Beachtung finden. Zielorientierte Trauermodelle befassen sich mit Zielen und Aufgaben, die jeder Trauernde zu bewältigen hat, wobei jedoch mehr individueller Spielraum in der Abfolge der Bewältigung zugestanden wird.

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KLINIK Gemäß der Pufferhypothese (7 Kap. 1.2.4) sollte auf Wünsche nach einem Tod zu Hause im Kreis der Familie unbedingt eingegangen werden. Ebenso wie die Gabe schmerzlindernder Mittel ist dies ein Bestandteil der palliativen Medizin im Umgang mit Sterbenden.

Altersabhängige Todesvorstellungen Zwischen drei und vier Jahren lernen Kinder den Unterschied zwischen belebten Wesen und unbelebten Gegenständen. Allmählich lernen sie, dass es Übergänge gibt von beweglich zu unbeweglich, von lebendig zu tot. Drei- bis Sechsjährige bringen Sterben und Tod allenfalls mit hohem Alter, Krankheit oder Gewalt in Verbindung. Die Endgültigkeit des Todes erfassen sie dabei noch nicht. Erst zwischen dem 5. und dem 8. Lebensjahr verstehen Kinder, dass der Tod irreversibel und unvermeidlich ist und ausnahmslos alle Menschen betrifft. Erst mit der Entwicklung vom magischen zum logischen Denken kann sich ein Verständnis vom Tod ausbilden.

Zielorientierte Modelle Das zielorientierte Modell nach Worden beschreibt folgende Ziele: 4 Ziel I: Den Verlust als Realität akzeptieren. 4 Ziel II: Den Trauerschmerz erfahren und durcharbeiten. 4 Ziel III: Sich anpassen an eine Umwelt, in der der Verstorbene fehlt. 4 Ziel IV: Dem Verstorbenen emotional einen neuen Platz zuweisen und das eigene Leben wieder aufnehmen. Die Traueraufgaben nach Jülicher sind: 4 Aufgabe I: Die Anerkennung des Geschehens. 4 Aufgabe II: Auslösen statt auflösen (verschwinden lassen) der Trauer. 4 Aufgabe III: Die eigene Trauer erleben. 4 Aufgabe IV: Sich von der Vergangenheit lösen. 4 Aufgabe V: Das Vermächtnis aufgreifen. 4 Aufgabe VI: Eigene Kräfte (re-) aktivieren. 4 Aufgabe VII: Integration mit offenem Ende.

Geschlechtsabhängige Todesvorstellungen Statistisch neigen Frauen häufiger zu Todesangst und zur Betrachtung des Todes als einer fremden Macht. Die sachliche Vorstellung von Tod als Lebensende wird von Männern bevorzugt.

Kulturabhängige Vorstellungen Hoher Bildungsstand senkt die Todesangst und erhöht die nüchterne Einstellung gegenüber dem Tod. Angst vor dem Tod ist religionsabhängig (bei Protestanten z. B. höher als bei Katholiken). Religiosität reduziert generell die Angst vor dem Tod.

Sterbe- und Trauerrituale im Wandel Seit den dreißiger Jahren des 20. Jahrhunderts hat sich der Ort des Sterbens zunehmend von zu Hause ins Krankenhaus verlagert. Es zeigt sich eine stetige Zunahme von Feuerbestattungen und Distanzierung von emotionalen Ritualen. Veränderte Familienstrukturen erschweren gemeinsame Trauer und gemeinsame Grabpflege. Auch die Dauer der Trauer wird auf eine kurze Zeitspanne begrenzt. Diese potenziell

Med. Psychologie/ Soziologie

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Kapitel 2 · Ärztliches Handeln

krankmachende Verdrängung der Trauer ist nicht ungefährlich: Für die Trauerarbeit ist es wichtig, seinen Schmerz offen aussprechen und ausleben zu können.

Euthanasie Der Begriff Euthanasie kommt aus dem Griechischen und bedeutet in etwa »guter Tod«. Gemeint ist das Herbeiführen des Todes von Menschen zum Erreichen eines »guten Zwecks«, wobei dieser Zweck durchaus fraglich sein kann (z. B. Euthanasie im Nationalsozialismus). Heute wird der Begriff als »Sterbehilfe« in folgenden Bedeutungen verstanden: 4 Aktive Sterbehilfe bezeichnet das absichtliche, aktive Eingreifen, um auf ausdrücklichen Wunsch des Betroffenen einen schnelleren Todeseintritt zu erreichen. Dies ist in Deutschland verboten. 4 Passive Sterbehilfe beschreibt einen Behandlungsverzicht oder die Beendigung von lebensverlängernden Maßnahmen. Unter bestimmten Bedingungen wird passive Sterbehilfe in Deutschland für vertretbar gehalten. 4 Indirekte Sterbehilfe: Hierunter versteht man den in Einvernehmen mit dem Patienten stattfindenden Einsatz schmerzstillender Medikamente – bei entsprechendem Bedarf – mit dem Nebenrisiko eines verfrühten Eintritts des Todes. Indirekte Sterbehilfe ist in Deutschland nicht strafbar.

Rolle der Selbsterfahrung des medizinischen Personals zu Sterben und Tod Medizinisches Personal sollte sich mit den zentralen Fragen zum Thema Tod und Sterben, z. B. in Fortbildungen, auseinandersetzen, um Sterbende und ihre Angehörige einfühlsam begleiten zu können.

Prinzipien der ärztlichen Sterbebetreuung Der Arzt ist verpflichtet, Leben zu erhalten, Gesundheit zu schützen und Sterbenden bis zum Ende beizustehen. Ferner ist er verpflichtet, Sterbenden ein menschenwürdiges Ende zu ermöglichen. Die Bundesärztekammer hat 2004 Richtlinien veröffentlicht, die auch zu den ärztlichen Pflichten bei Sterbenden Stellung beziehen.

bewegung bietet Betreuung, Unterstützung und Begleitung für Sterbende, Schwerkranke und Angehörige an. Sterben wird als Teil des Lebens betrachtet (7 Kap. 3.2.3).

Prüfungsfallstricke Hospiz ist nicht mit Hospitalismus zu verwechseln!

KLINIK Die relativ junge Disziplin der Palliativmedizin befasst sich mit der ganzheitlichen Behandlung unheilbarer Patienten, die sich in der letzten Phase Ihrer Erkrankung befinden. Das Hauptaugenmerk liegt auf einer suffizienten Schmerztherapie, sowie psychologischen, sozialen und spirituellen Betreuung.

Trauerreaktion der Hinterbliebenen Trauerberatung als Aufgabe des Hausarztes: Wenige Trauernde nehmen psychotherapeutische Hilfe in Anspruch. Trauerberatung ist daher eine wichtige Aufgabe in der Hausarztpraxis. Wo infrastrukturell möglich, sollte der Trauernde auf spezialisierte Institutionen sowie Selbsthilfe- und Angehörigengruppen aufmerksam gemacht werden. Das unheilbar kranke Kind und seine Eltern: Nach Pisarski und Pisarski (1997) sterben in Deutschland jährlich mehr als 16000 Kinder und Jugendliche. Die meisten davon sterben vor, während oder kurz nach der Geburt. An zweiter Stelle stehen Unfälle, v. a. Verkehrsunfälle. Die dritthäufigste Todesursache bei Kindern und Jugendlichen sind Krebserkrankungen. Eine sehr wichtige, aber oft schwierige Aufgabe ist die Begleitung sterbender Kinder und ihrer Eltern.

2.6

Patient und Gesundheitssystem

2.6.1 Stadien des Hilfesuchens

Hospiz Der Begriff kommt aus dem Lateinischen und bedeutet »Herberge«, »Gastfreundschaft«. Die Hospiz-

Beim Hilfesuchen sind folgende Begriffe wichtig: 4 Symptomaufmerksamkeit (7 Kap. 1.1.2).

93 2.6 · Patient und Gesundheitssystem

4 Als Laienätiologie gelten Alltagsvorstellungen über Krankheitsursachen; diese können stark von der wissenschaftlichen Vorstellung abweichen und sind kulturell bzw. subkulturell gefärbt (z. B. »Krankheit als Strafe für unmoralische Lebensweise«). 4 Die Laienzuweisung beschreibt eine vom sozialen Netz empfohlene Reaktion auf Symptome.

Entscheidungsstadien einer »Patientenkarriere« Ein Kranker wird zum Patienten, wenn im Kontakt mit medizinischen Institutionen sein subjektives Befinden als Krankheit bestimmt wird. Dabei lassen sich folgende Stadien unterscheiden: 1. Stadium: Symptomwahrnehmung. 2. Stadium: Interpretation und Beurteilung der Behandlungsbedürftigkeit. 3. Stadium: Behandlung durch Laiensystem (Bekannte, Freunde, Verwandte, etc.). 4. Stadium: Behandlung durch medizinischen Experten; in der Regel zunächst praktischer Arzt, evtl. Überweisung an Facharzt/Krankenhaus. Rollenzuweisung als Patient. 5. Stadium: Genesungsprozess.

Rolle von Information und Motivation Information hat einen positiven Einfluss auf die Motivation. Die wachsende Informiertheit der Bevölkerung über medizinische Sachverhalte trägt zu einer größeren Bereitschaft bei, ärztliche Leistungen in Anspruch zu nehmen.

Psychosoziale Einflüsse auf verzögertes Hilfesuchen Psychosoziale Einflüsse auf verzögertes Hilfesuchen können sein: 4 Hohe Symptomtoleranz, 4 spezifische Laienätiologie/Krankheitsvorstellungen, 4 mangelnde Information oder Fehlinformation, 4 Ängste/Phobien, 4 erschwerte Zugangsmöglichkeiten zum Gesundheitswesen, 4 Einstellungen und 4 negative Erfahrungen im Gesundheitssystem.

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Determinanten der Inanspruchnahme von Ärzten liegen zum einen in den Entscheidungsstadien der Patientenkarriere (s. o.), zum anderen in den (gesellschaftlichen) Rahmenbedingungen. Motive für die Inanspruchnahme komplementärer und alternativer Heilkunde bzw. Gründe für ein Hilfesuchen außerhalb der Schulmedizin können sein: 4 Langwierige erfolglose schulmedizinische Therapien bei chronischen Erkrankungen, 4 ganzheitliches Menschenbild, 4 Alternativtherapien als Ergänzung zur Schulmedizin, 4 Empfehlungen durch das Laiensystem, 4 traumatische Erfahrungen mit der Schulmedizin, 4 Distanzierung von der Wissenschaft und 4 Angst vor Hightech-Medizin oder Nebenwirkungen der üblichen schulmedizinischen Behandlungen.

2.6.2 Bedarf und Nachfrage Bedarf (need) entsteht, wenn einem Bedürfnis (Mangelzustand) ein adäquates Produkt oder eine Dienstleistung gegenüber steht. Bedarf wird zur Nachfrage (demand), wenn bei vorhandener Kaufkraft auf dem »Markt« (Kauf)Absichten angemeldet und umgesetzt werden. Bei der bedarfsgerechten Versorgung gleichen vorhandene Angebote Mangelzustände aus. Unterversorgung besteht, wenn zu wenige oder ineffiziente Angebote zur Beseitung eines Mangels zur Verfügung stehen. Bei der Überversorgung reichen Angebote über die Bedarfsdeckung hinaus. Als Fehlversorgung bezeichnet man alle Angebote, die einen Schaden anrichten.

Gründe für eine Diskrepanz zwischen Bedarf und Nachfrage (over-/under-utilization) Folgende Aspekte spielen eine Rolle: 4 Prävention und Rehabilitation werden in unserem Gesundheitssystem vernachlässigt, es dominiert die akutmedizinische Versorgung. 4 Chronisch Kranke werden passiv behandelt; auf Aktivierung und Mobilisation wird zu wenig geachtet.

Med. Psychologie/ Soziologie

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Kapitel 2 · Ärztliches Handeln

4 Spezielle Bedürfnisse chronisch Erkrankter werden zu wenig berücksichtigt. 4 Spezifische Merkmale von Patienten (z. B. Hypochondrie, Indolenz) sind ebenfalls von Bedeutung. Auch das Ärzteangebot hat einen Einfluss auf die Nachfrage (angebotsinduzierte Nachfrage): Bei zunehmender Ärztezahl steigen nachweislich die erbrachten Leistungen. Gibt es ein größeres Angebot an Spezialisierung, so wird im Krankheitsfall eher der entsprechende Spezialist konsultiert. Auch die Zunahme von Fachärzten erhöht die Nachfrage. Finanzielle und rechtliche Anreize und Restriktionen sollen das Angebot-Nachfrage-Verhältnis regulieren (z. B. Bonus-Hefte, Zuzahlungen). Unter Medikalisierung versteht man eine überflüssige Gabe oder Einnahme von Medikamenten, die gesundheitliche Probleme nach sich zieht. Im weiteren Sinne sind nicht nur Medikamente, sondern auch andere Behandlungsformen gemeint (z. B. Operation).

Merke Als Ursache von Fehlversorgung können seitens des Arztes 2 Fehler zugrunde liegen: Fehler erster Art: Falsch-positive Diagnose. Fehler zweiter Art: Falsch-negative Diagnose.

Iatrogen heißt »durch ärztliche Einwirkung entstanden«. Gemeint sind in diesem Zusammenhang die Folgeprobleme einer Fehlbehandlung. Iatrogene Fixierung meint ein Festhalten des Patienten an Symptomen, Einstellungen, Krankheiten oder Ängsten infolge ärztlichen Verhaltens.

2.6.3 Patientenkarrieren

im Versorgungssystem Die Primärarztfunktion wird von Allgemeinmedizinern, praktischen Ärzten, primärärztlich zugelassenen Internisten, Gynäkologen und Pädiatern wahrgenommen und bezieht sich darauf, die erste Instanz beim Auftreten von Gesundheitsproblemen für den Patienten zu sein und den Patienten ggf. zu

überweisen. Das Überweisungsverhalten bezieht sich sehr häufig auf die Erstellung von Diagnosen (z. B. zu Röntgenfachärzten, etc.) und nur in wenigen Fällen auf die Therapie.

Einfluss ärztlicher Spezialisierung und Kooperation auf Behandlung Durch ein breites Angebot an Spezialisten können genauere Diagnosen und effizientere Therapien garantiert werden, jedoch nur, wenn die Ärzte zur Kooperation bereit sind. KLINIK Bei chronisch Kranken zeigt sich leider häufig die sog. Schnittstellenproblematik: Probleme in der Kommunikation und Kooperation zwischen verschiedenen behandelnden Einrichtungen (z. B. verzögerte Arztbriefe nach Krankenhausentlassung).

Strukturelle Besonderheiten des deutschen Gesundheitssystems Die Versorgung der gesamten Bevölkerung ist im Krankheitsfalle finanziell abgesichert, ca. 90% der Bevölkerung sind pflichtkrankenversichert. Die gesetzliche Krankenversicherungspflicht besteht bis zu einer gewissen Einkommensgrenze. Darüber kann man sich freiwillig gesetzlich oder privat versichern. Das gesetzliche Krankenversicherungssystem wird aus staatlichen und privaten Leistungen finanziert. Es gibt getrennte Versorgungszuständigkeiten für die ambulante und die stationäre Versorgung sowie für den öffentlichen Gesundheitsdienst. Es gilt das Prinzip der freien Arztwahl. Im Krankenhaus ist es für gesetzlich Versicherte eingeschränkt. Die jährlichen Gesamtkosten im Gesundheitswesen entsprechen fast dem Kostenumfang des Gesamthaushaltsbudgets des Bundes. Die Kosten der stationären Versorgung haben den größten Anteil an den Kosten der gesetzlichen Krankenversicherung.

95 2.6 · Patient und Gesundheitssystem

2.6.4 Qualitätsmanagement

im Gesundheitswesen Hier sind folgende Begriffe zu unterscheiden: 4 Strukturqualität: Hier geht es um die Beschaffenheit struktureller Bedingungen zur Erreichung eines bestimmten Ergebnisses. 4 Prozessqualität: Der Fokus liegt hier auf dem Prozess der Leistungserbringung im Gesundheitssystem. 4 Ergebnisqualität: Hier wird der »Output« im Gesundheitssystem beleuchtet, um die Wirksamkeit von Maßnahmen zu überprüfen. Grundprinzipien evidenzbasierter Medizin 7 Kap. 1.3.7.

Qualitätskontrolle (Prozess zur Sicherung von Qualität) geschieht durch: 4 Peer Review: Bewertung durch unabhängige Gutachter. 4 Supervision: Diese setzt sich zusammen aus interner und externer Qualitätskontrolle. Die Supervision ist eine Form der Interaktion, bei der der sog. Supervisor die Interaktion leitet und Datenschutz gewährt und die sog. Supervisanden ihre Praxis reflektieren, um sich zu entlasten und/oder zu lernen. 4 Interne Qualitätskontrolle beschreibt den Vergleich mit von Kollegen gesetzten Standards. 4 Externe Qualitätskontrolle bezeichnet den Vergleich mit wissenschaftlichen und technischen Standards, die von externen Experten vorgegeben werden. Ferner können Patientenzufriedenheit und gesundheitsbezogene Lebensqualität als zusätzliche Beurteilungsparameter herangezogen werden.

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Qualitätswettbewerb, Kostendruck und organisatorischer Wandel im Gesundheitswesen Wettbewerbsbedingungen sollen im Gesundheitswesen die Qualität steigern: 4 Der Risikostrukturausgleich (RSA) ist der Finanzausgleich zwischen den gesetzlichen Kassen. Nachteile unterschiedlicher Versichertenstrukturen sollen ausgeglichen werden, wobei Faktoren wie Einkommen, Alter und Geschlecht der Versicherten berücksichtigt werden. 4 Zunehmend freiere Wahl- und Wechselmöglichkeiten von und zwischen gesetzlichen Krankenkassen; Nivellierung der Beitragsunterschiede zwischen den Kassen. 4 IGEL-Leistungen (individuelle Gesundheitsleistungen, die von den Patienten privat zu bezahlen sind) als Spezialangebote in der ambulanten Versorgung. Es ist ein organisatorischer Wandel im Gesundheitswesen zu verzeichnen, der auf Rationalisierungsmaßnahmen zur Kostenverringerung und zur Effektivitätssteigerung abzielt. KLINIK Beispiel: Managed Care (geführte Versorgung) meint das medizinische und kaufmännische Management zur Planung und Integrierung von Funktionen von Versicherungen und Leistungserbringern. MC-Programme führen zur Reduzierung der Krankenhausverweildauer und beschleunigen und verbessern die Integration von ambulanter und stationärer Versorgung.

Med. Psychologie/ Soziologie

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Kapitel 2 · Ärztliches Handeln

Fallbeispiel Fall 1: Eine junge Fachärztin für Innere und Allgemeinmedizin wird in ihrer Sprechstunde von einem Mann, Anfang 20, aufgesucht. Der Mann wirkt sehr schüchtern und verschämt und zeigt der Ärztin Ekzeme an den Händen, wegen derer er schon bei einem Kollegen in Behandlung war. Die Ärztin bemüht sich, die Asymmetrie des Arzt-PatientenVerhältnisses durch eine offene Haltung, durch Empathie und Wertschätzung des Patienten und eine weitgehend nondirektive Gesprächsführung zu schmälern. In ihrer Sprache passt sie sich der des Patienten an, ohne jedoch dabei gekünstelt zu wirken (sie bleibt authentisch). Der Patient gibt sich zwar weiterhin zurückhaltend, scheint aber ein wenig »aufgetaut«. Nach einer Therapieempfehlung zur Behandlung der Ekzeme wird ein Folgetermin zur Kontrolle vereinbart. Durch die patientenzentrierte, empathische Vorgehensweise der Ärztin gewinnt der Patient im Laufe seiner Besuche zunehmend mehr Vertrauen und überwindet seine Schamgefühle. Vorsichtig beginnt er bei einem Termin von seinen Ängsten bezüglich Kontamination und seinem übertriebenen Waschverhalten nach Berührung von Objekten zu erzählen, welches ihm nicht kontrollierbar erscheint. Die Ärztin nimmt den Patienten ernst und bringt seinem Problem Verständnis entgegen. In Exploration und Anamnese kommt sie immer weiter voran und erhält zunehmend tiefere Einblicke in die Problematik des Patienten. Nachdem sie anfangs additiv Informationen zusammengetragen hat, kann sie nun linear Schlussfolgerungen ableiten. Während ihr für die Beurteilung der Waschzwangproblematik nur »weiche«, subjektive Daten zur Verfügung stehen, lässt sich das daraus resultierende Hautproblem an »harten«, objektiven Daten verifizieren. In einem Beratungsgespräch klärt sie den Patienten von ihrem Verdacht auf, dass es sich bei seinem Problem möglicherweise um einen Waschzwang handelt. Um aus dieser Verdachtsdiagnose entstehende Stigmatisierungsängste zu mindern, weist sie ihn darauf hin, das ca. 2% der Bevölkerung an 6

Zwangsproblemen leiden und dass sehr gute Therapiemöglichkeiten bestehen. Ferner händigt sie ihm Informationsmaterial zum Thema aus (Broschüren, Adressen von Selbsthilfegruppen, etc.). Abschließend rät sie dem Patienten, einen Psychologen zwecks Therapie der Zwänge zu konsultieren und ihr in regelmäßigen Abständen seine Ekzeme vorzustellen. Hintergründe: Die (kognitive) Verhaltenstherapie eignet sich besonders gut für die Behandlung konkreter psychologischer Probleme (Angst- und Zwangsstörungen, Depressionen, Psychosen, Persönlichkeitsstörungen, Selbstwertprobleme, etc.). Nach ausführlicher Exploration und Diagnosestellung sowie dem Aufbau einer tragfähigen Therapeut-Patient-Beziehung werden in einem sehr strukturierten, transparenten Vorgehen, stets basierend auf der freiwilligen Teilnahme des Patienten, dysfunktionale Verhaltensweisen ab- und Alternativverhalten aufgebaut, dysfunktionale Kognitionen hinterfragt und alternative Kognitionen erarbeitet. Verschiedene Methoden stehen hierfür zur Verfügung (Konfrontations- und Bewältigungsverfahren, operante Methoden, ModellLernen, Selbstsicherheitstrainings, kognitive Techniken). Bei zahlreichen somatischen Problemen zeigen sich Biofeedback-Methoden erfolgreich. Entspannungsverfahren können stützend bei ganz unterschiedlichen medizinischen sowie psychologischen Störungen helfen. Menschen unterscheiden sich hinsichtlich ihrer »Vorliebe« (meist nicht bewusst) für eher imaginative/suggestive Verfahren (Autogenes Training, Meditation, Phantasiereisen, Hypnose – diese Methoden sollten jedoch bei Patienten mit Wahnsymptomatik nicht angewendet werden) oder eher körperbezogene Formen der Entspannung (z. B. PMR). Psychoanalytische und tiefenpsychologisch fundierte Therapiemethoden eignen sich gut zur Selbstreflexion und Erkundung des eigenen biografischen Hintergrundes bei reflektierten Patienten, die die Ursachen ihres Leidens in ihrer Sozialisation sehen.

97 2.6 · Patient und Gesundheitssystem

Humanistische Verfahren wie die nondirektive Gesprächstherapie und die Gestalttherapie sind wachstumsorientiert und richten sich an Menschen, die ihr eigenes Potenzial weiter ausschöpfen und mehr in Einklang mit sich und ihren Idealen kommen wollen. Die systemische Familientherapie ist sehr erfolgreich, wenn die Probleme eines der Familienmitglieder durch die Interaktion aller bedingt sind bzw. aufrechterhalten werden (z. B. bei Magersucht). Häufig ist eine Familientherapie ergänzend zu einer Einzeltherapie sinnvoll. Nach Hirnschädigungen empfehlen sich neuropsychologische Trainingsprogramme. Fall 2: Da sie in ihrer Allgemeinarztpraxis bereits des öfteren mit dem Themenbereich Tod, Sterben und Trauer konfrontiert worden ist, entschließt sich o. g. Ärztin, an einer Weiterbildung zu diesem Themenbereich teilzunehmen. Bei dieser

Weiterbildung trifft sie Kolleginnen und Kollegen aus verschiedenen besonderen medizinischen Bereichen (Intensivstation, Notfallmedizin, Transplantationsmedizin, Onkologie), die beruflich bedingt alle starken Belastungen und einer häufigen Konfrontation mit dem Thema Tod, Sterben und Trauer ausgesetzt sind. Die Ärztin lernt bei der Weiterbildung u. a. einige Trauermodelle kennen und erfährt, dass nach dem aktuellen Stand den ziel- und aufgabenorientierten Modellen (gegenüber den Phasenmodellen) der Vorzug gegeben wird, auch wenn den Phasenmodellen der Trauerverarbeitung in Rechnung gestellt werden muss, das Thema in den Fokus gerückt zu haben. Einige Weiterbildungsteilnehmer trifft die Ärztin kurze Zeit später bei einem Kongress zu »Ethik in der Medizin« wieder, bei welchem auch Kolleginnen und Kollegen aus den Bereichen humangenetische Beratung und Reproduktionsmedizin stark vertreten sind.

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3 Förderung und Erhalt von Gesundheit Mind Map 7 Kapitel 3.1 befasst sich mit dem Thema Prävention. Nach einer Erläuterung des Präventionsbegriffs wird ausführlicher auf die Formen primäre, sekundäre und tertiäre Prävention eingegangen. Es werden Formen psychosozialer Hilfe genannt

und der Begriff der Sozialberatung erläutert. In 7 Kapitel 3.2 werden konkrete Maßnahmen besprochen. Hierzu zählen Gesundheitserziehung und -förderung, Verhaltensänderung sowie Rehabilitation, Soziotherapie, Selbsthilfe und Pflege.

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Kapitel 3 · Förderung und Erhalt von Gesundheit

3.1

Prävention

3.1.1 Präventionsbegriff Die Primäre Prävention soll bei vorliegenden Risikofaktoren das Auftreten akuter Erkrankungen verhindern. Die Sekundäre Prävention soll bei vorhandenen akuten Erkrankungen eine Chronifizierung verhindern. Die Tertiäre Prävention soll bei vorliegenden chronischen Erkrankungen vermeidbare Folgeschäden begrenzen.

3.1.2 Primäre Prävention Gesundheit ist nicht nur persönliches Kapital, sondern hat auch einen gesellschaftlichen Wert. Das Modell der Salutogenese von Antonovsky fokussiert die Aspekte Protektion (Schutz) und Resilienz (Widerstandsfähigkeit). Antonovsky legt seinem Modell einen mehrdimensionalen Gesundheitsbegriff zugrunde und baut auf einem biopsychosozialen Krankheitsmodell auf. Im Gegensatz zum pathogenetischen Modell des biomedizinischen Ansatzes vertritt das salutogenetische Modell des biopsychosozialen Ansatzes die Sichtweise, dass Menschen mehr oder weniger gesund und gleichzeitig mehr oder weniger krank sind. Der Fokus liegt auf der Entstehung von Gesundheit. Gesundheit wird nicht als Zustand, sondern als Prozess verstanden. Salutogenese und Pathogenese sind nicht dasselbe nur von einer anderen Seite betrachtet, es handelt sich um ein völlig anderes Verständnis von Gesundheit und Krankheit. Während im pathogenetischen Modell Gesundheit als ein normaler, passiver Gleichgewichtszustand verstanden wird und Krankheit als eine Abweichung von Normen, so gelten im salutogenetischen Modell Ungleichgewicht, Krankheit und Leiden als Grundprinzip menschlicher Existenz; Gesundheit ist ein labiles, aktives und dynamisches Geschehen. Antonovsky vergleicht menschliches Leben mit einem Fluss voller Gefahren (Verschmutzungen, Stromschnellen und Strudel). Die klassischen medizinischen und gesundheitspolitischen Ansätze bemühen sich, Menschen vor dem Ertrinken zu retten,

indem sie sie aus dem Fluss ziehen oder den Flusslauf begradigen. Antonovsky interessiert die Frage, wie Menschen in diesem Fluss zu guten Schwimmern werden. Als zentrales Element des salutogenetischen Modells (die Fähigkeit »zu schwimmen«) kann das sog. Kohärenzgefühl gesehen werden. Kohärenz bedeutet Zusammenhang, Stimmigkeit. Beim Kohärenzgefühl handelt es sich um eine globale Orientierung, die Welt als zusammenhängend und sinnvoll zu erleben. Das Kohärenzgefühl setzt sich aus 3 Komponenten zusammen: 1. Gefühl von Verstehbarkeit: Die Erwartung bzw. die Fähigkeit, Reize (auch unbekannte) als geordnete, konsistente und strukturierte Information verarbeiten zu können (kognitives Verarbeitungsmuster). 2. Gefühl von Handhabbarkeit bzw. Bewältigbarkeit: Die Überzeugung, Schwierigkeiten überwinden zu können (kognitiv-emotionales Verarbeitungsmuster). 3. Gefühl von Sinnhaftigkeit bzw. Bedeutsamkeit: Das Ausmaß, zu welchem das Leben als emotional sinnvoll empfunden wird (motivationale Komponente). Wichtigste Komponente nach Antonovsky. Das salutogenetische Modell dient als Meta-Theorie im Arbeitsfeld Prävention. Präventive Maßnahmen legen auch ein Augenmerk auf den Gruppendruck. Dieser hat einen starken Einfluss auf gesundheitsrelevantes Verhalten. In Subgruppen kann Verhalten sozialen Normen und Sanktionen unterliegen, und zwar in die Richtung, dass gesundheitsschädigendes Verhalten verstärkt wird. Hier sei verwiesen auf die Adoleszenz als kritische Phase (7 Kap. 1.4.8). Es existiert jedoch auch das Konzept des gesundheitsbezogenen Lebensstils. Stereotypisiert gilt für Anhänger dieses Konzepts, dass sie sich meist vegetarisch ernähren, nicht rauchen, auf ausreichende Bewegung achten und sich um emotionalen Ausgleich von Alltagsbelastungen kümmern. Bezüglich Vegetarismus gilt, dass durch die Fettreduktion der Nahrung chronisch-degenerativen Erkrankungen vorgebeugt werden kann.

101 3.1 · Prävention

Modelle gesundheitsrelevanten Verhaltens Neben dem Modell der Selbstwirksamkeit bzw. der Kompetenzerwartung, welches in 7 Kapitel 1.2.4 dargestellt ist, gibt es weitere Modelle zur Erklärung von gesundheitsrelevantem Verhalten. Health-Belief-Modell

Health Beliefs sind gesundheitsbezogene Kognitionen. Präventives Gesundheitsverhalten wird durch folgende Überzeugungen bestimmt: 1. das wahrgenommene Risiko, eine bestimmte Krankheit zu bekommen; 2. die wahrgenommene Schwere der Krankheit; 3. der wahrgenommene Nutzen präventiver Maßnahmen (Wird das Erkrankungsrisiko durch die Präventivmaßnahme verringert?) und 4. wahrgenommene Barrieren, die präventivem Verhalten entgegenstehen (z. B. positive Gefühle durch gesundheitsriskantes Verhalten wie Rauchen oder Alkoholkonsum). Die Punkte 1 und 2 bilden die subjektive Überzeugung, persönlich bedroht zu sein, 3 und 4 die subjektive Überzeugung von der Effektivität des Gesundheitsverhaltens. Modell des geplanten Verhaltens (Modell der Verhaltensvorhersage)

Hiernach ist die Intention (Verhaltensabsicht) der beste Prädiktor für Verhalten. Die Intention wird bestimmt durch: Einstellung zum spezifischen Verhalten, wahrgenommene Kontrolle über das Verhalten sowie subjektive Norm. Widerstände des sozialen Umfeldes können dem geplanten Verhalten entgegenstehen. Modell des sozialen Vergleichsprozesses

Modell nach Festinger: Zur Bewertung eigener Meinungen und Fähigkeiten vergleicht sich das Individuum mit anderen Personen seiner Bezugsgruppe, wobei objektive Kriterien bevorzugt werden. Ferner gibt es ein Streben des Individuums nach Leistungsverbesserung. Es lassen sich 2 Richtungen im sozialen Vergleich unterscheiden (hierbei handelt es sich um eine spätere Ergänzung des Modells von Festinger): 4 Downward comparison meint den sozialen Abwärtsvergleich mit benachteiligten Anderen, 4 Upward comparison meint den sozialen Aufwärtsvergleich mit besser gestellten Anderen.

3

Als weitere Form zur Evaluierung der eigenen Situation kann die Konstruktion von Bewertungsmaßstäben für die Güte der Anpassung an die individuelle Situation (z. B. die Krankheit) gesehen werden, durch welche sich die eigenen Kompetenzen positiv darstellen. Ferner können auch positive Folgen bzw. Sinn stiftende Funktionen und positive Auswirkungen auf das eigene Leben konstruiert werden oder es kann eine selektive Fokussierung auf Einzelaspekte stattfinden, welche die Situation als vergleichsweise günstig erscheinen lassen.

Psychosoziale Stressbelastung und gesundheitsschädigendes Verhalten Psychosozialer Stress kann gesundheitsschädigendes Verhalten (z. B. Sucht) bewirken.

3.1.3 Sekundäre Prävention Risiko- und Schutzfaktoren von Erkrankungen stehen sich gegenüber. Im sekundärpräventiven Bereich versucht man, Schutzfaktoren zu stärken und auszubauen, um Chronifizierungen entgegenzuwirken. In der prädiktiven Medizin beruft sich dabei die individuelle Betrachtung des Einzelfalls auf die gruppenbezogene Betrachtung der Epidemiologie. Zu den Kriterien für das Vorliegen einer kausalen Beziehung zwischen Risikofaktor und Krankheit zählt das relative Risiko. Es bezeichnet das Risiko der Erkrankung einer bestimmten Bevölkerung, die bestimmten Risikofaktoren ausgesetzt ist. Dies geschieht, indem das Risiko der exponierten Bevölkerungsgruppe mit dem Risiko einer nichtexponierten Bevölkerungsgruppe verglichen wird (z. B. Lungenkrebsrisiko von Rauchern im Vergleich zu Nichtrauchern). Das relative Risiko gibt also an, um wie viel höher die Wahrscheinlichkeit ist, bei einer Risikoexposition zu erkranken. Es berechnet sich nach folgender Formel: Risiko der Exponierten Relatives Risiko = 00006 Risiko der Nichtexponierten Ist das Risiko der Exponierten und/oder der Nichtexponierten nicht bekannt, so kann man mit dem Odds-Ratio das relative Risiko schätzen. Anhand der Anzahlen von Erkrankten und Nichterkrankten

Med. Psychologie/ Soziologie

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Kapitel 3 · Förderung und Erhalt von Gesundheit

mit und ohne Risikoexposition lässt sich das Erkrankungsrisiko der exponierten Gruppe abschätzen: Erkrankte mit Risikofaktor 00006 Erkrankte ohne Risikofaktor Odds Ratio = 0000601 Nicht-Erkrankte mit Risikofaktor 000060 Nicht-Erkrankte ohne Risikofaktor Ein weiteres Kriterium ist das attribunale Risiko. Im Gegensatz zum relativen Risiko lassen sich hiermit Aussagen darüber treffen, wie viele Personen im Einzelfall betroffen sind. Es errechnet sich als die Differenz der Krankheitshäufigkeiten zwischen Exponierten und Nicht-Exponierten. Mit der so gewonnenen Kennziffer lässt sich z. B. ausdrücken, zu welchem Ausmaß der Risikofaktor Rauchen neben anderen Risikofaktoren dazu beiträgt, dass Herzinfarkte etc. entstehen.

Merke Präventivmedizinisch betrachtet drückt das attribunale Risiko die Anzahl vermeidbarer Erkrankungsfälle durch Ausschaltung bestimmter Risikofaktoren aus.

Es lassen sich prospektive (in die Zukunft gerichtet; Daten werden im Verlauf der Studie gewonnen) und retrospektive (rückblickende Untersuchung von Daten aus vorliegenden Krankenakten oder anderen Quellen) epidemiologische Studien unterscheiden. Ferner trennt man die analytische Epidemiologie (Analyse vorhandener Zusammenhänge von bestehenden unterschiedlichen Expositionen und Erkrankungen) von der interventionellen Epidemiologie (Herstellung von Bedingungen speziell zu Untersuchungszwecken, um deren Auswirkungen zu untersuchen).

Merke Die Diskrepanz zwischen Einstellung und Verhalten ist ein generelles Problem im Bereich des gesundheitsrelevanen Verhaltens. Chronische Erkrankungen gehen häufig mit Noncompliance einher.

Widerstände gegen Verhaltensänderung bei Risikogruppen müssen nach dem Stufenmodell der Verhaltensänderung in folgenden Schritten umgangen werden: 4 Entwicklung eines Problembewusstseins, 4 Förderung von Handlungsbereitschaft und Probehandeln, 4 Umsetzungsplanung für den Alltag, 4 Entwicklung und Mobilisation von Unterstützung, 4 Entwicklung von Bewältigungsstrategien bei Problemen und Rückschlägen. Die Theorie der kognitiven Dissonanz von Festinger (7 Kap. 1.2.4) liefert Erklärungen für widersprüchliches Verhalten.

3.1.4 Tertiäre Prävention Gemäß der WHO lassen sich chronische Krankheit und Behinderung in einem Stufenprozess formulieren: 4 Eine feststellbare Schädigung (Impairment) 4 hat Behinderung in Form funktionaler Einschränkung (Disability) zur Folge, 4 woraus sich eine soziale Beeinträchtigung (Handicap) ergibt. Personale Krankheitsbewältigung (Coping) (7 Kap. 1.2.2 und 7 Kap. 2.1.3) verlangt Anpassung, Kompensation und Reorganisation. Diese aktive Bewältigung soll durch tertiäre Prävention gefördert werden, wobei unterschiedliche »Krankenkarrieren« und deren psychosoziale Determinanten berücksichtigt werden müssen. Auch die interpersonelle Bewältigung fokussiert Partnerschaft und Familie, soziale Netzwerke und sozialen Rückhalt. Prävention bei Chronifizierung zielt auf soziale Rehabilitation ab. Soziale Folgen chronischer Krankheit beziehen sich auf Rehabilitation vs. sozialer Ausschluss (Integration des Erkrankten in Berufs- und Sozialleben). Rehabilitative Maßnahmen sollen helfen, Abwärtsmobilität und soziale Isolation zu verhindern und Stigmatisierung vorzubeugen (letztere entwickelt sich aus primärer und sekundärer Abweichung/Devianz 7 Kap. 1.1.4).

103 3.2 · Maßnahmen

Psychosoziale Einflüsse auf Krankheitsverlauf und Mortalität stützen die Pufferhypothese der Sozialen Unterstützung (7 Kap. 1.2.4) (so haben z. B. Patienten mit gutem sozialen Rückhalt bessere Überlebenschancen nach einer Herzoperation).

3.1.5 Formen psychosozialer Hilfen Als Krisenintervention bezeichnet man die kurzfristige Einflussnahme von außen auf eine akut bedrohliche Situation mit dem Ziel, eine kritische Entwicklung aufzuhalten und die Situation zu bewältigen. KLINIK Prävention in diesem Sinne wird z. B. von sozialpsychiatrischen Diensten durchgeführt, die regional zuständig sind für psychisch Kranke und Behinderte, abhängigkeitskranke Menschen sowie Angehörige dieser Gruppen.

Zur regional strukturierten psychosozialen Rehabilitation zählen Maßnahmen wie betreute Wohngruppen und ambulante oder stationäre Maßnahmen. Berücksichtigt wird dabei neben den institutionellen Rahmenbedingungen (ambulant vs. stationär) auch der Krankheitsverlauf (akut vs. chronisch). Selbsthilfegruppen sind auch eine Form der psychosozialen Hilfe; der wichtige Faktor hierbei ist die soziale Unterstützung.

3.1.6 Sozialberatung Sozialberatung dient der Beratung und Information von Menschen in sozialen Notlagen (z. B. Informations- und Beratungsdienst der Deutschen Krebshilfe) und trägt zur Integration bzw. Reintegration in Beruf und Gesellschaft bei. Sie fokussiert unterschiedliche Institutionen und Systeme: Schule, Familie, Individuum, Gruppe, Gemeinde.

3.2

3

Maßnahmen

3.2.1 Gesundheitserziehung

und Gesundheitsförderung Gesundheitserziehung (Edukation) und Gesundheitsbildung wollen über die Vermittlung von gesundheitsbezogenem Wissen und die Veränderung von Umgebungsbedingungen gesundes Verhalten anregen und optimieren und gesundheitsschädliches Verhalten minimieren. Verantwortliche Organisationen sind staatliche Einrichtungen auf Bundes- und Landesebene sowie freie Träger. Zielgruppen sind je nach Fokus bestimmte Risikogruppen, eingesetzte Verfahrensweisen sind entsprechend zielgruppenorientiert. Zu den Verfahren zählen Seminare und Kurse, die gerne von Volkshochschulen und anderen Bildungseinrichtungen sowie den Krankenkassen angeboten werden, sowie Einschränkungen von Werbung (z. B. Zigarettenwerbung) und der Einsatz professioneller Werbestrategien. Im digitalen Zeitalter werden natürlich auch die sog. Neuen Medien (digitale Medien wie Internetdienste, DVD, CD-ROM, etc.) eingesetzt. Gesundheitsförderung bezieht sich auf die Verbesserung von Gesundheit durch Vermittlung und Stärkung von Gesundheitskompetenzen einerseits sowie Verbesserung von Umgebungsbedingungen und Abbau von Ungleichheiten andererseits. Gesundheitsförderung in Organisationen (Schulen, Betriebe) beinhaltet neue Aufgaben der Organisations- und Personalentwicklung. Programme zur Gesundheitsförderung werden weniger in einzelnen Organisationen durchgeführt als vielmehr in Netzwerken angestrebt. Diese Netzwerke verfügen über eigene, oft bundesweit organisierte Strukturen. Ziel des Deutschen Netzwerks betrieblicher Gesundheitsförderung ist z. B. eine größere Aufmerksamkeit für und höhere Verbreitung von Gesundheitsförderung am Arbeitsplatz in Deutschland. An Schulen soll über die Gestaltung von Gebäuden, Mahlzeiten, Sicherheitsmaßnahmen etc. ein gesundheitsförderndes Umfeld geschaffen werden.

Med. Psychologie/ Soziologie

104

Kapitel 3 · Förderung und Erhalt von Gesundheit

KLINIK Als Beispiel für Gesundheitsförderung in der Kommune kann das Projekt »Gesunde Städte« der WHO genannt werden, das 1987 gestartet wurde. Ziele dieser mittlerweile weltweiten Bewegung mit mehr als 1000 Teilnehmerstädten sind die ständige Verbesserung der physischen und sozialen Umwelt sowie die Stärkung der Kommunen in Hinblick auf gesundheitsfördernde Faktoren (so haben z. B. Selbsthilfegruppen stark zugenommen).

Unterschiedliche Wirksamkeit struktureller und personaler Gesundheitsförderung Die Strukturelle Gesundheitsförderung beinhaltet grundsätzliche Voraussetzungen für Maßnahmen auf personaler Ebene. Sie bezieht sich auf Produkte, Arbeitszeiten, Kantinenessen, etc. und wird z. B. über die Gesetzgebung festgelegt. Im Rahmen der Personalen Gesundheitsförderung sollen gesundheitsgefährdende Lebensstile abgebaut und gesundheitsfördernde gestärkt werden (z. B. Anschnallpflicht beim Autofahren).

Begriffe im Zusammenhang mit Screening-Tests sind (. Abb. 3.1): 4 Krankheitsprävalenz bezeichnet die Anzahl der Fälle einer bestimmten Erkrankung zu einer bestimmten Zeit in einer definierten Population. 4 Spezifität meint die Fähigkeit eines Tests, Gesunde zutreffend als gesund zu erkennen: Anzahl als gesund Erkannter (der Test ist negativ) verglichen mit der Anzahl aller Gesunden. 4 Sensitivität nennt man die Fähigkeit eines Tests, Kranke zutreffend als krank zu erkennen: Anzahl als krank Erkannter (der Test ist positiv) verglichen mit der Anzahl aller Erkrankten. 4 Prädiktiver Wert ist das Maß für die Zuverlässigkeit eines Tests (mit welcher Sicherheit erfasst der Test das, was er erfassen soll). 4 Positiver Prädiktionswert entspricht dem Anteil der tatsächlich Kranken (die Diagnose ist positiv) an denen, die der Test als krank erkennt. 4 Negativer Prädiktionswert ist der Anteil der tatsächlich Gesunden (die Diagnose ist negativ) an denen, die der Test als gesund erkennt.

Prüfungsfallstricke Spezifität, Sensivität, positiver und negativer Prädiktionswert: Es ist jeweils zu überdenken, welches Feld durch welche Randsumme im VierFelder-Schema geteilt werden muss. Die Randsumme muss immer unter den Bruchstrich!

Einsatz von Screening-Verfahren Die gesundheitsfördernde Maßnahme der Screening-Tests liefert zwar in sehr frühen Stadien Ergebnisse, die Tests sind aber oft ungenau. Ihr Ergebnis muss immer mittels einer späteren ausführlicheren Diagnostik überprüft werden. Wichtige . Abb. 3.1. Vier-Felder-Tafel zur Veranschaulichung der möglichen Übereinstimmungen und Abweichungen zwischen Screening-Test und Diagnoseverfahren sowie von Sensitivität, Spezifität, positivem und negativem Prädiktionswert

Screening-Test + Diagnoseverfahren

+

–

–

A:

B:

A + B:

A/(A + B):

Korrekte Zuweisung

Falsch Negative

Tatsächlich Erkrankte

Sensitivität

C:

D:

C + D:

D/(C + D):

Falsch Positive

Korrekte Zurückweisung

Tatsächlich Gesunde

Spezifität

A + C:

B + D:

Vermeintlich Erkrankte

Vermeintlich Gesunde

A/(A + C):

D/(B + D):

Positiver Prädiktionswert

Negativer Prädiktionswert

105 3.2 · Maßnahmen

Ethische und ökonomische Probleme der Prävention Prävention geht immer von Wahrscheinlichkeiten aus, die mehr oder weniger zutreffen können (z. B. können auch Nichtraucher Lungenkrebs bekommen). Schwierig ist auch der Umgang mit präventiver Medikation: Kann eine Medikamenteneinnahme bei Gesunden vertreten werden bzw. unter welchen Umständen? Ferner gibt es in vielen Bereichen einen großen Entwicklungsbedarf präventiver Maßnahmen im Gesundheitswesen.

3.2.2 Verhaltensänderung Verhaltenstherapeutische Ansätze sind zentrale Themen bei der Umsetzung von Prävention. Hierzu zählen neben operanten Lernprogrammen und Selbstsicherheitstrainings (7 Kap. 2.4.3): 4 Beim Stressbewältigungstraining geht es um die Erarbeitung von Stressmanagementstrategien in Gruppen, Aufzeigen des Zusammenhangs von körperlichen und psychischen Beschwerden sowie Einsatz von Entspannungstechniken, kognitiver Umstrukturierung, körperlicher Bewegung und Problemlösetrainings. 4 Problemlösetraining: Hier wird systematisches Vorgehen bei der Bewältigung von Problemen vermittelt sowie Selbstbewustsein und positive Kontrollüberzeugungen gestärkt. KLINIK Die Gruppentherapie (z. B. Schulungen für Diabetiker) kann sich den Einfluss gruppendynamischer Prozesse zunutze machen: Durch die gleichzeitige Behandlung mehrerer Patienten kann der Einzelne von Faktoren wie ModellLernen und sozialer Unterstützung profitieren. Ferner wird die Behandlungsmotivation in der Gruppe gestärkt.

Die Rolle der Ärzteschaft ist bezüglich der Verhaltensänderung oftmals noch unzureichend. Sie kommt mehr zum Tragen, wenn eine Kooperation mit anderen Gesundheitsberufen stattfindet.

3

3.2.3 Rehabilitation, Soziotherapie,

Selbsthilfe und Pflege Es gibt verschiedene Arten der Rehabilitation: 4 Medizinische Rehabilitation: Sie soll einen Gesundheitsschaden beseitigen oder mildern, findet auch für Menschen statt, die nicht oder nicht mehr im Erwerbsleben stehen vorhanden (z. B. Kinder, Rentner), findet meist stationär in Kliniken statt und wird durch die Krankenkassen bzw. Rentenkassen finanziert. Ambulante medizinische Reha-Maßnahmen nehmen zu. 4 Mittels der Schulischen Rehabilitation sollen chronisch kranke bzw. behinderte Kinder und Jugendliche die bestmögliche Schulbildung erreichen. 4 Berufliche Rehabilitation hat zum Grundprinzip: »Rehabilitation vor Rente«. Sie unterstützt und ermöglicht die Eingliederung ins Arbeitsund Berufsleben, z. B. durch Umschulungen. 4 Soziale Rehabilitation umfasst alle Leistungen zur Teilnahme am Leben in der Gemeinschaft (z. B. Haushaltshilfe). Rehabilitationskonzepte beziehen sich auf die konkrete Umsetzung von Rehabilitation. Das Konzept der gemeindenahen Versorgung ist eine notwendige Voraussetzung für die soziale Eingliederung in Arbeit, Beruf und Alltag (z. B. Wohngruppen bei psychisch Kranken). In kommunalen Gesundheits- und Pflegekonferenzen werden Fragen der gesundheitlichen Versorgung auf örtlicher Ebene beraten und die gemeindenahe Versorgung durch VertreterInnen aller Einrichtungen koordiniert. Rehabilitationseinrichtungen sind stationäre Einrichtungen, in denen Patienten untergebracht und verpflegt werden können und geschultes Personal nach einem ärztlichem Behandlungsplan unter Anwendung verschiedener Mittel (Krankengymnastik, Bewegungstherapie, etc.) hilft, die Folgen von Erkrankungen zu mildern. Beratungsangebote an chronisch Kranke stellen Aufgaben für niedergelassene Ärzte und öffentlichen Gesundheitsdienst dar. Der Weg geht bei chronischen Erkrankungen weg vom traditionellen, sequenziellen Modell (Gesundheitsförderung – Prävention – Kuration – Rehabilitation – Pflege) hin zu

Med. Psychologie/ Soziologie

106

Kapitel 3 · Förderung und Erhalt von Gesundheit

einer Verzahnung in Organisation und Versorgung, wobei dem niedergelassenen Arzt die zentrale Rolle der Koordination von Maßnahmen zukommt. Der öffentliche Gesundheitsdienst nimmt eine beratende und unterstützende Rolle ein. Selbsthilfegruppen und -einrichtungen bieten Gelegenheit zum Modell-Lernen und soziale Unterstützung. Ferner helfen sie therapeutische Angebote zu sondieren: Die Mitglieder bringen ihre therapeutischen Erfahrungen ein, geben Empfehlungen weiter, etc.. Es gibt: 4 Informelle Selbsthilfegruppen: Hier schließen sich Menschen mit gemeinsamen Problemen auf freiwilliger Basis lose zusammen. 4 Formelle Selbsthilfegruppen: Hier liegt ein höherer Organisationsgrad vor (sowohl auf Bundes- als auch auf Landesebene) (z. B. Anonyme Alkoholiker); oft werden therapeutische Angebote gemacht bzw. bei der Suche nach solchen ganz gezielt geholfen. Wichtiges Grundwissen über die Erkrankung bzw. Expertenwissen wird systematisch vermittelt und weitergegeben. KLINIK Die Mitwirkung von Patientenvertretern im Gesundheitswesen zeigt sich z. B. im gemeinsamen Bundesausschuss von Ärzten und Krankenkassen, der die Einzelheiten der medizinischen Versorgung diskutiert. Hierhin werden von Organisationen, welche Patienteninteressen vertreten, sachkundige Personen entsandt, von denen mindestens die Hälfte selbst Betroffene sein müssen; sie besitzen jedoch kein Stimmrecht im Bundesausschuss. Lokale Patientennetze (Zusammenschlüsse bürgerlich organisierter Gruppen) stellen ferner eine wichtige Ergänzung zu den kommunalen Gesundheitskonferenzen dar.

Die Pflegeversicherung ist seit dem Pflegeversicherungsgesetz (Sozialgesetzbuch SGB XI) gesetzlich vorgeschrieben. Träger sind die an die Krankenkassen angegliederten Pflegekassen. Sie übernehmen die Leistungen in unterschiedlichen Pflegeeinrichtungen (ambulante, stationäre Pflege), die sich auf Hilfe bei der Körperpflege, Ernährung und der Mobilität beziehen. Man unterscheidet:

4 Ambulante Pflege: Pflegebedürftige werden in ihrer Wohnung von ausgebildeten Fachkräften gepflegt und hauswirtschaftlich versorgt. Die ambulanten Pflegedienste sind dabei selbstständig wirtschaftend. Es gibt privat-gemeinnützige (hierunter fallen auch kirchliche) und öffentlichstaatliche Träger. 4 Stationäre Pflege: Pflegebedürftige werden in entsprechenden stationären Einrichtungen ganztags gepflegt und versorgt. 4 Hospiz (7 Kap. 2.5.8): Diese Art der Versorgung wird meist ambulant ausgeübt, es gibt jedoch auch stationäre Hospizeinrichtungen bzw. Hospiz kann genauso in Kliniken und Heimen geschehen. Hospizarbeit wird in der Regel von ehrenamtlichen Kräften durchgeführt. Spitzenverbände der Krankenkassen haben mit Hospizorganisationen Vereinbarungen zur Förderung der Hospizarbeit durch Zuschüsse getroffen. Die Beurteilung der Pflegebedürftigkeit geschieht durch Begutachtung vom Medizinischen Dienst der Krankenkassen (MDK) in Form von Pflegestufen: 4 Pflegestufe I: Personen, die mindestens 90 min täglich bei wenigstens 2 Verrichtungen aus dem körperbezogenen Bereich (Körperpflege, Ernährung oder Mobilität) sowie mehrfach in der Woche Hilfe bei der hauswirtschaftlichen Versorgung benötigen. Auf die Grundpflege müssen dabei insgesamt mehr als 45 min entfallen. 4 Pflegestufe II: Personen, die mindestens 180 min bzw. dreimal täglich zu verschiedenen Tageszeiten Hilfe im körperbezogenen Bereich sowie zusätzlich mehrfach Hilfe bei der hauswirtschaftlichen Versorgung benötigen. Der Gesamtaufwand muss mindestens 3 h täglich betragen, mindestens 2 h müssen auf die Grundpflege entfallen. 4 Pflegestufe III: Personen, die mindestens 300 min bzw. täglich rund um die Uhr, auch nachts, Hilfe im körperbezogenen Bereich sowie zusätzlich mehrfach Hilfe bei der hauswirtschaftlichen Versorgung benötigen. Der Gesamtaufwand muss mindestens 5 h täglich betragen, auf die Grundpflege müssen dabei mindestens 4 h entfallen.

107 3.2 · Maßnahmen

3

KLINIK Psychosoziale Belastungen der Pflege sind bei Angehörigen und bei Professionellen festzustellen. In Deutschland findet der größte Teil der Pflege in der Familie, meist durch die Frauen statt. Die zusätzliche Belastung zu Haushalt, Kinder und Beruf, mangelnde Anerkennung und Unterstützung durch die Familie, fehlende pflegerische Kenntnisse sowie psychische Spannungen zwischen pflegender und gepflegter Person können zu drastischen körperlichen und psychischen Symptomen führen und das Familienklima massiv

4 Personen der Pflegestufe III können in besonderen Fällen als »Härtefälle« anerkannt werden. 4 Pflegestufe O: Personen, die weniger als 90 min täglich oder nur Hilfe in der hauswirtschaftlichen Versorgung benötigen, gelten als nicht oder nur geringfügig pflegebedürftig.

beeinträchtigen. Es fehlt an Konzepten der Unterstützung, Entlastung und Gratifikation privater Pflege. Ursachen für Belastungen professioneller Pflegepersonen liegen überwiegend in schlechten Arbeitsbedingungen (hoher Dokumentations- und Verwaltungsaufwand, Personalabbau, Zunahme der Schwerstpflegebedürftigen, zu niedrige Personalschlüssel, zu niedrige Einstufungen der Pflegeklassen, mangelnde soziale Anerkennung des Pflegeberufs, mangelnde finanzielle Gratifikationen, etc.).

Die Zuordnung zu den Pflegestufen geschieht häufig unter einem erheblichen Zeitdruck, worunter letztendlich die Pflegequalität leidet. Zudem wird der große Zusatzaufwand in der Pflege von Dementen oder psychisch Kranken nicht ausreichend berücksichtigt. Die letztendliche Entscheidung bei der Einstufung trifft nicht der MDK, sondern die Pflegekasse.

Fallbeispiel Fall und Hintergründe: Die Initiative »Babyfreundliches Krankenhaus« der Weltgesundheitsorganisation (WHO) und des Kinderhilfswerks der Vereinten Nationen (Unicef ) ist eine Maßnahme der Gesundheitsförderung. Die Rahmenbedingungen für das Stillen sollen verbessert und Mütter so zum Stillen ermutigt werden. Der Hintergrund der Initiative ist in folgenden Punkten zu sehen: 5 jährlich sterben ca. 1,5 Mio Kinder weltweit an Krankheiten, die durch regelmäßiges Stillen vermieden werden könnten, 5 weiteren Millionen von Kindern würde Stillen eine gesunde Entwicklung ermöglichen, 5 Stillen bringt auch gesundheitliche Vorteile für die Mutter (Senkung des Brustkrebsrisikos, schnellere Rückbildung der Gebärmutter), 5 Stillen stärkt die Mutter-Kind-Bindung (z. B. durch Körperkontakt, Oxytocinausschüttung etc.). 5 In unserer Gesellschaft hat Stillen jedoch seinen Stellenwert verloren; um dem entgegen 6

zu wirken, nehmen medizinisches Fachpersonal und Geburtskliniken eine Schlüsselrolle bei der Stillförderung ein. Einer von 10 Punkten, die ein Krankenhaus erfüllen muss, um die Auszeichnung »Babyfreundliches Krankenhaus« zu erhalten, ist die Förderung der Entstehung von Stillgruppen. In Stillgruppen kommt (wie bei Gruppentherapien) der Einfluss gruppendynamischer Prozesse zum Tragen: Modell-Lernen, soziale Unterstützung und Motivationsförderung. Die Initiative »Babyfreundliches Krankenhaus« ist also bemüht, den Risikofaktor des Nicht-Stillens gar nicht erst entstehen zu lassen (so genannte »primordiale Prävention«). Der Prävention kommt sowohl medizin-ethisch, als auch gesundheitsökonomisch eine große Bedeutung zu. Dies wird auch am vorliegenden Beispiel deutlich, denn gemäß der Initiative »Babyfreundliches Krankenhaus« reduziert Stillen das Risiko des plötzlichen Kindstodes um 20–50%, d. h. nichtgestillte Kinder sind einer

Med. Psychologie/ Soziologie

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Kapitel 3 · Förderung und Erhalt von Gesundheit

50–80% höheren Wahrscheinlichkeit als gestillte Kinder dem plötzlichen Kindstod (Sudden Infant Death Syndrome, SIDS) ausgesetzt. Das Stillen nimm auch als salutogenetischer Perspektive eine wichtige Rolle ein, da die Resilienz der Kinder durch eine stabile emotionale Basis gefördert wird. Aus diesem Grund wurde die ursprünglich »Stillfreundliches Krankenhaus«

genannte Initiative am 1. März 2006 in »Babyfreundliches Krankenhaus« umbenannt. Sie gleicht sich damit der internationalen »Babyfriendly Hospital Initiative« von WHO und Unicef an. Ausländische Studien belegen, dass das babyfreundliche Betreuungskonzept die Mutter-Kind-Bindung stärkt und Vernachlässigung vorbeugt.

109

Weiterführende Literatur Amelang M, Bartussek D (1994) Differentielle Psychologie und Persönlichkeitsforschung, 3. Aufl. Kohlhammer, Stuttgart, Berlin, Köln Antonovsky A (1997) Salutogenese. dgvt-Verlag, Tübingen Baltes PB, Baltes MM (1989) Optimierung durch Selektion und Kompensation: Ein psychologisches Modell erfolgreichen Alterns. Zeitschrift für Pädagogik 35: 85–105 Baxter LR, Schwartz JM, Bergman KS, et al (1992) Caudate Glucose Metabolic Rate Changes With Both Drug and Behavior Therapy for Obsessive-Compulsive Disorder. Archives of General Psychiatry 49: 681–689 Benesch H (1997) dtv-Atlas Psychologie, Band 1, 6. Auflage. Deutscher Taschenbuch Verlag, München Benesch H (1997) dtv-Atlas Psychologie, Band 2, 5. Auflage. Deutscher Taschenbuch Verlag, München Bortz J (2005. Statistik für Human- und Sozialwissenschaftler, 6., vollständig überarbeitete und aktualisierte Auflage, Springer, Berlin, Heidelberg, New York Buser K, Schneller T, Wildgrube K (2003) Kurzlehrbuch Medizinische Psychologie und Soziologie, 5. Aufl., Urban u. Fischer, München, Jena Davison GC, Neale JM, Hautzinger M (2002). Klinische Psychologie, 6., vollständig überarbeitete Auflage, Beltz, Psychologie Verlags Union, Weinheim Deutsches Institut für Medizinische Dokumentation und Information, DIMDI (Hrsg.) (2000). Internationale statistische Klassifikation der Krankheiten und verwandter Gesundheitsprobleme, ICD-10, Band 2 und 3, 2. Aufl., Verlag Hans Huber, Bern, Göttingen, Toronto, Seattle Deutsches Institut für Medizinische Dokumentation und Information, DIMDI (Hrsg.) (2001). Internationale statistische Klassifikation der Krankheiten und verwandter Gesundheitsprobleme, ICD-10, Band 1, 2. Aufl., Verlag Hans Huber, Bern, Göttingen, Toronto, Seattle Ekman P, Friesen WV (1978). Facial action coding system: A technique for the measurement of facial movement. Consulting Psychologists Press, Palo Alto, CA Freud A (1978) Das Ich und die Abwehrmechanismen, 11. Aufl., Kindler, München Fröhlich WD (1968) Wörterbuch zur Psychologie. Deutscher Taschenbuch Verlag, München Fuchs W, Klima R, Lautman R, Rammstedt O, Wienold H (1978). Lexikon zur Soziologie, 2., verbesserte und erweiterte Aufl., Westdeutscher Verlag, Opladen Hand I, Büttner-Westphal H (1991) Die Yale-Brown Obsessive Compulsive Scale (Y-BOCS): Ein halbstrukturiertes Interview zur Beurteilung des Schweregrades von Denkund Handlungszwängen. Verhaltenstherapie, 1: 223– 225 Heim E, Augustiny K-F, Blaser A (1983). Krankheitsbewältigung (Coping) – ein integriertes Mdell. Psychtherapie und Medizinische Psychologie, 33: 35–40

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Med. Psychologie/ Soziologie

110

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Biologie M. Witt

1

Allgemeine Zellbiologie, Zellteilung und Zelltod – 112

2

Genetik

3

Grundlagen der Mikrobiologie und Ökologie – 138

– 126

Biologie

113

1 Allgemeine Zellbiologie, Zellteilung und Zelltod Mind Map Nach Virchow ist die Zelle als Ausgangspunkt allen Lebens die kleinste organisatorisch selbstständige Einheit des Körpers (cum grano salis). Man sollte jedoch ihre Autonomie nicht überschätzen, denn sie ist eingebunden in ein sorgsam austariertes Gleichgewicht mit anderen Zellen, zu denen sie mit zahlreichen Kommunikationsmitteln Kontakt hält. Ihr Charakter ist dualer Natur; einerseits muss sie an sich selbst denken, Strukturproteine herstellen und für Nachkommen sorgen. Andererseits ist sie Teil des Räderwerks, das das System am Laufen hält. Die Zeit und Energie, die sie für Nachwuchs und sich selbst verwendet, geht von der Zeit ab, die sie dem

Gesamtorganismus dient. Normalerweise ist diese Art Taktung durch Regulationsmechanismen vorgeschrieben. Sinn der normalen Proliferation ist die Staffelübergabe an jüngere Kandidaten, da das Leben der Zellen gewebsspezifisch begrenzt ist. Der regulierte Todesfall ist die Apoptose, der »plötzliche Herztod« der Zelle die Nekrose. Im Extremfall können sich jedoch Zellpopulationen aus dem Gesamtverband lösen und unabhängig von anderen Geweben »Unsinn« treiben und die Taktung zugunsten kaum geregelter Proliferation aufgeben, wie es z. B. Tumorzellen tun.

1

114

Kapitel 1 · Allgemeine Zellbiologie, Zellteilung und Zelltod

1.1

Zellbegriff und zelluläre Strukturelemente

Biologie

Die Zelle gilt (neben den Mitochondrien) als kleinste organisatorische Einheit, die in der Lage ist, sich selbst zu reproduzieren. Organismen können in 2 unterschiedliche Zellformen eingeteilt werden: 4 Prokaryonten und 4 Eukaryonten. Die Prokaryonten besitzen keinen Zellkern. Sie sind zwar stammesgeschichtlich älter, dies macht sie jedoch nicht weniger primitiv: ihre Parademitglieder, Bakterien, sind sehr hartnäckig und erfolgreich, und auch dies beruht zu einem guten Teil auf angepasstes Verhalten in ihren jeweiligen Umgebungen. Ihr Durchmesser beträgt etwa 1–10 μm. Bakterien verhalten sich hinsichtlich ihrer Teilungsfähigkeit, des DNA-Gehalts ähnlich wie Mitochondrien. Diese Ähnlichkeit gibt die Endosymbiontentheorie wieder, wonach Mitochondrien phagozytierten und gezähmten Bakterien entsprechen. Die Eukaryonten besitzen einen echten membranumschlossenen Zellkern. Zu ihnen gehören alle höheren mehrzelligen Organisationsformen, Pflanzen und Pilze. Die Zellen haben einen Durchmesser von 8–150 μm. Die eukaryontischen Zellen gehen grundsätzlich aus undifferenzierten Zellen hervor, die sich nach zahlreichen Teilungsvorgängen differenzieren. Zwar ist jede Zelle unabhängig von benachbarten Individuen; dies wird allerdings durch einen ausgeprägten Kommunikationsapparat (z. B. direkte Zellverbindungen, Adhäsionsmoleküle oder hormonartige Substanzen) eingeschränkt. Jedoch gibt es auch große Zellverbände, deren Zellen sich durch Verschmelzung (Synzytium) spezialisieren. Beispiele sind Skelettmuskelzellen oder der Synzytiotrophoblast der Plazenta. Dessen ungeachtet spezialisieren sich fast alle einkernigen Zellen innerhalb ihrer Organsysteme. Ihre Größen und Formen sind außerordentlich variabel. Zu den größten Zellen zählt die Skelettmuskelfaser (GK Physiologie, 7 Kap. 13), die bis 50 cm (Zentimeter!) lang werden kann, aber Tausende von Kernen enthalten muss, um zu überleben. Auch Nervenzellen zählen mit bis zu 100 μm großen Zellleibern und bis 50 cm langen Fortsätzen zu den Elefanten unter den Zellen. »O815-Zellen« sind meist Drüsenzellen mit Durchmessern um die 20 μm (z. B. Hepatozyten). Zu den kleineren, aber feineren gehört das rote Blutkörperchen (Erythrozyt), das seinen Kern herausgeworfen und sich ganz auf die Sauerstoffbindung spezialisiert hat.

Die Zelle als Fabrik Man kann die eukaryontische Zelle vergleichen mit einer großen Fabrik, z. B. einer Autofabrik. Der Chef und Aufsichtsrat, Streikkomitee etc, sitzen im Zellkern (Nucleus) und entscheiden über Wohl und Wehe der Firma. Produktionsentscheidungen werden über e-mails oder Boten (messenger-RNA) ans Fließband in der Werkhalle adressiert und herausgegeben. An den Fließbändern (Ribosomen des rauen endoplasmatischen Retikulums) werden diese Entscheidungen umgesetzt (Translation), und es entsteht erst einmal die grobe Karosserie (Proteine), die dann in anderen Bereichen mit allem möglichen Zusatzbehör (Reifen, Motor, Kurbelwelle) ergänzt wird. In der Zelle entspricht dies dem Golgi-Apparat bzw. dem glatten endoplasmatischen Retikulum, in der Glykosylierung und Lipoproteinsynthese stattfinden (. Abb. 1.1). Das fertige Auto wird dann aus dem Werksgelände herausgefahren, wobei bestimmte Tore geöffnet werden müssen (Carrier, Exozytose). Die Energie für den Produktionsablauf wird über lokale Kraftwerke (Mitochondrien) umgesetzt. Gängige konvertible Währung ist der Bio-Dollar (ATP). Müll und Abfallprodukte werden zum Teil in internen, gut isolierten Müllcontainern zwischengelagert und verkleinert (Lysosomen), zum

. Abb. 1.1. Schema einer polarisierten Zelle (Epithelzelle). D: Desmosom mit einstrahlenden Intermediärfilamenten; E: Endozytose; F: Filamente; G: Glykogengranula; GO: GolgiApparat; K: Zellkern; L: Lipidtröpfchen; Ly: Lysosom; Mi: Mitochondrien; MiT: Mikrotubuli; MuK: Multivesikulärkörper; MV: Mikrovilli; Nu: Nucleolus; PO: Peroxisomen; RER: raues endoplasmatisches Retikulum; SG: Sekretgranula; V: Vakuole; C: Centriol. (Schiebler 1997)

1

115 1.6 · Endoplasmatisches Retikulum (GK Biochemie)

Teil ausgeschleust (Exozytose) und zum Teil recycelt. Es wird Dosenpfand erhoben. Wenn die Firma pleite macht, platzen die Müllcontainer, und es verbreitet sich ein unangenehmer Duft. Im Folgenden werden einige Zellorganellen nicht weiter besprochen, da dies in den Kapiteln der Biochemie erfolgt. 1.2

Plasmamembran

GK Biochemie, 7 Kap. 6.3. 1.3

Zellkern

GK Biochemie, 7 Kap. 6.4. 1.4

Cytoplasma, Cytosol

nellen liegen sie entweder in freier Form im Cytoplasma vor, oder sie sind an das endoplasmatische Retikulum gebunden. Die Untereinheiten eines Ribosoms bestehen aus einer 40S- und einer 60S-Untereinheit (S wie Svedberg). Beide Einheiten zusammen ergeben nach Bindung an mRNA die 80S-Partikel. Die Svedberg-Einheiten verhalten sich als Maßgaben für die Sedimentationsgeschwindigkeit nicht additiv. Beide Einheiten nehmen den ankommenden mRNA-Strang in die Zange und bilden einen Initiationskomplex, der die Translation, d. h. die Umsetzung des Nucleotid-Codes in eine Aminosäuresequenz einleitet. Um Zeit zu sparen, können mehrere Ribosomen gleichzeitig mehrere Ketten eines künftigen (Poly)peptids zusammensetzen. Diese Komplexe bezeichnet man als Polysomen. 1.6

Endoplasmatisches Retikulum (GK Biochemie, 7 Kap. 6.8)

GK Biochemie, 7 Kap. 6. 1.5

Ribosomen

An den Ribosomen findet die Proteinsynthese statt (. Abb. 1.2). Als nicht membranumschlossene Orga. Abb. 1.2. Endoplasmatisches Retikulum und Ribosomen. Raue Form in Gestalt von abgeplatteten Membransäcken. Sie stehen untereinander und mit der Kernhülle in kontinuierlicher Verbindung. Glattes endoplasmatisches Retikulum in Gestalt von gewundenen, verzweigten Tubuli. Oben: 3 Ribosomen, aufgebaut aus 2 Untereinheiten und verbunden durch den »Faden« der m-RNA. Anlagerung an die Membran des endoplasmatischen Retikulums während der Proteinsynthese und Abgabe eines Proteinmakromoleküls (blau) in den Raum des endoplasmatischen Retikulums. (Schiebler 1997)

1.6.1 Definition Das endoplasmatische Retikulum (ER) ist ein membrangebundenes netzförmiges Schlauch-System, das man in ein raues (mit Ribosomen besetztes) ER und ein glattes ER unterteilen kann.

40s

60s

116

Kapitel 1 · Allgemeine Zellbiologie, Zellteilung und Zelltod

1.6.2 Raues Endoplasmatisches Retikulum

Biologie

Das rER ist der Ort der Synthese von sekretorischen, lysosomalen und Membranproteinen; zudem werden Kommunikationspeptide (Signalpeptide, Signalerkennungspartikel und Signalerkennungspartikel-Rezeptor) hergestellt. Auch einfache Modifikationen der Proteine, z. B. N-Glykosylierung, Hydroxylierung und Disulfidbrückenbildung werden hier vorgenommen. Das rER dient auch als Speicherreservoir für Zellprodukte. 1.6.3 Glattes Endoplasmatisches

Retikulum Das glatte ER (sER) ist der Syntheseort der Membranphospholipide, der Steroidhormone, der Biotransformation der Xenobiotika (d. h. Detoxifizierung, aber auch »Toxifizierung«, z. B. mit Cytochrom P-450), der Gluconeogenese und der Speicherung von Ca2+.

gebundener Substanzen erfolgt über eine Fusion sekretorischer Vesikel mit der Plasmamembran. Dieser Mechanismus wird auch verwendet, um Teile der Plasmamembran zu erneuern. 1.9

Endozytose (GK Physiologie, 7 Kap. 1.2.2)

1.9.1 Intrazelluläre Aufnahme von Stoffen

durch Plasmamembranvesikel Als Endozytose im weiteren Sinne bezeichnet man die Aufnahme von Stoffen durch Vesikel, die sich von der Plasmamembran abschnüren. Man kann weiter differenzieren in 4 Pinozytose und 4 Phagozytose. 1.9.2 Rezeptor-vermittelte (spezifische)

Endozytose 1.7

Golgi-Komplex (Golgi-Apparat) (GK Biochemie 7 Kap. 6.9)

Der Golgi-Apparat ist ein meist kappenförmig über dem Zellkern liegender, weitmaschiger Zisternenraum, der polar organisiert ist.

Die Rezeptor-vermittelte Endozytose wird dadurch eingeleitet, dass sich an der zytoplasmatischen Seite der Plasmamembran das Hüllprotein Clathrin anlagert. Aus diesem Abschnitt (coated pit) entsteht dann ein flüssigkeitsgefülltes Bläschen (coated vesicle). Clathrin löst sich bald wieder von der Vesikelmembran ab (. Abb. 1.3a–h). Das noch membranumschlossene einverleibte Material wird als Phagosom oder Endosom bezeichnet.

1.7.2 Cis-, Mittel- und Trans-Cisternen

1.9.3 Pinozytose (unspezifische Endo-

1.7.1 Stapel (Diktyosomen) von flachen

Zisternen (Sacculi) und peripheren Vesikeln

zytose) für lösliche Stoffe Die polare Organisation zeigt sich in einem Cis- und Trans-Golgi-Netzwerk. Die cis-Seite ist dem ER, bzw. dem Zellkern zugewandt, die trans-Seite zellkernfern: hier werden die fertigen Moleküle in Vesikel abgeschnürt und ggf. zur Plasmamembran verfrachtet. Der Golgi-Apparat ist der Ort der posttranslationalen Modifikation und Sortierung der Proteine wie O-Glykosylierung, Sulfatierung und Abspaltung von Polypeptidketten (z. B. Insulin). Hier werden Glykolipide und Polysaccharide konstruiert. 1.8

Exozytose (GK Physiologie 7 Kap. 1.2.2)

Der Sinn zellulärer Bemühungen liegt u. a. im Export ihrer Produkte in den Extrazellulärraum. Die Abgabe

Pinozytose nennt man die Einschleusung kleinster, flüssiger Substrate, die keinen Rezeptor benötigen. 1.9.4 Endosom (Endozytose-Vesikel)

mit frühen und späten Formen Das inkorporierte vesikuläre Material (Endosom; Phagosom) wird entweder im Zytoplasma freigesetzt oder aber geht durch Verschmelzung der Vesikelmembran mit der Membran von Lysosomen in ein Phagolysosom über (7 Kap. 1.9.7).

117 1.10 · Lysosomen

a

b

c

d

e

f

g

h

1

. Abb. 1.3a–h. Formen der Stoffaufnahme, -verarbeitung und -abgabe. Diffusion (a); Aufnahme mechanismus durch Endozytose, Abgabe durch Exozytose (b–d): Phagozytose (b), Pinozytose (c), Transzytose (d). Bei der Phagozytose werden korpukuläre Elemente aufgenommen und von den Enzymen der Lysosomen (Ly) abgebaut. Die niedermolekularen Spaltprodukte diffundieren aus dem Heterophagolysosom in das Grundplasma (dünne Pfeile). Evtl. bleibt ein Restkörper (R), der durch Exozytose eliminiert wird. Grubdsätzlich gleich ist der Mechanismus bei der Pinozytose. Aufgenommen werden

hierbei Flüssigkeiten (c). Bei der Transzytose (d) erfolgt nach der Aufnahme durch Pinozytose ein Durchschleusmechanismus ohne merkliche Veränderung des Inhalts. Vorgänge bei der rezeptormediierten Mikropinozytose im molekularen Bereich (e–h): Initialstadium: Liganden haben sich an die Rezeptoren gebunden. Durch Anlagerung von Clathrin hat sich ein »coated pit« gebildet (e). Ablösung von der Plasmamembran (f); ein »coated vesicle« ist entstanden (g); die Clathrinmoleküle lösen sich von seiner Oberfläche und kehren zur Plasmamembran zurück (h). (Schiebler 1997)

1.9.5 Phagozytose (Partikel)

1.10

Zur Phagozytose sind besonders spezialisierte Zellen in der Lage. Fresszellen bilden Ausläufer (Filopodien), mit denen sie das Objekt der Begierde ausloten und angreifen. Heterophagosomen sind membranumschlossene Vesikelinhalte, die in der Zelle ein ungewisses Schicksal erwartet (7 Kap. 1.10.2).

1.10.1 Eigenschaften

1.9.6 Transzytose und Caveolae

(mit Caveolin) Eine Sonderform der Stoffaufnahme ist die Transzytose. Hier werden Vesikelinhalte ohne weitere Veränderung im Transitverkehr durch die Zelle hindurchgewinkt. Caveolae sind kleine (50–100 nm) PlasmamembranInvaginationen, die mit dem Membranprotein Caveolin ausgestattet sind. Sie können die Endozytose (bei einigen Viren und Bakterientoxinen) bzw. die Transzytose (z. B. bei Rezeptor-vermitteltem Albumintransport) einleiten.

Lysosomen

Lysosomen sind rund bis oval und kommen in allen Zellen (außer Erythrozyten) vor. Sie werden bis zu 1 μm groß. Ihre Doppelmembran ist besonders solide (mit einer Art Glykocalix versehen), die sie vor dem chemisch aggressiven Inhalt schützt. Im Lysosom herrscht eine hohe Protonenkonzentration (pH 4,5–5). Die zahlreichen sauren Hydrolasen beherrschen die Kunst des Zerstörens von Proteinen, Lipiden, Glykogen, Glykosaminoglycanen, Oligosacchariden etc. Die lysosomalen Enzyme werden vom GolgiNetzwerk abgeschnürt. Dies geschieht durch einen spezifischen Rezeptor, der den Mannose-6-Phosphatrest der Enzyme erkennt und bindet. Diese Reste werden dann zu einer späten Reifeform der Endosomen geleitet, vom Rezeptor getrennt und in das Lysosom transportiert. 1.10.2 Heterophagie, Phagosom Die lysosomale Aktivität ist wichtig bei der Abwehr von Infektionen durch Mikroorganismen. Hierbei werden

118

Kapitel 1 · Allgemeine Zellbiologie, Zellteilung und Zelltod

Biologie

. Abb. 1.4. Schematische Darstellung des GERL-Komplexes (GolgiApparat-Endoplasmatisches Retikulum-Lysosomen) und der Funktion der Lysosomen. (Schiebler 1997)

größere Partikel oder Zellen phagozytiert, die heterophagische Vakuolen (Phagosomen, Heterophagosomen) bilden (. Abb. 1.4). Wenn das »Opfer« durch Oberflächenmolekülen der Fresszelle erkannt und gebunden wird (Opsonisation), fusioniert das Phagosom mit prälysosomalen Organellen (Endosomen) oder Lysosomen und wird zum Phagolysosom. Wenn für den Wirt alles gut geht, wird der Gast verdaut. Allerdings können sich aufgenommene Bakterien auch als Phagosomen in ihren Wirtszellen vermehren, diese dann erdrücken und abtöten, um sich anschließend im Wirtsorganismus zu verbreiten (z. B. Legionellen-Pneumonie oder Tuberkulose). 1.10.3 Autophagie: Bedeutung bei der

Erneuerung von Zellstrukturen Unter Autophagozytose versteht man die Kapazität einer Zelle, gebrauchtes Material nicht einfach auszuspucken, sondern gezielt von noch intakten Strukturen zu sequestrieren, in Membranen zu verpacken und mit Lysosomen zu einem Autolysosom zu verschmelzen. Nach kurzer Zeit ist der »Mageninhalt« unkenntlich geworden und das Autolysosom nicht mehr als solches zu erkennen.

1.10.4 Telolysosomen (Residualkörper) Selbstverständlich schluckt bzw. produziert die Zelle so manches, womit selbst die härtesten Lysosomen nicht zurechtkommen. Beispiele für solche als Telolysosomen bezeichnete Relikte sind Lipofuscingranula, die mit recht heterogenem Material gefüllt sind und als pigmentartige Substanz lichtmikroskopisch sichtbar sind (Alterspigment). Auch Tusche, Kohle, Asbest sind unverdaulich. 1.10.5 Sekretion lysosomaler Enzyme Lysosomale Enzyme können auch sezerniert werden. Osteoklasten besitzen eine ganze Batterie lysosomaler Enzyme (z. B. Kathepsin K), mit denen sie die organische Matrix zerlegen. Spermien besitzen im Akrosom einen scharf gemachten Golgi-Apparat, der lysosomale Enzyme zur Auflösung der Zona pellucida der Eizelle entlässt (Akrosomreaktion). 1.11

Peroxisomen

Peroxisomen sind sphärische membranumgrenzte Organellen, die kristalline Einschlüsse in der Matrix (Urat-

119 1.13 · Zytoskelett

Oxidase) und an der Membran enthalten. Ihre Aufgabe besteht im Abbau komplexer Lipide wie Prostaglandine und Leukotriene. Näheres GK Biochemie 7 Kap. 3.3.2 und 7 Kap. 3.8.2. 1.12

Mitochondrien

Mitochondrien sind fadenförmige bis sphärische Organellen, die mit einer Doppelmembran versehen sind. Die innere Membran ist zur Oberflächenvergrößerung in Cristae oder Tubuli differenziert. An der Innenmembran liegen die Glieder der Atmungskette und der ATPSynthese. In der Matrix liegen die Helferchen des Citratzyklus und der Lipidoxidation. Näheres dazu GK Biochemie, 7 Kap. 3. Mitochondrien besitzen ein eigenes Genom mit doppelsträngiger zirkulärer DNA und Ribosomen (70S). Da die Spermien bei der Invasion der Eizelle ihre Mitochondrien nicht mitnehmen, enthalten alle Zellen nur mütterliche Mitochondrien. Dies spielt in der genetischen Ahnenforschung und in der Kriminalistik eine gewisse Rolle. 1.13

Zytoskelett

Das Zytoskelett ist ein dreidimensionales Netzwerk, das das gesamte Cytosol durchzieht. Es gliedert sich nach dem Durchmesser seiner Strukturen in 4 Mikrotubuli (25 nm), 4 Intermediärfilamente (10 nm) und 4 Aktin- oder Mikrofilamente (7 nm). 1.13.1 Mikrotubuli Mikrotubuli sind Zylinder aus Tubulin. Sie entstehen auf der Grundlage von Dimeren, die als gerichtete Moleküle mit einem schnell wachsenden Plus- und Minuspol polymerisieren. Der Minuspol ist dem Zentrosom im Zentrum der Zelle zugekehrt. Die Polymerisation befindet sich in einem ständigen Gleichgewicht von Anbau und Abbau.

Merke Colchicin, ein Alkaloid der Herbstzeitlose, bindet an Tubulin-Dimere und kann die Polymerisation verhindern. Somit werden die Zellen an der Teilung gehindert. Vinblastin ist ein weiteres Mitosegift, das Tubulinkomplexe präzipitiert.

Zilien und Geißeln Zilien und Geißeln sind komplexe Organellen, deren Hauptanteil Mikrotubuli darstellen. Organisationszentrum sind die im Zytoplasma gelegenen Basalkörper (Kinetosome). Sie bestehen aus Mikrotubuli in der Anordnung 9u3. Diese Tripletts bestehen aus 13 Protofilamenten und 2 unvollständigen Mikrotubuli (A-Tubulus und B-Tubulus). Alle 9 Tripletts sind miteinander verbunden. Zentriolen sind so aufgebaut wie Kinetosomen, sie liegen paarweise im rechten Winkel zueinander vor. Zilien sind dünne Ausläufer des Cytoplasmas, die von der Plasmamembran umgeben sind. Die Triplettanordnung wird in dem Zilienfortsatz als Duplett mit einem zentralen Mikrotubuluspaar weitergeführt (9u2+2-Struktur). Die Doppelringe sind durch Proteinbrücken (Nexin) miteinander verbunden. Jede A-Untereinheit der Mikrotubuli trägt ein Hakenpaar, das aus Dynein besteht. Dies ist für die Motilität der Zilien verantwortlich (. Abb. 1.5a–c). Vorkommen Zilien kommen in Flimmerepithelien vor (Respirationstrakt, Urogenitaltrakt, Eitransport), sie sind 5–10 μm lang. Im Respirationstrakt schlagen die Zilien larynxwärts, um Schleim und Fremdkörper dort effektiv abhusten zu können. Nicht bewegliche Zilien gibt es in sensorischen Epithelien (z. B. Riechepithel). Hier fehlen die Dyneinarme. Geißeln sind besonders lange Zilien. Sie kommen bei Säugern nur im Spermium vor. Die Bakteriengeißeln sind dagegen aus Flagellin aufgebaut. KLINIK

Spindelapparat Während der Prophase der Zellteilung (Mitose) polymerisieren zahlreiche Mikrotubuli. Sie kommen aus dem Mikrotubulus-Organisationszentrum (MTOC, Zentrosom), das häufig Zentriolen enthält. Die Spindelfasern ziehen entweder zur Äquatorialebene oder zu den Kinetochoren; diese sind Spindelansatzregionen jeder Chromatide.

1

Beim erblichen Kartagener-Syndrom fehlen die Dyneinarme der Zilien und Geißeln. Folge sind Unfruchtbarkeit und schwere Bronchialerkrankungen. Ein relativ häufiger Situs inversus spricht für die Bedeutung des Zilienschlags während der Frühentwicklung bei der richtigen Anordnung der Organe.

120

Kapitel 1 · Allgemeine Zellbiologie, Zellteilung und Zelltod

Biologie

. Abb. 1.5a–c. Oberflächendifferenzierung von Zellen. Oben: Mikrovilli (Darmepithel); lichtmikroskopische Dimension (a), elektronenmikroskopische Dimension (b), molekularer Aufbau (c). Unten: Zilien (respiratorisches Epithel); lichtmikroskopische Dimension (a), elektronenmikroskopische Dimension (b), molekularer Aufbau (c): C1 Zilie im Querschnitt, C2 Kinetosom im Querschnitt; blau Dyneinarme. (Schiebler 1997)

b c

a

b

a

121 1.14 · Zellzyklus und Zellteilung (Mitose)

1

1.13.4 Spectrin und Membranzytoskelett

Merke Aufgaben der Zilien und Geißeln: 5 Erhaltung der Zellform. 5 Polarität der Bewegung. 5 Organisator der Zelldemokratie: Gerechte Verteilung von Organellen und Makromolekülen.

1.13.2 Intermediärfilamente

Spectrin ist ein Zellmembran-assoziiertes Filament, das dem Aufbau nach Myosin ähnelt. Es wird besonders bei der Formgebung der Erythrozyten gebraucht. Ist es defekt, kommt es zur pathologischen Abkugelung der Zellen (Sphärozytose). Spectrin ist weiterhin mit dem transmembranösen Glykophorin verbunden, das aufgrund seiner zahlreichen Sialinsäurereste der Zelle eine negative Ladung gibt und so die Agglutination verhindert.

Intermediärfilamente haben einen Durchmesser zwischen dem von Mikrotubuli und Aktin (ca. 10–12 nm).

1.14

Zellzyklus und Zellteilung (Mitose)

KLINIK Als besonders heterogene, aber zelltypspezifische Gruppe werden Intermediärfilamente in der klinischen Praxis (z. B. Tumordiagnostik) oft als Kennfilament für die Herkunft von Zellen herangezogen (. Tab. 1.1).

Die nukleäre Lamina besteht ebenfalls aus Intermediärfilamenten, die sich innerhalb der inneren Kernmembran befinden.

1.14.1 Zellzyklus – Interphase Die Periode von einer Zellteilung zur nächsten heißt Zellzyklus. Dieser unterteilt sich in unterschiedlich lange Stadien: Mitosephase (Teilung von Zellleib und Zellkern) und Interphase (. Abb. 1.6). Diese besteht aus G1-, S- und G2-Phase. Die Dauer kann erheblich variieren; schnell proliferierende Zellen brauchen 12–24 h für einen Zyklus. Die Interphase ist generell wesentlich länger als die Mitosephase.

1.13.3 Aktinfilamentsystem Aktinfilamente sind die kleinsten Filamente (5–7 nm im Durchmesser). Zwei gewundene Stränge aus AktinMonomeren werden in ihrer Gesamtheit als Filamente bezeichnet. Aktin gibt es in allen Zellen, es spielt eine herausragende Rolle bei der Motilität der Zelle, aber auch bei der Signaltransduktion und bei Zellkontakten. Die besondere Interaktion mit Myosin ist in Muskelzellen zur Perfektion getrieben. Siehe hierzu GK Physiologie u. Biochemie.

. Tab. 1.1. Zelltypspezifische Klassen der Intermediärfilamente Muskelzellen

Desmin

Epithelzellen

Cytokeratin

Gliazellen

Glial fibrillary acidic protein (GFAP)

Nervenzellen

Neurofilamente

Mesenchym-Derivate

Vimentin (z. B. Endothelzellen, Fibroblasten)

. Abb. 1.6. Zellzyklus. Während der Interphase wächst die Zelle in der G1-Phase heran und bildet ihre charakteristischen Strukturen aus. Der Bestand der Zellorganellen wird wieder aufgebaut. Nach der präsynthetischen G1-Phase efolgt in der S-Phase die Reduplikation der DNA. Am Ende der G2-Phase schicken sich die Zellen zur Mitose (M-Phase) an. Eine G0-Phase weisen nur Zellen auf, die sich auf speziellen Reiz hin teilen. Die G0-Phase liegt im Nebenschluss. D: differenzielle Teilung. (Schiebler 1997)

Biologie

122

Kapitel 1 · Allgemeine Zellbiologie, Zellteilung und Zelltod

4 G1-Phase: Hier findet der zellspezifische Stoffwechsel statt, die Zelle hypertrophiert, Zellorganellen werden gebildet. Bei postmitotischen Zellen (Zellen, die sich nicht mehr teilen) geht es in den Seitenweg der G0-Phase. 5 Die S-Phase ist der Zeitraum zwischen den Zellteilungen, in der die Verdoppelung der DNA in jedem Chromosom stattfindet. Sinn der Übung ist letztendlich eine gerechte Aufteilung des genetischen Materials auf Tochterzellen, die in der Interphase vorbereitet wird. Schwesterchromatiden werden durch Cohesin bis zur Teilung zusammengehalten. Der Zeitraum bis zur Mitose (M-Phase) wird durch zwei Pausen (Lücken; Gaps) überbrückt. 5 G2-Phase: Hier werden Synthesefehler entlarvt und beseitigt. 1.14.2 Mitose und ihre Stadien In der Mitose werden die Schwesterchromatiden auseinander gerissen und auf die Tochterzellen verteilt. Sie werden sich nie wieder sehen. Die Mitose dauert rund 1 h und besteht aus 6 Phasen: Prophase, Prometaphase, Metaphase, Anaphase, Telophase und Zytokinese. Prophase. Die Zelle wird rund und die Chromosomen werden sichtbar. Histone werden phosphoryliert und die Zentrosomen teilen sich. Prometaphase. Depolymerisation des Kernlaminins und Abbau der Kernhülle, Bildung der Mitosespindel, Anheftung der Chromosomen an die Mikrotubuli der Spindel. Metaphase. Kondensierung der Chromosomen und Chromosomenanalyse, Entstehung der Metaphasenplatte. Anaphase. Die Chromatiden trennen sich. Die Kinetochor-Mikrotubuli verkürzen sich durch Depolymerisation am (+)-Ende. Die Chromatiden werden zu den Spindelpolen gezogen. Die Pol-Mikrotubuli verlängern sich durch Polymerisation und üben eine Schubkraft auf die Pole aus (durch Motorproteine). Telophase. Entspiralisierung der Chromatiden, Wiederaufbau der Kernhülle.

1.14.3 Zytokinese Die Zytokinese vervollständigt die Trennung der genetischen Informationen durch die äquale Teilung in 2 Tochterzellen. Die Teilungsfurche kommt durch einen kontraktilen Ring aus Aktin und Myosin zustande. Die Mikrotubuli depolymerisieren und tun so, als wäre nichts gewesen. Die Zellorganellen organisieren sich neu. KLINIK Die Telomerase-Theorie Telomere sind, vergleichbar den Plastikringen an den Enden von Schuhbändern, zu Beginn eines DNS-Strangs angebracht. Bei jeder Zellteilung verkürzen sich die Telomere, da sie nicht mitkopiert werden und damit verloren gehen. Dadurch verkürzen sich die Telomere so lange, bis die DNA angeknabbert wird. Die Zelle kann sich nicht mehr teilen und stirbt. Andererseits können sich DNA-Stränge unkontrolliert verbinden und Wucherungen einleiten. Das Enzym Telomerase ist in der Lage, vor der Replikation der DNA dem Strang einige Bausteine hinzuzufügen, die anstelle der Telomere bei der Zellteilung verloren gehen. Die Zellalterung könnte also aufgehalten werden. Natürlicherweise kommt Telomerase überwiegend in Krebszellen und Immunzellen vor, sodass sich bei ihrer Verwendung die Frage nach einem erhöhten Krebsrisiko stellt – warten wir also mit der Unsterblichkeit noch ein wenig.

1.14.4 Mitose-Index Der Mitose-Index gibt Auskunft über die Teilungsgeschwindigkeit von Zellen. Es wird die Anzahl von Mitosen in Prozent der Gesamtpopulation einer bestimmten Zellart angegeben. Dies kann die proliferative Aktivität eines Tumors beschreiben. 1.15

Meiose (Reifeteilung)

Die Meiose ist die Grundlage für die Reifung und Vermehrung der männlichen und weiblichen Keimzellen (Samenzellen und Eizellen). 1.15.1 Definition Da bei der Befruchtung ein männlicher und weiblicher Chromosomensatz zu einer diploiden Zelle zu-

123 1.15 · Meiose (Reifeteilung)

1

. Abb. 1.7. Reifeteilung, Meiose. Die beiden homologen Chromosomen (aus dem Satz ist hier nur ein Paar gezeichnet) sind schwarz und blau gekennzeichnet. Bei der Chiasmabildung ist zur Vereinfachung, im Gegensatz zum tatsächlichen Vorgang, nur eine Überkreuzung dargestellt. Einzelheiten zu den Begriffen im Text. (Schiebler 1997)

sammengeführt werden, muss der Chromosomensatz beider zunächst diploider Stammzellpartner um die Hälfte reduziert werden (Meiose I). Die Zelle ist diploid und hat ihre DNA verdoppelt (Präleptotän). Sie besitzt einen doppelten Chromosomensatz mit 4 Chromatiden pro Chromosomenpaar. Am Ende der 1. Reifeteilung stehen 2 Zellen mit einfachem Chromosomensatz, aber noch 2 Chromatiden pro Chromosom. In der 2. Reifeteilung (ähnlich einer Mitose) enstehen 4 Zellen mit einfachem Chromosomensatz und einer Chromatide pro Chromosom (. Abb. 1.7).

Merke Die Meiose hat folgende Ziele: Reduktion des diploiden Chromosomensatzes (2n) auf den haploiden Satz (n) und Rekombination des genetischen Materials.

1.15.2 Verlauf der 1. Reifeteilung Prophase I Die Prophase dauert bei der Spermatogenese 24 d. Die Eizellreifung beginnt in der Embryonalzeit, wird bis zur

Biologie

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Kapitel 1 · Allgemeine Zellbiologie, Zellteilung und Zelltod

Pubertät im Ruhestadium Diktyotän gestoppt und erst 13–50 Jahre später vollendet. 4 Leptotän: Beginn der Kondensation der Chromosomen, 4 Zygotän: Paarung der homologen Chromosomen; Bindung durch einen synaptonemalen Komplex. 4 Pachytän: Vollständige Paarung der Chromosomen. Überkreuzungen (Crossing-over) homologer Segmente der väterlichen und mütterlichen Chromatiden. Überkreuzte Segmente werden ausgetauscht: Rekombination. 4 Diplotän: Der synaptonemale Komplex verschwindet, beide getrennte Chromosomen sind sichtbar. Nur an den Überkreuzungsstellen hängen sie zusammen (Chiasmata). 4 Diakinese: Weitere Kondensierung der Chromosomen, Ablösung von der Kernmembran. Die Schwesterchromatiden haften im Zentromer, und die anderen Chromatiden hängen noch an den Chiasmata zusammen. Metaphase I, Anaphase I, Interkinese und Entstehung zweier haploider Tochterkerne In der Metaphase I werden die gepaarten homologen Chromosomen in der Äquatorialebene ausgerichtet. In der Anaphase I lösen sich die Chiasmata, und die homologen Chromosomen werden voneinander getrennt. Am Ende der Telophase I stehen 2 Zellen mit je einem haploiden Chromosomensatz: 22 Autosomen und 1 Geschlechtschromosom (Reduktion komplett). 1.15.3 Verlauf der 2. Reifeteilung Die 2. Teilung (Meiose II) ist eine Mitose ohne S-Phase (DNA-Replikation), da die DNA-Verdopplung ja bereits vorher stattgefunden hat. Ansonsten verläuft diese Teilung formal ab wie eine reguläre Mitose. Es entstehen 4 Zellen mit haploidem Chromosomensatz. Merke Bei männlichen Individuen sind alle 4 Spermatiden gleichwertig. Bei weiblichen Individuen entwickelt sich nur eine Zelle zur Eizelle, die anderen bilden Abortivformen (Polkörper). In der Meiose kann es zu Fehlverteilungen der Chromosomen kommen (Non-Disjunction). Eine Tochterzelle bekommt dann ein Chromosom mehr, das der anderen fehlt (7 Kap. 2.5).

1.16

Zelltod

Der Tod ist jeder Zelle sicher. Sie kann diesen Vorgang entweder als endogenes Selbstmordprogramm induzieren (Apoptose) oder aber aufgrund toxischer Umweltbedingungen (z. B. Hypoxie, physikalische oder chemische Attacken) zugrunde gehen (Nekrose). 1.16.1 Apoptose (programmierter Zelltod) Dieser Vorgang betrifft meist nur einzelne Zellen eines Gewebes. Das genetisch determinierte Programm involviert eine Reihe von Enzymen (wichtig: Caspasen) und Chromatin-abbauende Proteine. Morphologische Merkmale: Kondensierung und Fragmentierung des Chromatins, zunächst bleiben Zellorganellen (z. B. Mitochondrien) intakt. Merke Ein Beispiel für physiologische Apoptose in der Embryonalzeit ist die Reduktion der Interdigitalgewebe (Weichteile zwischen den Fingern und Zehen), die bei Donald Duck als Schwimmhäute erhalten geblieben sind.

Mehr dazu GK Biochemie 7 Kap. 5.5.3. 1.16.2 Nekrose Nekrose bezeichnet den Unfalltod der Zellen, die meist größere Gewebeabschnitte einschließen, z. B. Untergang von Herzmuskelgewebe bei Hypoxie (Herzinfarkt). Die Zellmembranen werden durchlässig, Lysosomen entlassen ihre aggressiven Enzyme. GK Biochemie 7 Kap. 5.5.3. 1.17

Zellkommunikation und Signal-Transduktion

GK Biochemie 7 Kap. 18.1.4, Physiologie 7 Kap. 1.2.

Biologie

127

2 Genetik Mind Map Abgesehen vom Hexenwahn und Atomkraft erfreut sich kaum ein anderes Gebiet einer derartig lebendigen, manchmal bizarre Züge annehmenden Diskussion unter gebildeten Laien wie die Genetik. Grundlage der Genetik ist die Organisation bestimmter Nucleotidsequenzen auf den Chromosomen. Diese als Gene bezeichneten Strukturen kodieren die Umschrift in die »Exekutive«, die Proteine. Sowohl während der Zellteilung als auch bei der Vererbung werden diese Informationen an Tochterzellen weitergegeben. Zahl-

reiche kleine Fehler kann die Zelle durch Reparaturmaßnahmen beheben; jedoch gelingt das nicht immer. Falls größere Sequenzen nicht am richtigen Ort repliziert werden, spricht man von Mutationen, die meist zur Synthese abnormer Proteine führen. Andererseits kann mit Hilfe der Gentechnologie der Informationsschlüssel geknackt werden und der Einbau systematisch falsch synthetisierter Proteine durch adäquate Eingriffe ins Genom verhindert werden.

2

128

Kapitel 2 · Genetik

2.1

Organisation und Funktion eukaryontischer Gene

2.1.1 Aufbau und Replikation der DNA

Biologie

Eine der strukturellen Grundlagen für die Vererbung individueller Merkmale ist die Desoxyribonucleinsäure (DNA). Aufbau Die DNA besteht aus 2 um eine gemeinsame Achse gewundenen Polynucleotidsträngen (Doppelhelix). Die Basis bilden Ketten aus Zucker (Ribose) und Phosphat. Nach innen sind Basen angebracht. Beide Stränge der DNA sind komplementär zueinander. Die Basen der DNA sind Adenin und Guanin (Purin-Basen), sowie Thymin und Cytosin (Pyrimidin-Basen). Die Ribonucleinsäure (RNA) enthält anstelle von Thymin die Base Uracil. Die Basen sind spezifisch gepaart: A-T; G-C. Ein Nucleosid ist die Verbindung einer Base mit einer Ribose; ein Nucleotid ist die Verbindung eines Nucleosids mit einem Phosphat. Nucleotide sind die Bausteine der DNA. Die DNA-Stränge verlaufen antiparallel. Der Zusammenhalt erfolgt über Wasserstoff-Brücken und hydrophobe Bindungen. Man unterscheidet: 4 Die Primärstruktur zeigt die Reihenfolge der Nucleotide. 4 Die Sekundärstruktur zeigt die DoppelstrangHelix, und 4 die Tertiärstruktur die räumliche Struktur des ganzen Moleküls. Prinzip der DNA-Replikation Ausgang für die Vervielfachung der DNA ist die enzymatische Entwicklung (Entspiralisierung) der Doppelhelix durch Helicasen. Topoisomerasen sorgen für Verminderung der Spannung durch gezielte Einzelstrangbrüche. DNA-Bindungsproteine verhindern eine erneute Nucleotidpaarung. Die eigentliche Replikation beginnt mit der Aktivität der DNA-Polymerase. Sie benötigt ein Startermolekül (Primer), eine RNA-Sequenz. Die Polymerisation erfolgt in 5’-3’-Richtung. Die RNA-Primer werden dann durch DNA ersetzt. Neugebildete DNA-Tochterstränge werden schließlich durch Ligasen wieder zusammengesetzt. Jeder Tochterstrang bildet zusammen mit einem Einzelstrang des elterlichen Doppelstrangs das neue DNA-Molekül (semikonservative Replikation).

2.1.2 DNA-Reparatur Fehler in der Polymerisationsrichtung 5’-3’ können durch eine zusätzliche Exonuclease-Aktivität der Polymerase I behoben werden. Sie kann nachträglich falsche Nucleotide ausschneiden und durch richtige ersetzen. Auf diese Weise ist die Replikation nahezu fehlerfrei (1 Fehler pro 109 Nucleotide!). Auch UV-induzierte Defekte (z. B. Strangbrüche, Dimerisierung von Basen) können in begrenztem Maße auf diese Weise reduziert werden. 2.1.3 Genbegriff, Transkription

und Prozessierung der RNA Gene sind Informationseinheiten. Es handelt sich um DNA-Abschnitte, die im Allgemeinen ein einzelnes Protein oder eine RNA codieren. Ein solcher Abschnitt ist in aufeinander folgende Regionen gegliedert, die codierende und nichtcodierende Sequenzen besitzen. Es gibt Promotoren, Exons, Introns und Terminatoren: 4 Am Promotor beginnt der Start der Transkription (Umschrift von DNA in einen komplementären RNA-Strang). 4 Der Terminator ist für die Abschaltung der Umschrift zuständig. 4 Dazwischen liegende codierende Abschnitte heißen Exons. 4 Dazwischen liegende nichtcodierende Abschnitte heißen Introns. Nucleotidsequenzen mit eingefügten Stop-Codons können nicht translatiert werden. Die gesamte Nucleotidsequenz ist somit ein Pseudogen. Die RNA-Kette nach der Transkription enthält also nichtcodierende und codierende Nucleotidsequenzen. Normalerweise werden danach die Introns herausgeschnitten und die übrigen Exons wieder zusammengeführt (Splicing), sodass eine funktionelle RNA-Sequenz entsteht, die später translatiert (in ein Protein umgeschrieben) werden kann. Allerdings können die Exon-Abschnitte auch falsch zusammengeführt werden. Veränderungen werden u. a. fälschlicherweise als Stop-Codons interpretiert, die eine Translation verhindern. KLINIK Einige Formen der Thalassämie (Anämie-Sonderform) beruhen auf Fehlern beim Splicing für die Hämoglobin-codierenden Sequenzen.

129 2.2 · Chromosomen des Menschen

Hemmstoffe der Transkription sind z. B. Actinomycin (Bindung an die DNA, Blockierung der DNA-Polymerase), α-Amanitin, Rifampicin (Bindung und Beeinflussung der Aktivität der RNA-Polymerase).

2

4 Wichtige Codewörter: AUG (Start); UAA, UAG, UGA (Stop). 4 Der genetische Code ist universell. Alle Organismen besitzen den gleichen Schlüssel. KLINIK

2.1.4 Regulation der Genexpression Gene der Eukaryonten werden im Gegensatz zu denen der Prokaryonten sämtlich kontrolliert. Die Transkriptionsrate kann aktiviert werden (Induktion durch Enhancer). Das Gegenteil nennt man Repression (durch Silencer). Hormone wirken entweder als Induktoren oder Repressoren. Mehr dazu in 7 Kap. 5.2.6, GK Biochemie. 2.1.5 Differenzielle Genaktivität

als Grundlage von Entwicklung und Differenzierung Die differenzielle Genexpression gewährleistet entwicklungs- und gewebsspezifische Proteinmuster. Ein Beispiel dafür ist die Aktivierung der Globingene (für embryonale, fetale und adulte Hämoglobine), die entsprechend der Funktionsanforderung für die O2-Bindung zu unterschiedlichen Entwicklungszeitpunkten unterschiedlich exprimiert werden. 2.1.6 Translation und genetischer Code Die Translation ist die Umschrift der aus dem Zellkern exportierten Messenger-RNA in Protein. Die Proteinsynthese findet an den Ribosomen statt (GK Biochemie und 7 Kap. 1.5). Die Information über die zu synthetisierenden Aminosäuresequenzen liefert der genetische Code. Prinzip und »Universalität« des genetischen Codes Aus 4 verschiedenen Basen werden Sequenzen gebildet, die die Zelle in Proteine umsetzt. Er hat folgende Eigenschaften: 4 Der genetische Code ist degeneriert, da beim Triplett-Code und 4 zur Verfügung stehenden Basen 64 (43) Möglichkeiten für nur 20 Aminosäuren existieren. 4 Der genetische Code ist nicht überlappend, d. h. das 3. Nucleotid eines Codons (Codeworts) ist nicht zugleich das 1. Nucleotid des nächsten Codons. Dies beweisen Punktmutationen (Austausch nur einer Aminosäure).

Aufgrund der Universalität des genetischen Codes ist es möglich, z. B. humanes Insulin in Bakterien zu »züchten«.

Vervielfältigung einzelner Gene führt zu redundanten Genen. Genfamilien entstehen durch Mutationen in redundanten Genen, deren Mitglieder eine hohe Homologie aufweisen. Beispiele dafür sind die Isoenzyme der Laktatdehydrogenasen und die Hämoglobin-Genfamilie: Diese besteht aus 5 Genen. Eines codiert Myoglobin (nur im Muskel), und die 4 anderen für die Hämoglobinketten α, β, γ, δ (nur im Erythrozyten). 2.1.7 Anzahl von Genen Die DNA-Menge im menschlichen Zellkern beträgt etwa 6u10-12 g. Dabei sind DNA-Sequenzen mehrfach vorhanden (repetitive DNA). Säuger besitzen 3u106 Gene, von denen nur 3u104 exprimiert (d. h. transkribiert und translatiert) werden. Die spontane Mutationsrate beträgt etwa 1 pro 109 bis 1 pro 1010 Nucleotide. 2.1.8 Repetitive Elemente Das Genom liegt in mehr oder weniger häufigen Kopien vor. Die Häufigkeit von Genen lässt sich einteilen in 4 einmalige Gene: 1–10 Kopien, 4 mittelrepititive Gene: 10–1000 Kopien und 4 hochrepititive Gene: mehr als 1000 Kopien. Der Anteil repetitiver DNA an der Gesamt-DNA beträgt etwa 30%, der einmaligen Gene etwa 70%. 2.2

Chromosomen des Menschen

Das menschliche Genom enthält 46 Chromosomen. Der Chromosomensatz ist diploid (2n). Autosomen sind geschlechtsunabhängige Chromosomen (44). Hinzu kommen 2 Gonosomen (XY, geschlechtsdeterminierende Chromosomen): 4 XX: weibliches Genom, 4 XY: männliches Genom.

130

Kapitel 2 · Genetik

Biologie

2.2.1 Normale Chromosomenmorphologie Der Karyotyp erzählt über die Anzahl der Chromosomen und Geschlecht (Schreibweise: 46,XX für die Frau und 46,XY für den Mann). Diese Information lässt sich aus einem histologischen Bild der in der Metaphase arretierten Chromosomen bestimmen (Karyogramm). Kriterien für die Typisierung sind Länge, Lage des Zentromers (metazentrisch, submetazentrisch, subtelozentrisch, akrozentrisch) und Bandenmuster (7 Kap. 2.2.2). Größe und Lage des Zentromers ergeben 7 Gruppen (A‒G). 2.2.2 Differenzielle Darstellung

der Chromosomen Das chromosomale Bandenmuster kann mit spezifischer Färbung dargestellt und kartographiert werden. Die Färbung mit Quinacrin lässt im Fluoreszenzmikroskop Q-Banden aufleuchten. Eine weitere Technik ist die Anfärbung mit Giemsa-Lösung nach Vorbehandlung mit Trypsin: dies resultiert in G-Banden. 2.2.3 Molekulare Zytogenetik Besonders sensitiv für die Kartierung von Genen ist die Fluoreszenz-in-situ-Hybridisierung (FISH) zum Nachweis von Mikrodeletionen sowie als Grundlage der Interphasezytogenetik und der vergleichenden Zytogenetik. Diese Technik kommt auch ohne MitoseArretierung aus, da Fluoreszenz-markierte Chromosomen auch in der Interphase nachgewiesen werden können. 2.3

4 Genotyp: Beide Allele eines Gens auf den homologen Chromosomen (Gesamtheit aller genetisch festgelegten Merkmale). 4 Phänotyp: Erscheinungsbild eines Individuums, resultierend aus Genotyp und Umweltfaktoren (Ausprägung eines Merkmals). 4 Homozygotie: Vorhandensein zweier gleicher Allele an einem Genort homologer Chromosomen. 4 Heterozygotie: Vorhandensein zweier verschiedener Allele an einem Genort homologer Chromosomen. 4 Dominanz: Allel, dessen Genprodukt auch im heterozygoten Zustand den Phänotyp bestimmt. 4 Kodominanz: Manifestation beider verschiedener Gene im Phänotyp (z. B. Blutgruppenantigene AB). 4 Rezessives Allel: Allel, dessen Genprodukt nur dann den Phänotyp prägt, wenn es homozygot vorliegt. 4 Penetranz: Häufigkeit, mit der sich ein Gen manifestiert. 4 Expressivität: Stärke, mit der sich ein Gen manifestiert. 2.3.2 Mendelsche Gesetze Mendels Beobachtungen beruhten auf der Hypothese, dass Erbfaktoren (Gene) von der Elterngeneration (P) an die Tochtergeneration (F) weitergegeben werden. Die erste Tochtergeneration heißt F1, die zweite F2. Beide Allele eines Gens werden über haploide Keimzellen weitergereicht und zufällig neu kombiniert. 1. Mendelsches Gesetz: Uniformitätsgesetz Merke Alle Individuen der Tochtergeneration aus der Kreuzung reinerbiger, homozygoter Eltern sind gleich (uniform).

Formale Genetik

Die formale Genetik beschreibt die Regeln (oder Geheimnisse) der Vererbung.

Aus 2 Eltern P mit den Merkmalen AA und aa werden in der F1-Generation 4 Nachkommen mit den Merkmalen: Aa, Aa, Aa, Aa.

2.3.1 Begriffe und Symbole

2. Mendelsches Gesetz: Spaltungsgesetz (Segregationsgesetz)

Folgende Begriffe sind für die Genetik wichtig: 4 Gen: Linearer Abschnitt auf einem Chromosom, vererbbare Einheit eines Merkmals. 4 Allel: Eine von 2 oder mehr alternativen Formen eines Gens, das sich am selben Genort zweier homologer Chromosomen befindet.

Merke Werden die heterozygoten Individuen der Tochtergeneration F1 untereinander gekreuzt, spaltet sich die F2-Generation in einem bestimmten Verhältnis: 1:2:1(Genotyp) oder 1:3 (Phänotyp).

2

131 2.3 · Formale Genetik

Aus 2 Individuen von F1 mit den Merkmalen Aa und Aa werden in der F2-Generation 4 Nachkommen mkt folgenden Merkmalen: AA, Aa, Aa, aa.

Dd

dd

3. Mendelsches Gesetz: Unabhängigkeitsgesetz Merke Werden Individuen gekreuzt, die sich genetisch in mehr als einem Merkmal unterscheiden, werden die Anlagenpaare jedes Merkmals unabhängig von den anderen nach dem Spaltungsgesetz auf die Tochtergeneration verteilt.

a

Bei einem autosomal-dominanten Erbgang befindet sich das betreffende Merkmal auf einem Autosom. Wenn das Merkmal dominant ist, genügt es bereits, wenn es nur auf einem der homologen Chromosomen liegt, um das Merkmal phänotypisch auszuprägen. Autosomal-dominante physische Merkmale sind selten, da noch die Information des homologen Chromosoms aufgerufen werden kann (Beispiel: Brachydaktylie). Bei der Analyse der Stammbäume kann man folgende Situationen durchspielen, was für die genetische Beratung wichtig ist (. Abb. 2.1a, b): 4 ein heterozygoter Elternteil: 50% Erkrankungswahrscheinlichkeit (. Abb. 2.1a), 4 beide Eltern heterozygot: 75% der Kinder erkrankt, 25% homozygot (. Abb. 2.1b), 4 ein Elternteil homozygot: alle Kinder erkrankt, aber keines homozygot, natürlich. 4 Beispiel für einen kodominanten Erbgang ist das ABO-Blutgruppensystem. Bei Heterozygotie sind beide Allele eines Merkmals gleichzeitig ausgeprägt (. Tab. 2.1). 2.3.4 Autosomal-rezessiver Erbgang Bei einem autosomal-rezessiven Erbgang würde sich ein Defekt im Phänotyp nur bei Homozygotie bemerkbar machen. Heterozygote Träger erkranken nicht, können aber als Überträger (Konduktoren) fungieren.

Dd

dd

Dd

+ b

nanter Erbgang, multiple Allelie

dd

Dd

Dies gilt für Gene auf Chromosomen, die weit genug voneinander entfernt liegen, sodass sie durch Crossingover getrennt werden (was Mendel noch nicht wusste). Ausnahmen sind zu nah beieinander liegende Gene, die meist gemeinsam vererbt werden. 2.3.3 Autosomaldominanter/ kodomi-

Dd

Dd

dd

Dd

dd

. Abb. 2.1a, b. Autosomal-dominante Vererbung. Vererbung durch einen heterozygot kranken Elternteil. D: krankes, d: gesundes Allel (a). Vererbung durch zwei heterozygot erkrankte Eltern. D: krankes, d: gesundes Allel. Das homozygote Kind (+) zeigt in der Regel stärker ausgeprägte Symptome (b). (Buchta-Sönnichsen 2003)

. Tab. 2.1. Vererbung der Blutgruppenmerkmale

Genotyp

Phänotyp

AA, AO

A

BB, BO

B

AB

AB

0

0

M

MM

N

NN

MN

MN

Beispiele für einen autosomal-rezessiven Erbgang sind: Phenylketonurie, Albinismus, Taubstummheit. Hier gilt (. Abb. 2.2a–c): 4 beide Eltern erkrankt (d. h. homozygot): alle Kinder erkrankt; 4 ein Elternteil erkrankt, der andere gesund: keine erkrankten Kinder, aber alle sind Konduktoren; 4 ein Elternteil erkrankt, der andere Konduktor (heterozygot): 50% der Kinder erkrankt, 50% Konduktoren;

132

Kapitel 2 · Genetik

rr

a

rR

rR

Biologie

rr

b

rr

rR

rR

X-chromosomal-dominanter Erbgang Hier ist das Merkmal bei Mann und Frau manifest. Dieser Erbgang ist selten. Beispiel: Vitamin-D-resistente Rachitis. Es gilt: 4 Vater Krankheitsträger: alle Töchter erkranken, alle Söhne gesund; 4 Mutter heterozygot: 50% aller Kinder erkrankt; 4 Mutter homozygot erkrankt: alle Kinder krank.

RR

rR

rR

RR

rr

rR

rR

X-chromosomal-rezessiver Erbgang Hier ist das Merkmal beim Mann immer manifest (hemizygot), die Frau ist nur Konduktorin, da sie ja noch ein Merkmal auf dem anderen X-Chromosom in Reserve hat (. Abb. 2.3). Es gilt: 4 Vater (hemizygot) erkrankt, Mutter homozygot gesund: alle gesund, aber alle Töchter sind Konduktorinnen; 4 Mutter Konduktorin, Vater gesund: 50% der Söhne erkrankt, 50% der Töchter Konduktorinnen; 4 Mutter Konduktorin, Vater erkrankt: 50% der Söhne erkrankt, 50% der Töchter erkrankt, 50% der Töchter Konduktorinnen. 4 Mutter homozygot, Vater gesund: alle Söhne erkrankt, 50% der Töchter Konduktorinnen. Beispiele für einen X-chromosomal-rezessiven Erbgang sind: Muskeldystrophie Typ Duchenne (DMD), Hämophilie A, Grünblindheit, Rotblindheit.

c

rr

rR

rR

rR

2.3.6 Imprinting . Abb. 2.2a–c. Autosomal rezessive Vererbung (r: krankes Allel, R: gesundes Allel). Vererbung durch ein erkranktes Elternteil und ein homozygot gesundes Elternteil (a). Vererbung durch ein erkranktes Elternteil und ein heterozygotes Elternteil (b). Vererbung durch zwei Konduktoren (c). (Buchta Sönnichsen 2003)

4 beide Eltern Konduktoren (heterozygot): 25% erkrankte Kinder, 75% phänotypisch gesund, 2∕3 Konduktoren; 4 ein Elternteil gesund, der andere heterozygoter Konduktor: alle Kinder phänotypisch gesund, 50% Konduktoren. 2.3.5 X-chromosomaler Erbgang Geschlechtsgebundene Merkmale befinden sich überwiegend auf dem X-Chromosom, von dem der Mann eines hat (XY), und die Frau 2 (XX). Das Y-Chromosom ist klein und genetisch bis auf das »Sex regulating Y Gen« (SRY) unbedeutend.

Unter »Imprinting of genes« versteht man die differenzielle Genaktivität väterlicher und mütterlicher Gene in der frühen Embryogenese. Dies kann zur Variabilität der Ausprägung führen, je nachdem, ob es (trotz der Mendel-Regeln für Autosomen) auf einem väterlichen oder mütterlichen Chromosom liegt. Im Prinzip gibt es 3 Möglichkeiten als Ursache: 4 Das Merkmal wird gonosomal vererbt, 4 elterliche Genprägung für die geschlechtsabhängige Ausprägung eines Allels (entdeckt durch Kerntransplantation von Mäusen). Beispiel: Insulin-ähnlicher Wachstumsfaktor 2 (IGF-2) ist durch elterliche Prägung maternal inaktiv, 4 das Merkmal wird extrachromosomal vererbt, z. B. über die Mitochondrien (s. u.). 2.3.7 Mitochondriale Vererbung Da die männliche Gamete vor der Invasion in die Eizelle seine Mitochondrien abwirft, erhält die Zygote nur

2

133 2.4 · Gonosomen, Geschlechtsbestimmung und -differenzierung

. Abb. 2.3. X-chromosomal-rezessive Vererbung; x: krankes Allel, X: gesundes Allel. (Buchta Sönnichsen 2003)

xY

XX

P

XY

F1 XY

xX

XY

xX

F2

xX

xY

XX

XY

F3 xx

die weiblichen Mitochondrien. Mitochondrial festgelegte Merkmale sind daher immer mütterlich (z. B. die mitochondriale Enzephalomyopathie). 2.3.8 Multifaktorielle Vererbung Bei der multifaktoriellen Vererbung (Polygenie) sind mehrere Gene für die Ausprägung eines Merkmals verantwortlich. Umgekehrt kann eine Störung unterschiedliche genetische Ursachen haben (Heterogenie). Beispiel für die multifaktorielle Vererbung ist die primäre Hypertonie. Falls das Merkmal nicht kontinuierlich verteilt ist, macht sich eine Störung erst bei Überschreiten eines Schwellenwerts bemerkbar. Die angeborene Hüftluxation ist ein Beispiel für einen multifaktoriellen Schwellenwerteffekt. 2.4

Gonosomen, Geschlechtsbestimmung und -differenzierung

2.4.1 X-, Y-Chromosom und pseudo-

xY

Xx

XY

Y-Chromosom) wandert die primordiale Keimzelle in die Rindenregion der undifferenzierten Gonadenanlage und induziert die Entwicklung eines Ovars und die Umbildung der Müller-Gänge zu Tuben und Uterovaginaltrakt. 2.4.2 X-Inaktivierung – Gleichberechtigung

des Mannes Weibliche Individuen besitzen ein zweites X-Chromosom, haben also im Prinzip doppelt soviel X-chromosomal-gebundene Gene wie männliche Individuen. Zur Herstellung von Gleichberechtigung verzichtet die Frau (freiwillig?) auf die Expression der Gene eines der beiden X-Chromosomen (Lyon Hypothese). Das inaktivierte Chromosom erscheint in der Zelle als Geschlechtschromatinkörperchen (Barr-Körperchen). In den Kernen segmentkerniger Granulozyten imponieren sie als Drumsticks (Trommelschlägel). 2.4.3 Geschlechtsdifferenzierung

autosomale Region Obwohl das Y-Chromosom recht spärlich mit Genen ausgestattet ist, spielt es bei der Geschlechtsdetermination eine entscheidende Rolle. Das SRY-Gen liegt auf dem kurzen Arm des Y-Chromosoms, benachbart zur pseudoautosomalen Region. Es bestimmt durch die Expression bestimmter Transkriptionsfaktoren das männliche Geschlecht. Fehlt das SRY-Genprodukt (bzw. ein

Hormone sind Genregulatoren. Der Anti-Müller-Inhibitionsfaktor kann durch Bindung an die DNA auf die Differenzierung von Wolff- und Müller-Gang Einfluss nehmen, indem er dafür sorgt, dass weibliche Abschnitte des Genitaltrakts nicht ausgebildet werden.

134

Kapitel 2 · Genetik

2.5

Mutationen

2.5.3 Spontane und induzierte

Genmutationen

Biologie

Mutationen sind Veränderungen im Genom, die zu einer Veränderung der Expression bestimmter Merkmale führen. Man unterscheidet: 4 Genmutationen, 4 Spontanmutation, 4 induzierte Mutationen, 4 somatische Mutationen, 4 Chromosomenmutationen und 4 Mosaike. 2.5.1 Genmutationen Genmutationen sind Veränderungen der Nucleotidsequenz der DNA eines Gens. Sie können Folge sein von: 4 Basensubstitution: Ersatz einer Base durch eine andere (Punktmutation), 4 Basendeletion; Nucleotide gehen verloren, 4 Baseninsertion: neue Basen werden zusätzlich eingefügt, 4 ungleichem Crossing over (Genkonversion): Ein Genabschnitt eines Chromosoms wird als Bruchstück beim Crossing-over in das homologe Chromosom eingefügt (Duplikation). 2.5.2 Folge von Genmutationen Die Folge von Genmutationen ist eine verringerte oder fehlende Synthese der mRNA und damit Veränderungen der Aminosäuresequenz der jeweiligen Polypeptidkette. Falls die Promotorregion gestört wird, wird das gesamte Gen inaktiviert. Bei Veränderungen des Stop-Codons entsteht ein abnormal langes oder verkürztes Protein.

Transkriptionsfehler, die nicht repariert werden, können zufällige Ereignisse in Keimbahn- und somatischen Zellen sein. Induzierte Mutationen sind durch toxische/ chemische Einflüsse oder durch ionisierende Strahlen (z. B. Harrisburg, Tschernobyl) zurückzuführen. KLINIK Xeroderma pigmentosum ist eine sehr, sehr seltene (typisch GK!) autosomal-rezessiv vererbbare Erkrankung, bei der Reparaturenzyme der DNA betroffen sind. UV-Exposition schädigt die epidermalen Zellen. Folge sind maligne Hauttumoren bereits in früher Kindheit.

2.5.4 Strukturelle Chromosomen-

mutationen Strukturelle Chromosomenmutationen sind mikroskopisch, im Karyogramm sichtbare Veränderungen der Chromosomenstruktur (Chromosomenaberration). Da dies Folgen für eine ganze Menge von Genen hat, sind die Folgen sehr oft letal. Im günstigen Falle kommt es zu schweren Fehlbildungen. Es gibt folgende Typen von Chromosomenaberrationen: Deletion: Verlust eines Chromosomenarms. KLINIK Deletion des kurzen Arms des Chromosoms 5 führt zum Cri-du-Chat-Syndrom (Katzenschreisyndrom). Dieser Verlust ist zufällig. Die Häufigkeit ist etwa 1:50.000. Es sind 5-mal mehr Mädchen als Jungen betroffen.

KLINIK Ein schönes Beispiel für eine Punktmutation ist die autosomal-rezessiv vererbte Sichelzellanämie. Der Austausch der Aminosäure Val gegen Glu in der Hämoglobin-β-Kette (HbS) führt zu abnormer Sauerstoffbindungskapazität und Formveränderungen des Erythrozyten bei Desoxygenierung. Massiver Abbau der Erythrozyten in der Milz führt zu anämischen Krisen. Selektionsvorteil der Erkrankten besteht in höherer Resistenz gegenüber Malaria.

Inversion: Fehlgeschlagene Reparatur eines Nucleotid-

abschnitts und verkehrte Wiedereingliederung der Sequenz in den DNA-Strang. Translokation: Verlagerung eines Fragments an eine

andere Position des Chromosoms. Wenn das Genom und die Expression der Gene nicht weiter beeinträchtigt ist, spricht man von balancierter Translokation. Reziproke Translokation ist der Austausch zweier Chromosomenfragmente zwischen nichthomologen Chromosomen. Die Robertson-Translokation bezeichnet eine zentrische Fusion, d. h. es verschmelzen 2 Chromosomen am Zentromer und verlieren die kurzen Arme.

135 2.6 · Klonierung und Nachweis von Genen bzw. Genmutationen

Falls nur wenig Gene verloren gehen, ist diese Translokation balanciert (z. B. am Chromosom 14 und 21).

KLINIK Beispiel für Mosaikbildung: Mosaik-Trisomie 21 (in 2% der Individuen mit Down-Syndrom). Hier kommt es erst nach der 1. Zellteilung zur Aberration. Je mehr normale Mitosen vorausgegangen sind, desto weniger ist der Phänotyp des Down-Syndroms ausgeprägt.

KLINIK Eine asymmetrische Translokation (größerer Teil des Chromosom 22 transloziert mit dem kleinen Arm des Chromosom 9) findet sich bei der Chronischen Myeloischen Leukämie (sog. PhiladelphiaChromosom).

2.5.5 Nummerische Chromosomen-

2

Eine Chimäre ist ein Individuum oder Gewebe, das aus Zellen verschiedenen Genotyps präzygoter Herkunft besteht, z. B. als Folge von Fehlern bei der Befruchtung.

mutationen 2.5.7 Mutationen in Somazellen Unter nummerischen Chromosomenaberrationen versteht man Fehlverteilungen von Chromosomen während der Meiose. Folge ist eine abnorme Anzahl von Chromosomen im Karyogramm. Falls ein Chromosom nur einmal vorhanden ist, spricht man von Monosomie, bei 3facher Ausgabe spricht man von Trisomie. Beispiele für nummerische Chromosomenaberrationen sind: 4 Ullrich-Turner-Syndrom: Genotyp XO (Monosomie des X-Chromosoms); weiblich, 90% Abortrate; Häufigkeit bei ausgetragenen Schwangerschaften mit XO-Syndrom: 1:3000‒1:5000; Symptome: Minderwuchs, Amenorrhoe, Nackentransparenz (Pterygium colli). 4 Klinefelter-Syndrom: Genotyp: XXY; Symptome: Körpergröße erhöht, Hodenatrophie, Gynäkomastie, Azoospermie. 4 XYY-Syndrom: phänotypisch männlich, selten, Symptome: psychische Labilität. 4 Triplo-X: Genotyp: XXX, Non-disjunction, Häufigkeit 1:800‒1:1000, phänotypisch weitgehend unauffällig (Lernbehinderungen bei 70%). 4 Trisomie 21 (Down-Syndrom): Häufigste Chromosomenaberration; häufigste Form: Non-disjunction (95%); spontan, keine Erbkrankheit. Häufigkeit: abhängig vom mütterlichen Alter. Risiko für eine 25-jährige Frau: 0,1%; für eine 46-jährige Frau: 9%. Auch das väterliche Alter spielt eine Rolle, ist aber nicht statistisch belegt. 2.5.6 Mosaike und Chimären Unter Mosaiken versteht man das Vorliegen genetisch verschiedener Zelllinien. Ursache sind Chromosomenfehlverteilungen in der Mitose (mitotische Non-disjunction).

Mutationen, die nur in Körperzellen vorkommen, erzeugen ein Mosaikmuster. Ein Beispiel für somatische Mutationen in der Krebsentstehung ist die Entstehung des Burkitt-Lymphoms: Das Proto-Onkogen »myc« erhält durch eine Translokation (beteiligt sind Arme der Chromosomen 8 und 14) einen neuen Promotor der ImmunglobulinGene und wird intensiv transkribiert (PhiladelphiaChromosom, 7 Kap. 2.5.4). 2.6

Klonierung und Nachweis von Genen bzw. Genmutationen

Unter Klonierung versteht man die Vermehrung genetisch identischer Organismen. Dies kann auf zellulärer Ebene geschehen (z. B. Züchtung monoklonaler Antikörper), oder gesamte Organismen und Individuen betreffen (Dolly). Folgende Methoden stehen dafür zur Verfügung: 2.6.1 Gentechnologische Methoden Voraussetzung für die Herstellung eines Klons ist es, gewünschte Nucleotidsequenzen zu identifizieren, isolieren und zu vervielfältigen. Mit Restriktionsendonukleasen werden bestimmte Sequenzen der DNA getrennt. Es gibt zur Vervielfachung 2 Möglichkeiten: 4 Gentransfer. Bei der Transformation (= Transfektion) können von einer Spezies (z. B. Mensch, Maus, Tyrannosaurus Rex) DNA-Abschnitte auf DNA eines Bakteriums überführt werden. Auf diese Weise können fremde Gene in Plasmide eingeführt werden (Plasmid ist ringförmige extrachromosomale DNA, die sich unabhängig von dem Hauptgenom des Bakteriums replizieren kann). Da der genetische

Biologie

136

Kapitel 2 · Genetik

Code universell ist, können Einzelstränge von Gast und Wirt-DNA bei Einsatz derselben Restriktionsenzyme neu kombinieren. Auf diese Weise wird die Gast-DNA in das Plasmid eingebaut und kann vermehrt werden (Klonierung durch In-vitro-DNARekombination). Man kann testen, ob die Transformation erfolgreich war, indem man z. B. ein Gen für eine Antibiotika-Resistenz einfügt und nachsieht, ob die vermehrten Organismen unanfällig gegen das Antibiotikum geworden sind. 4 Polymerase-Chain-Reaction (PCR, s. u.).

Ort des betreffenden Gens. Hierbei werden Restriktionsenzyme verwendet, die palindromische Sequenzen von 4‒8 Basenpaaren erkennen und in ihnen schneiden. Die Länge der von diesen markierten Endonukleasen zerschnittenen Fragmente kann elektrophoretisch bestimmt werden. Sie weicht bei Mutationen vom normalen Gen ab. Dies bezeichnet man als RestriktionsFragment-Längen-Polymorphismus.

2.6.2 Polymerase-Chain Reaction (PCR)

Genetisches »Fingerprinting« ist nach derzeitiger (2006) Rechtsauffassung in der BRD freiwillig. Es gilt die Nicht-Direktivität als Grundlage für die genetische Beratung, d. h., Daten dürfen nur nach ausdrücklicher Genehmigung des Patienten/Probanden weiterverwendet werden (z. B. für Vaterschaftsgutachten, Alimentenklagen). Ausnahme sind ausreichende Verdachtsmomente bei schwerwiegenden Straftaten, etwa bei Kapitaldelikten.

Bei der Polymerase-Kettenreaktion werden DNA- oder RNA-Sequenzen im Reagenzglas vervielfältigt. Grundlage ist die Eigenschaft der Polymerasen, neue Nucleotide immer nur an eine definierte kurze Nucleotidsequenz (Primer) anzuhängen. Die Primersequenzen müssen bekannt sein. Sie sind komplementär zur DNA oder RNA der Zellen bzw. des Gewebes, in der man dessen Nucleotidgehalt bestimmen möchte. Man wirft also einen Köder (Komplementär-Nucleotid) in den Teich und wartet, ob der dazu passende Fisch anbeißt. Um das über eine gewisse Nachweisgrenze zu führen, wird das Polymerisationsprodukt in vielen Zyklen unter Hitzeeinwirkung (Denaturierung der DNA) vermehrt (amplifiziert). Die DNA-Polymerase (Taq-Polymerase) ist hitzeresistent, sonst geht es nicht. 4 Vorteil: Man spart sich das Klonen. Superempfindlich, schnell, billig. 4 Nachteil: Katastrophe für Gauner. Die Reaktion ist so empfindlich, dass sie viele Übeltäter kriminalistisch überführt, die ihre biologischen Spuren am Tatort vergessen haben. 2.6.3 Direkter Nachweis

2.6.5 Genetische Beratung

und vorgeburtliche Diagnostik

Vorgeburtliche Diagnostik (GK Anatomie 7 Kap. 1.1.4) Nummerische und strukturelle Chromosomenaberrationen können vorgeburtlich mit Hilfe der Amniozentese oder der Chorionbiopsie festgestellt werden. 4 Amniozentese (4. Monat). Nach der Aspiration von Fruchtwasser können Amnionzellen kultiviert werden. Anschließend kann ein Karyogramm angefertigt werden. Indikation sind erhöhtes Alter der Mutter (bzw. des Vaters!), bekannte Chromosomenaberrationen in der Familie. 97% dieser »Risikomütter« tragen ein normales Kind aus. 4 Chorionbiopsie (8. Woche). Die Zellen der Chorionzotten können ohne Anzüchtung direkt analysiert werden.

von Genmutationen 2.7 Ein weiteres Anwendungsgebiet der PCR ist der Nachweis von Genmutationen. Spezifische Nucleotidsequenzen eines Gendefekts werden amplifiziert. Die müssen natürlich bekannt sein. 2.6.4 Indirekter Nachweis

von Genmutationen Restriktions-Fragment-Längen-Polymorphismus Voraussetzung für den indirekten Nachweis von Genmutationen ist die Kenntnis über den chromosomalen

Entwicklungsgenetik (7 Kap. 2.1.5)

2.7.1 Analyse von Entwicklungsprozessen

an transgenen Tieren Gentransfer ist nicht nur in Bakterien möglich. Die Möglichkeiten der Gentechnologie erlauben es im Prinzip, DNA von jeder beliebigen Spezies in eine andere zu verpflanzen. Die Analyse der Transkripte von Genen in Abhängigkeit von der Zeit lässt sich sehr »hübsch« in Mausmodellen studieren. Hierbei können DNA-Fragmente

137 2.8 · Populationsgenetik

in Eizellen der Maus mikroinjiziert werden. Eine weitere Möglichkeit ist die gezielte Veränderung einzelner Gene durch Manipulation embryonaler Mausstammzellen. Transgene Tiere Bei sog. »Knock-out-Mäusen« werden totipotente Stammzellen im Blastozystenstadium schwangerer Mäuse entnommen. Aus diesen werden Nucleotidsequenzen für interessante Proteine aus der DNA herausgeschnitten. Die beschnittenen Sequenzen werden dann anderen schwangeren Mäusedamen reimplantiert. Diese zusätzlichen Zellen beteiligen sich an der Embryonalentwicklung und lassen genetisch chimäre Mäuse entstehen. Natürlich kann man auch eine Nucleotidsequenz hinzu tun, z. B. für den Rüssel eines Elefanten (das wäre dann eine »Knock-in-Elefantenrüssel-Maus«). Nach einigen Kreuzungen unter Anwendung der Mendel-Regeln kann man dann an homozygoten Tieren beobachten, welche Auswirkung das Fehlen der durch das fehlende Gen kodierten Proteine hat. Im Umkehrschluss hat man dann vielleicht Hinweise auf die Funktion dieses Proteins bzw. Gens. 2.8

Populationsgenetik

Die Populationsgenetik beschäftigt sich mit der Häufigkeit des Auftretens der Allele eines Gens in Populationen. 2.8.1 Hardy-Weinberg-Gesetz Die Regeln der Wahrscheinlichkeitsrechnung werden angewandt, um das Auftreten dominanter und rezessiver Merkmale zu berechnen. Diese stehen miteinander im Gleichgewicht, das Hardy und Weinberg anhand von statistischen Berechnungen beschrieben haben. Grundvoraussetzung ist eine zufällige Paarung bzw. Durchmischung der Bevölkerung (Panmixie). Eine nichtzufällige Paarung von Individuen, also Paarung von Individuen, die z. B. nur grüne Zöpfe besitzen, ist Selektion. Merke Das Hardy-Weinberg-Gleichgewicht ist der Zustand einer Population, bei der, Panmixie vorausgesetzt und Selektion ausgeschlossen, Allel- und Genotyphäufigkeiten in der Folge der Generationen konstant sind.

2

Dieses Gleichgewicht kann verschoben werden durch folgende Faktoren: 4 Gründereffekt: Abspaltung einer kleinen Population von einer größeren, die dadurch für ein Allel eine größere Frequenz verursacht (Abspaltung einer Gruppe vom Festland auf eine Insel). Die geno- und phänotypische Variabilität bei InselEmigranten sinkt; diese Population ist also leichter vom Aussterben bedroht. 4 Inzucht: Gehäuftes Auftreten seltener Gene in kleinen Gruppen, z. B. Habsburger Lippe. 4 Fitness: Fähigkeit eines Individuums, besonders resistente und überlebensfähige Nachkommen zu produzieren. 4 Selektion: Auswahl nach Fitness. Heterozygote Träger des HbS (Sichelzellanämie)-Gens haben einen Selektionsvorteil, denn sie sind resistenter gegenüber Malaria als Nicht-Träger des HbS-Gens. 2.8.2 Wirkung von Selektion und Zufall 7 Kap. 2.8.1.

2.8.3 Genetische Polymorphismen Unter einem genetischen Polymorphismus (Sequenzvariation) versteht man das Vorhandensein von mehr als 2 Allelen eines Gens in einer Population. Die Auftretenswahrscheinlichkeit der Genvariation muss größer als 1% sein, sonst handelt es sich um eine Mutation. Genprodukte eines Enzyms werden bei Ausprägung eines genetischen Polymorphismus Alloenzyme genannt.

Biologie

139

3 Grundlagen der Mikrobiologie und Ökologie Mind Map Zu den größten Feinden höherer Vertebraten (einschließlich Homo sapiens) scheinen Mikroorganismen zu gehören. Wir (Presse, vox populi) erkennen sie in unserem anthropozentrischen Weltbild als Störenfriede, die Krankheiten verursachen, vernachlässigen

jedoch ihren Platz als lebensnotwendige Partner in einem globalen biologischen Gleichgewicht. Nichtsdestotrotz im Folgenden ein paar Steckbriefe zu Bakterien, Pilzen und Viren.

3

140

Kapitel 3 · Grundlagen der Mikrobiologie und Ökologie

3.1

Morphologische Grundformen der Bakterien

Biologie

Bakterien sind Einzeller, Prokaryonten. Sie besitzen keinen Zellkern. Man kann sie ihrer Form nach einteilen in: 4 Kokken (Staphylo-, Strepto- und Diplokokken), 4 Stäbchen (Enterobacteriaceae, Gattung Bacillus), 4 schraubenförmige Bakterien (Spirillen, Treponemen) und 4 Vibrionen (z. B. Vibrio cholerae). 3.2

Aufbau und Morphologie der Bakterienzelle (Procyte)

3.2.1 Unterschiede zur Eucyte Es gibt einige markante Unterschiede der Prokaryonten gegenüber den Eukaryonten. Einen Zellkern gibt es nicht. Der Stoffwechsel findet im Zytoplasma statt, es fehlen kompartimentierte Organellen. Die Zellgrenzen bestehen aus einer Zellwand und der Zellmembran. Mitochondrien fehlen ebenfalls. Die Größe beträgt zwischen 1 und 5 μm (. Abb. 3.1). 3.2.2 Zellwand Fast alle Bakterien besitzen eine Zellwand. Sie enthält Murein, eine Verbindung aus N-Actylmuraminsäure und N-Acetylglucosamin. Sie sind durch kurze Peptide und Pentaglycine zum »Mureinsacculus« verknüpft. KLINIK Penicillin stört die Synthese der Zellwand, indem es die Vernetzung der Mureinuntereinheiten verhindert.

Der unterschiedliche Aufbau der Zellwand reflektiert das unterschiedliche Verhalten bei der Gramfärbung. Gramnegative Bakterien besitzen eine weitere äußere Membran, aus der sich der violette Gram-Farbstoff herauswaschen lässt. Diese äußere Membran enthält sog. Lipopolysaccharide (LPS), die oft eine toxische Wirkung der Bakterien verursachen. Merke Gramnegative Bakterien sind in der Regel weniger empfindlich gegenüber Penicillin oder endogenen Bakteriostatika (z. B. Lysozym).

. Abb. 3.1. Elektronenmikroskopische Aufnahme dreier Bakterien (L: Legionellen, Pfeile), die von einer Wirtszelle (hier: Amöbe) phagozytiert wurden und sich in ihrem Phagosom vermehren. Am Ende geht die Amöbe zugrunde und entlässt die Legionellen. Balken: 250 nm

Grampositive Bakterien, die mit Penicillin traktiert worden sind, verlieren ihre Zellwand und werden zu L-Formen, die normalerweise zugrunde gehen. Mykoplasmen Mykoplasmen sind zellwandlose Bakterien. Da sie wenig stabil sind, sind Mykoplasmen polymorph. Toxine Bakterien können Toxine bilden, die die Pathogenität ausmachen. Exotoxine sind kleine Eiweiße, die vom Bakterium ausgeschieden werden (z. B. Botulinustoxin). Endotoxine sind Membranbestandteile bestimmter gramnegativer Bakterien. 3.2.3 Geißeln, Pili (Fimbrien) Geißeln (Flagellen) benutzen eine Reihe von Bakterien zur Fortbewegung. Sie können einzeln (monotrich) oder mehrfach (polytrich) vorhanden sein. Die Art und Anzahl der Geißeln kann als taxonomisches Merkmal herangezogen werden.

141 3.3 · Wachstum der Bakterien

Der grundsätzliche Unterschied zu Kinozilien der Eukaryonten besteht im Einbau von Flagellin anstelle von Tubulin. Die Geißeln sind auch nicht von der Zellmembran umhüllt. Fimbrien (Pili) sind kleinere Oberflächendifferenzierungen, mit deren Hilfe sich Bakterien an Wirtsorganismen anheften können. Sexpili sind innen hohle Pili, die bei der Konjugation und dem Genausausch der Bakterien eine Rolle spielen.

3.2.8 Sporen Sporen sind äußerst langlebige und wetterresistente Geschöpfe einiger Bakterien. Da sie im Innern des Bakteriums gebildet werden, heißen sie auch Endosporen. Sie sind wasserarm und besitzen eine hohe Resistenz gegen hohe Temperaturen, Trockenheit und Desinfektionsmittel. Merke Bekannte und gefürchtete Sporenbildner sind Bacillus anthracis (Milzbrand), Clostridium botulinum (Botulismus), und Clostridium tetani (Wundstarrkrampf).

3.2.4 Kapsel Kapseln bestehen aus Polysacchariden und Polypeptiden, die einige Bakterien (z. B. Pneumokokken) um sich herum bilden können. Sie tragen zur Pathogenität bei, da sie die Anheftung an Substrate bzw. Wirtszellen erleichtern. Außerdem schützen sie das Bakterium vor der Phagozytose. 3.2.5 Zellmembran (Zytoplasmamembran) Die Zellmembran besteht aus einer Lipiddoppelschicht und ist ähnlich strukturiert wie bei Eukaryonten. An ihr finden zahlreiche Stoffwechselvorgänge statt. Sie sind Träger der Enzyme der Atmungskette, Enzyme für die Synthese der Zellwand, Permeasen, Transferproteine, und Sensorproteine. 3.2.6 Ribosomen Bakterien besitzen 70S-Ribosomen (30S+50S), im Unterschied zu den Ribosomen der Eukaryonten (80S= 40S+60S). 3.2.7 Nucleoid (Kernäquivalent),

Bakterienchromosom, Plasmide Das Kernäquivalent (»Nucleoid«) besteht aus dem Bakterienchromosom, in dem die DNA organisiert ist. Die DNA ist zirkulär und besitzt keine Histone. Weiterhin enthalten Bakterien extrachromosomale zirkuläre DNA, die von derjenigen des Bakterienchromosoms unabhängig ist (Plasmid). In ihnen sind wenige Gene lokalisiert, die aber aus humanpathologischer Sicht von Bedeutung sein können, nämlich Träger von Resistenz und Virulenzgenen (7 Kap. 3.4.2).

3

3.3

Wachstum der Bakterien

Bakterien vermehren sich in Abhängigkeit von Temperatur, Sauerstoffgehalt und Nährstoffgehalt. 3.3.1 Stoffwechsel

(Verhalten gegenüber Sauerstoff) Manche mögen und brauchen Sauerstoff (obligate Aerobier), manche verabscheuen ihn wie der Teufel das Weihwasser (obligate Anaerobier). Diese gewinnen ihre Energie aus der Gärung. Sie besitzen keine Enzyme der Atmungskette. Fakultativ anaerobe Bakterien können sich mit und ohne Sauerstoff vermehren (z. B. Escherichia coli). 3.3.2 Bakterienkultur Bakterienkulturen kann man den Bakterien als künstliches Substrat anbieten. Je nach Zusammensetzung gibt es für verschiedene Bakterien Unterschiede des Substratoptimums. Hauptbestandteile der Nährmedien sind Wasser, Mineralsalze und Glucose. Manche Kulturen verlangen zusätzlich Vitamine, Aminosäuren, Nucleotide. Diese Medien kann man mit Agarose zu einem inerten Gel verfestigen. Oftmals wachsen nach der Inokulation (Auftragen eines Bakterienabstrichs) von Mischpopulationen verschiedene Kolonien (genetisch identische Nachkommen eines Bakteriums) heran, die dann zu Reinkulturen weitergezüchtet werden können. Selektivmedien (z. B. garniert mit unterschiedlichen Antibiotika) kann man Zellen anbieten, um Zel-

142

Kapitel 3 · Grundlagen der Mikrobiologie und Ökologie

len mit bestimmten Resistenzen bzw. Sensitivitäten zu isolieren.

Repressorgen blockiert. Diese Blockade kann aufgehoben werden, wenn Laktose ankommt und an das Repressorprotein bindet (Repressor-Inaktivierung).

3.3.3 Wachstum und Vermehrung

Biologie

3.4.2 Übertragung von Genmaterial Die Wachstumsgeschwindigkeit von Bakterien hängt von Temperatur, Sauerstoff-, und Nährstoffgehalt ab. In einer Kultur verläuft eine typische Wachstumskurve in 5 Stadien: 1. Anlaufphase (lag-Phase): Anpassung der Kultur an die Rahmenbedingungen. 2. Exponenzielle Phase (log-Phase): exponenzielles Wachstum; die Wachstumsrate ist am höchsten, die Generationszeit (Zeit, in der sich die Zahl der Angehörigen verdoppelt) am kleinsten. 3. Retardationsphase: allmählich geht der Treibstoff aus, es kommt zur Verlangsamung des Wachstums. 4. Stationäre Phase: keine weitere Vermehrung der Zellen. 5. Deklinationsphase: Absoluter Nährstoffmangel sorgt für das Absterben der Zellen. Die Zellzahl schrumpft. Merke Die Generationszeit für E. coli liegt bei 20 min, bei Treponema pallidum bei 4–15 h, und bei Mycobacterium tuberculosis bei 18 h.

3.4

Bakterien sind sehr aktiv im Genaustausch. Dies betrifft sowohl den internen Genverkehr als auch den »interbakteriellen«. DNA-Abschnitte, die von einer Stelle des Genoms an eine andere hüpfen können, heißen Transposons. Dies kann man auch gentechnisch ausnutzen. Gene können auf folgende Weise übertragen werden: 4 Konjugation: Übertragung von Nucleotidsequenzen durch F-Pili (filopodienartige Strukturen, die die direkte Kontinuität einer Zelle an eine andere herstellt; ähnlich wie ein Space Shuttle an eine Raumstation). Hierbei werden Fertilitätsgene durch (F+)-Zellen auf Zellen übertragen, die diese Gene nicht besitzen, (F-)-Zellen. Der Fertilitätsfaktor liegt auf einem Plasmid, das sich als Besonderheit in die Chromosomen-DNA der F-Zelle integrieren kann. Wenn man will, handelt es sich um bakteriellen Sex. 4 Transduktion: Übertragung von Genen durch Bakteriophagen (Viren, die Bakterien befallen): unspezifische Transduktion. 4 Transformation: Aufnahme fremder DNA (meist experimentell). Die Integration der DNA in die aufnehmende Zelle hängt von deren Kompetenz ab.

Bakteriengenetik 3.4.3 Antibiotikaresistenz aus evolutions-

3.4.1 Bakterienchromosom, Plasmide

biologischer Sicht

(7 Kap. 3.2.7) Im Bakterienchromosom ist die DNA des Bakteriums lokalisiert (s. o.). Außerdem besitzt das Bakterium extrachromosomale DNA, die als Plasmid vorliegt. In der DNA gibt es keine Histone. Operon-Modell der Genregulation Auf der DNA befinden sich Strukturgene für die Proteinsynthese und Operatorgene, die wiederum die Transkription der Strukturgene kontrollieren. Die Promotorregion liegt vor dem Operatorgen und initiiert die Transkription. Die Einheit aus Promotor-, Operator- und Strukturgenen heißt Operon. Beispiel der Regulation bei E. coli: Das LactoseOperon enthält die Strukturgene für die Enzyme des Laktosestoffwechsels. Falls keine Laktose vorhanden ist, wird der Operator des Lactose-Operons durch ein

Resistenzfaktoren gegen Antibiotika sind den F-Faktoren ähnlich und werden durch Konjugation übertragen. Ein angereicherter Resistenzfaktor einer Bakterienpopulation kann sich zunächst im eigenen Stamm ausbreiten, aber auch in anderen Bakterienarten. Wird ein Resistenzfaktor aus einer harmlosen Zelle (z. B. E. coli) auf einen hochpathogenen Stamm (z. B. Salmonella) übertragen, ist Holland in Not. Etwas weniger gefährlich sind Resistenzen, die durch Mutationen entstanden sind. Bei Antibiotika-Gabe besteht die Gefahr, dass die mutierten Zellen weiter wachsen und sich unter diesem Selektionsdruck vermehren. Die unkritische Verabreichung von Antibiotika (Therapie banaler Grippen, Beimengung ins Viehfutter, Zahnpasta etc.) ist daher immer mit der Gefahr verbunden, resistente Bakterien zu züchten.

143 3.6 · Viren

KLINIK Daher gilt für die Therapie mit Antibiotika, dass eine ausreichend hohe Konzentration über eine gewisse Zeitdauer (nicht abbrechen, wenn es scheinbar besser geht!) verabreicht werden muss. Mutanten kann man am ehesten erwischen, indem man mehrere Antibiotika kombiniert.

3.5

Pilze

3.5.1 Lebensweise, medizinische

Bedeutung Pilze sind heterotrophe Eukaryonten. Sie besitzen Zellwände, die aus Chitin sind. Als Saprophyten (Faulstoffverwerter) ernähren sie sich von Stoffwechselprodukten anderer Organismen. Alternativ genießen sie das Miteinander (als Symbionten) oder eher Gegeneinander (als Parasiten) mit anderen lebenden Lebewesen. Humanpathogene Pilze als Verursacher von Mykosen sind z. B.: 4 Dermatophyten: Sie befallen Haut und Hautanhangsgebilde, z. B. Nägel und Haare. 4 Hefen (z. B. Candida albicans): Verdauungstrakt und Genitalbereich. 4 Schimmelpilze: Respirationstrakt.

3

Sexuelle (generative) Fortpflanzung: Die geschlechtliche Fortpflanzung gelingt durch die Verschmelzung zweier Gameten. 3.5.4 Synthese von Stoffen Für die klinische Praxis fallen Pilze durch einige synthetische Spezialitäten auf: 4 Mykotoxine (Aflatoxine) sind ein Qualitätsprodukt von Aspergillus flavus. Aflatoxin ist als potentes Kanzerogen bekannt. 4 α-Amanitin stammt vom Knollenblätterpilz und ist ein populäres Gift (so sehen es die Menschen), das schon ganze Familien nach dem Verzehr vermeintlicher Champignons aus dem Wege geräumt hat. Es ist hepatotoxisch. 4 Antibiotika, z. B. Penicillin, Gift (so sehen es Bakterien) von Penicillum notatum. Es hemmt die Zellwandsynthese der grampositiven Bakterien. 4 Ergotamin (von Claviceps purpurea) führt zur Kontraktion der Uterusmuskulatur. Außerdem hat es halluzinogene Wirkungen. KLINIK Das Gift eines einzigen Knollenblätterpilzes (ca. 50 g) genügt, um lebensgefährliche Vergiftungen bei einem Menschen mit einem Gewicht von 70 kg hervorzurufen.

KLINIK Eine in der Klinik gefürchtete Candidainfektion ist die systemische Candidamykose mit Candida Sepsis. Sie betrifft v. a. immun geschwächte Patienten und es kommt zur hämatogenen Aussaat von Candida-Species mit Absiedlung in verschiedene Organe.

3.5.2 Wachstumsformen Pilze bilden ein fadenförmiges Geflecht, das Myzel. Zellfäden des Myzels sind die Hyphen. Sie können kompartimentiert sein oder ein Kontinuum bilden. Im Unterschied dazu sind Sprosspilze (Hefen) hyphenlos. 3.5.3 Vermehrung Asexuelle Fortpflanzung: Pilze pflanzen sich asexuell durch Zerfall von Hyphen fort, die Sporen entlassen.

3.6

Viren

3.6.1 Virusbegriff Viren sind Makromoleküle, die sich nur auf Kosten anderer Organismen ernähren und vermehren können. Je nach Wirtspräferenz gibt es Viren, die Bakterien befallen (Bakteriophagen, bakterielle Viren), eukaryontische tierische Viren und pflanzliche Viren. 3.6.2 Aufbau Zelluläre Strukturen, Ribosomen oder ein eigener Zellstoffwechsel fehlen den Viren. Die Größe der Viren liegt zwischen 20 nm (Poliomyelitis-Virus) und 300 nm (Mumpsvirus). Sie enthalten entweder nur eine DNA in Doppelstrang- oder Einzelstrangform oder RNA. Die Nukleinsäuren sind in einen Proteinmantel gehüllt (Capsid). In großen Bakteriophagen liegt die DNA (oder RNA) im Kopf, an dem ein Schwanz heftet. Dieser

144

Kapitel 3 · Grundlagen der Mikrobiologie und Ökologie

Biologie

kann zusätzlich kleine Stacheln (spikes) besitzen, die bei Anheftung und Injektion der Nukleinsäuren in die Wirtszelle von Bedeutung sind. Als obligate Zellparasiten ist Viren nur daran gelegen, ihr genetisches Material wie ein Kuckucksei anderswo ausbrüten (transkribieren) zu lassen. Eine Hülle aus Protein erkennt geeignete Wirtszellen. Viren sind nicht nur hervorragende Modelle für das Verständnis molekularbiologischer Vorgänge, sondern leider auch Erreger für zahlreiche Erkrankungen. 3.6.3 Vermehrung und Genetik Viren vermehren sich durch folgende Mechanismen: 4 Adsorption: Die tierischen Viren vermehren sich, indem sie sich zunächst an die ausgewählte Zelle anheften. 4 Penetration: Nach Fusion der Virushülle mit der Zellmembran wird das Capsid in die Wirtszelle injiziert. Es folgt das Restvirus nach, den die Wirtszelle phagozytiert. 4 Uncoating: In der Wirtszelle wird sodann die Proteinhülle des Virus-Nucleotids aufgelöst, somit das Genom des Virus freigesetzt. 4 Replikation: Der Apparat der Wirtszelle repliziert nun die fremde Nukleinsäure und Proteine. 4 Maturation und Liberation: Am Ende wird alles zu neuen Viren zusammengesetzt, die dann aus der Zelle ausgeschleust werden. Dabei geht die Wirtszelle durch Lyse meist zugrunde. Tumorviren Falls virale Gene in das Genom der Wirtszelle eingebaut werden (Viren als Vektoren), können diese zu Tumorzellen transformiert werden. Die Viren benötigen reverse Transkriptase, d. h., RNA wird mit diesem viralen Enzym in DNA umgeschrieben. Solche Viren heißen Retroviren. Beim Menschen ist dies für die adulte T-Zell-Leukämie (HTL-V1), die HaarzellLeukämie (HTL-V2) sowie HTL-V3 (HIV) nachgewiesen. Virostatika Ansatzpunkte für eine spezifische Therapie sind Medikamente, die in die Replikation des Virus eingreifen Interferone sind streng spezies-spezifische, zelleigene Abwehrproteine, die bei einer Virusinfektion freigesetzt werden. Sie unterdrücken auf noch nicht ganz geklärte Weise die Virusentwicklung, u. a. durch Veränderung der Zellmembranen, die Bildung eines Translationshemmers und eines exotischen Nucleotids.

Impfung Der wirksamste Schutz gegen bekannte, epidemisch auftretende Virusinfektionen ist die Impfung. Hierbei wird die Tatsache ausgenutzt, dass der Organismus die Proteinstruktur von Viren nach Impfung mit abgeschwächten oder abgetöteten Erregern wieder erkennt und unschädlich macht. 3.7

Prionen

Prionen (engl. proteinaceous infectious particle) sind sehr kleine infektiöse Molekülkomplexe. Sie kommen in tierischen Organismen natürlicherweise vor, können normalerweise vom Organismus korrigiert werden. Sie enthalten kein eigenes genetisches Material. Physiologischerweise sollen Prionen auch eine Rolle bei der Neurogenese spielen. 3.7.1 Theorien zu Aufbau und Vermehrung Creutzfeld-Jakob-Krankheit (CFD) Die CFD ist eine sehr selten auftretende Erkrankung, die auf der Veränderung gesunder Proteine in Nervenzellen des Gehirns durch abnorm gefaltete Prionproteine beruht. Folge ist eine Art Klumpenbildung der Proteine und Induktion von Apoptose der Nervenzellen. Der diagnostische Begriff »spongioforme Enzephalopathie« bezeichnet die schwammartige Auflockerung des Nervengewebes befallener Gehirnregionen. Die Übertragungsweise ist ungeklärt. Es gibt sporadische, genetische Faktoren und übertragene Formen (selten). Eine Variante mit ähnlichen Symptomen, aber besser verstandenem Übertragungsmodus ist die BSE (Bovine spongioforme Enzephalopathie). 3.8

Ausgewählte Kapitel aus der Ökologie mit Bezügen zur Mikrobiologie

3.8.1 Stoffkreisläufe Kreisläufe für Stickstoff, Sauerstoff und Kohlenstoff sind wichtig für das Wachstum und Vermehrung der organischen Materie. Stoffkreislauf des Stickstoffs Der Stickstoffanteil der Luft beträgt zwar 78%, aber nur wenige Mikroorganismen können ihn als molekularen Stickstoff verwenden, z. B. Bakterien und Blaualgen.

145 3.8 · Ausgewählte Kapitel aus der Ökologie mit Bezügen zur Mikrobiologie

3

Pflanzen können Stickstoff in der Regel nur als Nitrat oder Ammoniak aufnehmen. Die Eutrophierung von Gewässern beruht auf der übertriebenen Zufuhr von Phosphat, das in Dünger und Waschmitteln enthalten ist. Dies führt zu verstärktem Algenwachstum, besonders gefragt sind solche, die ohne Sauerstoff auskommen (Anaerobier). Sie produzieren Giftgas (Methan, Schwefelwasserstoffe). Es kommt zur Faulschlammbildung, der zum Absterben der Lebewesen führt (Umkippen eines Gewässers). Nachgelieferter Sauerstoff könnte das kompensieren. Kläranlagen entlasten die biologischen Systeme, indem organische Abwasseranteile kontrolliert in anorganische Endprodukte zerlegt werden.

Populationen können sich verändern. Zu den Dichteunabhängigen begrenzenden Faktoren (Gedränge-Faktor) zählen: 4 Abiotische Faktoren: Verknappung von Wasser und Nahrung, Klimaänderungen, Unwetter, sowie 4 Biotische Faktoren: Seuchen, Konkurrenzverhalten, Parasitenbefall.

3.8.2 Nahrungskette

3.8.4 Wechselbeziehungen zwischen artverschiedenen Organismen

Die Nahrungskette besteht aus folgenden Gliedern: 4 Produzenten: dies sind Organismen, die aus anorganischen Substanzen und Licht organische Verbindungen aufbauen. Zu ihnen gehören Pflanzen und einige Bakterien (autotrophe Organismen). 4 Konsumenten: Dies sind Teilnehmer der Nahrungskette,die andere artspezifische Verbindungen aufbauen. Man kann sie einteilen in herbivore und karnivore Konsumenten (heterotrophe Organismen). Die Produzenten haben jedoch Eigenkosten. Abgezogen von der Bruttoprimärproduktion müssen Steuern, Abgaben, Strafen, Zölle (d. h. Wärmeenergie, Atmungsverlust). Erst die Nettoprimärproduktion steht den Konsumenten zum Aufbau der Biomasse zur Verfügung. 3.8.3 Regulation der Populationsgröße

in einem Ökosystem Die Populationsökologie befasst sich mit individuellen Reaktionen von Angehörigen einer Art, die in einem Biotop leben (z. B. öffentlicher Dienst). Charakteristika einer Population sind: 4 Größe, 4 Dichte und 4 Struktur, die wiederum untergliedert werden kann in Sozialstruktur und Altersstruktur.

Auch Dichte-abhängige Faktoren beeinflussen die Größe einer Population, z. B. die Anzahl ihrer Mitglieder selbst (steigende Zahl von Räubern führt zur Nahrungsmittelknappheit und Dezimierung der Räuberdichte). Der Sozialindex bezeichnet die Geschlechterproportion innerhalb einer Population.

Das Zusammenleben verschiedener Kulturen bereitet deren Angehörigen allenthalben Kopfzerbrechen. In der Biologie gibt es dort mehrere Konzepte: 4 Bei der Symbiose finden sich Individuen zweier Arten zusammen, um gemeinsam voneinander zu profitieren. Was täten die Rindviecher (die sich bekanntlich von cellulosehaltigem Material ernähren: Gras) ohne Individuen, die über cellulose-abbauende Enzyme verfügen? In ihren Pansen arbeiten entsprechend ausgestattete Ciliaten. Darmbakterien des Menschen produzieren Vitamin K. Ohne dieses läuft nichts (oder eher zuviel) in der Blutgerinnung. 4 Kommensalismus ist das Zusammenleben von Nachbarn, die nichts voneinander hören und sehen. Niemand hat einen Nutzen, und keiner einen Schaden (Fressgemeinschaft. Beispiel: Mensabetrieb oder neosozialistischer Wohnblock). 4 Parasitismus: Parasiten leben in einem Organismus, ernähren sich von ihm und schaden ihm. Im Pflanzenreich wäre die Mistel ein Beispiel, die als schmarotzender Epiphyt auf anderen Bäumen lebt und von dessen Detritus lebt. Im menschlichen Organismus kommen zahlreiche Hautbakterien vor, die sich an der nahrhaften Epidermis gut tun. Parasiten sind ärztliches Großkampfgebiet, denn etwa 1 Milliarde Menschen sind von Parasiten betroffen (Flöhe, Läuse, Hundebandwurm, Anopheles-Mücke u. v. a. m.).

Physik J. Ernst

1

Grundbegriffe des Messens und der quantitativen Beschreibung – 148

2

Mechanik

3

Struktur der Materie – 170

4

Wärmelehre

5

Elektrizitätslehre

6

Schwingungen und Wellen

7

Optik

8

Ionisierende Strahlung – 242

– 158

– 178 – 188 – 214

– 226

Physik

149

1 Grundbegriffe des Messens und der quantitativen Beschreibung Mind Map Die Physik beschäftigt sich mit fundamentalen, quantitativ erfassbaren Erscheinungen der unbelebten und belebten Natur und beschreibt die gefundenen Gesetzmäßigkeiten mithilfe von geeigneten physikalischen Größen. Auch die Medizin kann auf die Verwendung von physikalischen Größen und Vorstellungen nicht verzichten. Einmal, weil auch Chemie, Biochemie, Pharmakologie und auch die Physiologie auf physikalischen Erkenntnissen aufbauen, zum anderen, weil die vielen technischen Hilfsmittel der Apparatemedizin ohne physikalisches Grundverständnis nicht gefahrlos genutzt werden können. So beginnt die ärztliche Untersuchung eines Patienten meist mit der

Messung einfacher physikalischer Größen: Der Arzt ermittelt Körpergröße und Gewicht (Körpermasse) des Patienten, seine momentane Temperatur, die Pulsfrequenz, den systolischen und diastolischen Blutdruck. Er notiert die Höhe der Temperatur in °C, die Körpergröße in cm, die Zahl der Herzpulse pro Minute, den Blutdruck in mmHg-Säule und zieht daraus erste Schlüsse auf den Zustand des Patienten. Diese physikalischen Werte werden in Basisgrößen und Basiseinheiten des SI-Systems dokumentiert, und zur besseren Interpretation grafisch dargestellt oder mithilfe von Formeln gewonnen, z. B. bei der Berechnung des Mittelwerts oder der Standardabweichung ausgewertet.

1

150

Kapitel 1 · Grundbegriffe des Messens und der quantitativen Beschreibung

1.1

Physikalische Größen und Einheiten

1.1.1 Skalare und vektorielle Größen

Physik

In Tabellen oder Formeln werden physikalische Größen meist durch charakteristische Buchstaben des lateinischen oder griechischen Alphabets symbolisiert, z. B. steht häufig m für Masse, ρ für die Dichte, p für Druck und f für Frequenz. Physikalische Größen, die eine bestimmte Richtung im Raum haben, nennt man vektorielle oder gerichtete Größen (Vektoren) im Gegensatz zu skalaren oder ungerichteten Größen, so genannten Skalaren. Zum Beispiel haben die Geschwindigkeit eines Körpers oder die auf ihn wirkenden Kräfte immer bestimmte Richtungen, nicht aber dessen Masse, Energie oder Temperatur. Merke Skalare Größe = MaßzahluEinheit Vektorielle Größe = BetraguRichtunguEinheit

Die Produktbildung von Zahlenwert und Einheit ist rein formal und erlaubt damit das Zusammenfassen bzw. das Kürzen von Einheiten in Formeln, wo mehrere physikalische Größen miteinander kombiniert werden. Das Mal-Zeichen wird oft nicht ausgeschrieben, z. B. in quantitativen Angaben wie Körpergröße L=186 cm. Der vektorielle Charakter einer physikalischen Größe wird häufig durch einen Pfeil über ihrem Buchstabensymbol angegeben, die Richtung selbst ist durch die Komponenten eines so genannten Einheitsvektors der Länge 1 bezüglich der 3 Raumachsen festgelegt. Multipliziert man diese mit dem Betrag des Vektors, so erhält man die Komponenten des Vektors in den 3 Raumrichtungen. Das Vorgehen bei der Addition von 2 Vektoren beschreibt die . Abbildung 1.1. Bei der Subtraktion eines Vektors von einem anderen verfährt man wie bei der

. Abb. 1.1. Vektoraddition. Man trägt den zu addierenden Vektor von der Pfeilspitze des Ausgangsvektors aus auf. Die resultierende Summe zeigt der blaue Pfeil an. (Harten 2006)

. Abb. 1.2. Vektoraddition: Die Zerlegung eines räumlichen  Vektors a in seine 3 senkrecht zu einander stehenden Kom   ponenten ax , ay und az . (Harten 2006)

Addition, aber trägt den zu subtrahierenden Vektor entgegen seiner Richtung auf. Die Zerlegung eines  räumlichen Vektors a in seine 3 senkrecht zu einander    stehenden Komponenten ax , a y und az zeigt . Abbildung 1.2. Prüfungsfallstricke Die Größe Zeit hat nur eine zeitliche Richtung und ist deshalb kein Vektor!

1.1.2 Basisgrößen und Basiseinheiten des

Internationalen Einheitensystems Für physikalische Größen werden häufig sehr unterschiedliche Einheiten benutzt. So kann ein Zeitintervall in Jahren, Monaten, Wochen, Stunden, Minuten oder Sekunden angegeben werden, Längen werden je nach Objekt oder Land in Vielfachen oder Bruchteilen von Metern, Zoll, Fuß, Yard oder Meilen ausgedrückt, was bei der Beschreibung von zusammengesetzten Größen wie »Geschwindigkeit = Weg durch Zeit« eine verwirrende Vielzahl von Einheiten möglich macht (von Meter/Sekunde bis Meilen/Stunde), die ineinander umzurechnen jeweils besondere Umrechnungsfaktoren erfordern. Man hat deshalb für wissenschaftliche Zwecke das so genannte Internationale Einheitensystem (SI-System) entwickelt, in dem sich jede physikalische Größe als eine von 7 Basisgrößen oder eine Kombination von diesen darstellen lässt, und zwar in der Einheit des entsprechenden Potenzprodukts von Basiseinheiten. Die 7 Basisgrößen des SI-Systems, ihre Basiseinheiten und die für sie zu gebrauchenden Zeichen sind in . Tabelle 1.1 zu-

1

151 1.1 · Physikalische Größen und Einheiten

. Tab. 1.1. Die 7 Basisgrößen und Basiseinheiten des SI-Systems

Basisgröße im SI-System

Basiseinheit

Zeichen

Länge

Meter

m

Zeit

Sekunde

s

Masse

Kilogramm

kg

Elektrische Stromstärke

Ampere

A

Temperatur

Kelvin

K

Stoffmenge

Mol

mol

Lichtstärke

Candela

cd

. Tab. 1.2. Kurzschreibweise von Zehnerpotenzen

Vorsilbe

Kurzform

Zehnerpotenz

Vorsilbe

Kurzform

Zehnerpotenz

Deka

da

101

Dezi

d

10–1

Hekto

h

102

Centi

c

10–2

Kilo

k

103

Milli

m

10–3

Mega

M

106

Mikro

μ

10–6

Giga

G

109

Nano

n

10–9

Tera

T

1012

Piko

p

10–12

Merke sammengestellt. So hat z. B. die Massendichte ρ eines Stoffs wegen ρ=Masse/Volumen die SI-Einheit kg/m3. Winkel werden entweder im Gradmaß angegeben, wobei 1° dem 360. Teil des Vollkreises entspricht, oder als das Verhältnis vom zugehörigen Kreisbogen s zum Radius r. Dieses dimensionslose Verhältnis wird in der Einheit Radiant angegeben: 4 1 Radiant=1 rad=1 m∕1 m; 4 aus α/360°u2π=1 folgt: 1 rad entspricht einem Winkel α=360°/2π=57,296°. 4 Umgekehrt entspricht 1°=2π/360=0,0174533 rad. Im Examen wird häufig nach geometrischen Abhängigkeiten gefragt. Die wichtigsten Formeln sind in den folgenden Merksätzen für Kreise und Kugeln vom Radius r und für Zylinder mit Radius r und Höhe h zusammengestellt: Merke Kreis: Umfang U=2πur; Fläche A=πur2. Kugel: Oberfläche O=4πur2; Volumen V=4∕3uπur3. Zylinder: Oberfläche A=2πur2+2πuruh; Volumen V=πur2uh.

1.1.3 SI-kohärente Einheiten, Kurzschreib-

weise von Zehnerpotenzen Die Einheit einer physikalische Größe ist SI-kohärent, wenn sie sich mit Faktoren 1 auf SI-Basiseinheiten zurückführen lässt. Daher sind Produkte aus SI-kohärenten Einheiten wieder SI-kohärent: z. B. ergibt das Produkt aus Druck mal Volumen automatisch die geleistete Ausdehnungsarbeit eines Gases in NewtonuMeter (Nm) an, wenn der Druck in Pascal (1 Pa=1 kgum–1 us–2) und das Volumen in m3 angegeben wird.

Wird eine zusammengesetzte physikalische Größe nicht in einer SI-kohärenten Einheit angegeben, so rechnet man sie in eine SI-kohärente Einheit um, indem man jede angegebene Einheit in Basiseinheiten des SI-Systems umrechnet.

Um das Sprechen oder Schreiben von sehr kleinen oder großen physikalischen Größen zu vereinfachen, drückt man gern die zugehörigen Zehnerpotenzen durch entsprechende Vorsilben bzw. vor die SI-Einheit gestellte Kurzformen aus, wie in . Tabelle 1.2 angegeben. Beispiele

Dehnt sich ein Gas bei einem konstanten Druck von 1000 mb um 1 l aus, so wird die Arbeit W= 1000 mbaru1 dm3 geleistet. Da 1 mbar=1 hPa=100 Pa und 1 l=(0,1 m)3=10–3 m3 entspricht, ist W=1000u100u 10–3 Pam3=100 Nm (s. o.). Die Lichtgeschwindigkeit c=3u108 m/s=300.000 km/s lässt sich so auch als c=0,3 Gm/s oder c=30 cm/ns schreiben. Merke Obwohl das kg die Basiseinheit der Masse im SI ist, schreibe man nie für 1 mg (1 Milligramm) 1 μkg, da das k in kg bereits eine Vorsilbe darstellt. Damit man nicht m für Milli mit m für Meter verwechselt, schreibe man bei zusammengesetzten Einheiten das m für Meter hinter die andere Einheit, da z. B. Nm immer als NewtonuMeter, aber mN auch als Millinewton interpretiert werden kann.

152

Kapitel 1 · Grundbegriffe des Messens und der quantitativen Beschreibung

1.2

Messen und Unsicherheiten beim Messen

1.2.2 Erwartungswert, σ-Breite einer

Normalverteilung, maximaler Fehler, absoluter und relativer Fehler

1.2.1 Systematische und zufällige Fehler

Physik

Die Messung einer physikalischen Größe geschieht wie folgt: Man vergleicht entweder optisch die zu messende Größe mit einer in entsprechenden Einheiten geeichten Skala (Messlatte, Waage, Thermometer, Druckmessgerät, Amperemeter usw.) oder bestimmt die zu messende Größe indirekt durch elektrische Verfahren, die ein geeichtes Zählwerk betätigen (z. B. Gas- und Strom- und Wasserverbrauchzähler) oder neuerdings durch digitale Anzeigen. Messungen von physikalischen Größen sind immer fehlerbehaftet. Die Messfehler werden auf zwei Ursachen zurückgeführt: 4 systematische Fehler und 4 zufällige (so genannte statistische) Fehler. Der systematische Fehler geht auf Unzulänglichkeiten der Messapparatur zurück. Zum einen ist die Kalibrierung einer Apparatur immer fehlerbehaftet, zum anderen können Temperatur- oder Druckschwankungen oder andere zeitlich sich ändernde Umwelteinflüsse Einfluss auf die Kalibrierung haben.

Den Wert der zu messenden Größe bei einer unbegrenzten Zahl von Fällen nennt man ihren Erwartungswert. Wiederholt man eine Messung unter den gleichen äußeren Bedingungen, so wird das Messergebnis vom Erwartungswert um den Wert Δx abweichen, dessen Wahrscheinlichkeit durch eine Gaußsche Normalverteilung der Breite σ gegeben ist. Diese σ-Breite wird dann als Maß für den zufälligen Fehler genommen und auch als Streubreite bezeichnet. Ca. ⅔ aller Messwerte sind im Intervall ±σ zu erwarten, ⅓ außerhalb. Der maximale Fehler einer Einzelmessung setzt sich aus der Summe der Beträge des geschätzten systematischen und zufälligen Fehlers zusammen. Wird der so definierte absolute Fehler durch die Messgröße selbst dividiert, erhält man den so genannten relativen Fehler einer Messung. Merke Der absolute Fehler hat dieselbe Einheit wie das Messergebnis. Der relative Fehler ist dimensionslos (Angabe meist in %).

Merke Kennt man die störenden Faktoren einer Messung quantitativ, so kann gegebenenfalls auf den systematischen Fehler korrigiert werden.

Der zufällige Fehler geht zum einen auf die Ungenauigkeit zurück, mit der jeder Ablesevorgang verknüpft ist. Selbst bei digitalen Anzeigen beinhaltet die letzte Ziffer immer eine Unsicherheit von einer Einheit der letzten Stelle, da man ja nicht weiß, ob dieser Wert gerade erreicht wurde oder der nächsthöhere Wert gerade noch nicht! Zum anderen kann die zu messende Größe selbst eine statistische sein, d. h., eine, für die zwar eine bestimmte Wahrscheinlichkeit für den Eintritt angenommen wird, aber die Messung aufgrund einer begrenzten Zahl von Fällen (z. B. bei Patientenstatistiken oder von Zerfällen bei der Radioaktivität) mit einer inhärenten statistischen Unsicherheit behaftet ist, die sich jedoch mathematisch abschätzen lässt.

1.2.3 Mittelwert, Streuung und Fehler

des Mittelwerts Führt man eine Messung n Mal in gleicher Weise mit Messwerten xi durch, so kann man den Erwartungswert der Messgröße durch den so genannten Mittelwert x=

1 n  xi n i =1

abschätzen, um den die Messwerte gemäß einer Normalverteilung der Breite σ streuen, wobei σ als Standardabweichung bezeichnet wird: s=

1 n  (xi - x )2 n - 1 i =1

Der wahre gesuchte Wert (Erwartungswert) ist dann mit hoher Wahrscheinlichkeit im Intervall ± Dx um den Mittelwert x herum zu finden. Dieser Fehler des Mittelwerts berechnet sich nach der Formel: Dx =

n 1 1 2 Â (xi - x ) = s ¥ . n(n - 1) i =1 n

153 1.3 · Zusammenhänge zwischen physikalischen Größen

1.2.4 Fehlerfortpflanzung Ist eine physikalische Größe durch mehr als eine Messgröße zu bestimmen, so tragen die Fehler jeder Messgröße zum Gesamtfehler bei. Betrachten wir der Einfachheit halber nur den maximalen Fehler, so gelten je nach funktionalem Zusammenhang der Messgrößen folgende wichtige Regeln: Merke Bei der Summation oder Differenzbildung von Messgrößen addieren sich die absoluten Fehler der einzelnen Summanden und Minuenden. Setzt sich die zu messende Größe aus dem Produkt oder dem Quotienten einzelner Messgrößen zusammen, so addieren sich die relativen Fehler der einzelnen Faktoren.

Beispiele

Die Seiten a und b eines rechteckigen Zimmers werden mit einer Messlatte von 2 m Länge ausgemessen, wobei bei jedem Anlegen der Latte ein Messfehler von ±0,5 cm in Rechnung zu stellen ist. a=a1+a2+a3, b=b1+b2 a1=200 cm, a2=200 cm, a3=100 cm; b1=200 cm, b2=185 cm. Dann ist Δa=±1,5 cm und Δb=±1 cm, bzw. die relativen Fehler lauten Δa∕a=±1,5/500=±0,3% und Δb/b= 1/385=±0,26%. Der Umfang U=2(a+b)=2(500+385) cm=1770 cm ist dann auf ΔU=±2(1,5+1) cm=±5 cm, bzw. auf ΔU/U=5/1770=±0,28% genau bestimmt. Die Zimmerfläche A=aub=192.500 cm2=19,25 m2 hat dann einen relativen Fehler von ΔA/A=Δa/a+Δb/b=± (0,3+0,26)%=±0,56%, bzw. eine absolute Ungenauigkeit von ΔA=0,0056uA= ±0,11 m2. In Wirklichkeit sind die tatsächlichen Unsicherheiten kleiner als der so berechnete maximale Fehler, da sich Fehler ja unter Umständen kompensieren können. Deshalb werden bei genaueren Abschätzungen die Quadrate der absoluten bzw. relativen Fehler addiert und als Gaußscher Fehler die Quadratwurzel aus der resultierenden Summe genommen.

1.3

1

Zusammenhänge zwischen physikalischen Größen

Die Abhängigkeit einer physikalischen Größe von anderen wird in der Physik durch so genannte Größengleichungen ausgedrückt. Das heißt, die gefundenen Zusammenhänge von physikalischen Größen werden in mathematische Formeln oder Gesetze gefasst. Dabei muss sich das Produkt der Einheiten auf der rechten Seite der Gleichung so zusammenfassen lassen, dass das Ergebnis mit dem Produkt der Einheiten auf der linken Seite übereinstimmt. Um dies zu prüfen, muss man unter Umständen alle verwendeten Einheiten in entsprechende Basiseinheiten z. B. des SI-Systems umrechnen. Die folgenden Unterabschnitte geben eine Übersicht über die wichtigsten mathematischen Funktionen und ihren grafischen Verlauf. 1.3.1 Grafische Darstellungen Bei grafischen Darstellungen trägt man am besten jede physikalische Größe, geteilt durch die verwendete Einheit, also einen dimensionslosen Zahlenwert, gemäß der entsprechend beschrifteten Koordinatenachse auf. Dann machen auch halb- oder doppellogarithmische Auftragungen Sinn: z. B. trägt man bei einer Fieberkurve auf der Ordinate den Verlauf der Zahlenwerte Temperatur/°C gegen die Zahlenwerte Zeit/h auf der Abszisse auf, bei radioaktiven Zerfällen log(Aktivität/ Bq) gegen Zeit/s. 1.3.2 Die Geradengleichung

und Darstellung der linearen und proportionalen Abhängigkeit Die einfachste Abhängigkeit einer physikalischen Größe von einer anderen ist eine lineare Abhängigkeit, die in der grafischen Darstellung die Form einer Geraden annimmt: y=f(x)=mux+c. Dabei ist m=tagα die Steigung der Geraden und c der Achsenabschnitt bei x=0 (. Abb. 1.3). Die Steigung der Geraden für 2 beliebige Punkte P1(x1,y1) und P2(x2,y2) auf der Geraden ist grafisch gegeben durch den Differenzenquotienten (. Tab. 1.3): m=(y2–y1)/(x2–x1)=Δy/Δx. Für den Fall c=0 geht die Gerade durch den Ursprung und y ist direkt proportional zu x mit dem Proportionalitätsfaktor m.

154

Kapitel 1 · Grundbegriffe des Messens und der quantitativen Beschreibung

Die anschauliche Bedeutung der Proportionalität ist: Die Größe y ändert sich in gleichem Maß (prozentual oder relativ) wie die Größe x, von der sie abhängt. Mathematisch gilt allgemein: Die Tangente durch einen Punkt x der durch die Funktion f(x) gegebenen Kurve hat eine Steigung, die durch den Differenzialquotienten, d. h. die erste Ableitung der Funktion f ’(x) definiert ist: m=f ’(x)=dy∕dx. Er geht für 2 beliebig nahe gelegene Punkte aus dem Differenzenquotienten hervor. 1.3.3 Die Anpassung von Ausgleichs-

Physik

geraden Bei mehreren gegebenen Messpunkten mit Fehlerbalken besteht die Auswertung einer Messung häufig darin, dass man an die Messdaten eine lineare Funktion, d. h. eine Gerade anpasst, aus deren Steigung und/oder Achsenabschnitt man die gewünschte Information erhalten will. Mithilfe eines durchsichtigen Lineals findet man am leichtesten die gesuchte Ausgleichsgerade, indem man das Lineal so anlegt, dass möglichst gleich viele Messpunkte oberhalb wie unterhalb der Linealkante liegen und die Abweichungen der Messpunkte von der Geraden möglichst klein sind. Mathematisch bzw. per Computerprogramm macht man das, indem man die Lage der Ausgleichsgeraden solange variiert, bis die Summe der Quadrate der . Abb. 1.3. Gerade und Hyperbel: grafische Darstellung proportionaler und umgekehrt proportionaler Abhängigkeit

Abstände aller Messpunkte von der Ausgleichsgeraden minimal wird. 1.3.4 Die Hyperbel und Darstellung

der umgekehrt proportionalen Abhängigkeit Im Falle der umgekehrten Proportionalität (y=c/x) ändert sich die Größe y in gleichem Maß (prozentual oder relativ) wie die Größe 1/x, von der sie abhängt. Oder anders gesagt, sind 2 physikalische Größen umgekehrt proportional, wenn ihr Produkt yux=c konstant ist. Wächst x um einen Faktor, so vermindert sich y um denselben Faktor. Grafisch entspricht diese Relation einer Hyperbel. Da man eine Gerade an gegebene Daten mit Messfehlern leichter anpassen kann als an eine Hyperbel, lässt sich durch die Substitution z=1/x die Hyperbelfunktion in eine Gerade durch den Ursprung umwandeln: y=cuz (. Abb. 1.3). 1.3.5 Das Rechnen mit Potenzen

und Logarithmen Multipliziert man eine Zahl oder ihr Symbol n-mal mit sich selbst, so schreibt man das Ergebnis vereinfacht an, z. B. 10u10u10u10=104. Diese Schreibweise hat auch noch Bedeutung, wenn n keine ganze Zahl ist, sondern eine beliebige reelle, positive oder negative

y y=x

3

2 y = 12– x y = 3–x

1

y = 1–x 0

1

2

3

x

155 1.3 · Zusammenhänge zwischen physikalischen Größen

Zahl, und wenn man statt der Basis 10 eine beliebige positive Zahl a einsetzt. Es gelten dabei folgende Regeln: Merke anuam=an+m; an∕am=an–m; a0=1, weil an∕an=an–n=a0; (an)m=anum; a1∕n=n√a, da (a1/n)n=an/n=a1=a. Beim Rechnen mit sehr großen und/oder kleinen Zahlen ist es vorteilhaft, alle Zahlen in Zehnerpotenzen zu schreiben und Letztere dann zusammenzufassen. Als Beispiel: 0,00000156u75.400.000/314.000= 1,56u7,54/3,14u10–6+7–5=3,746u10-4.

Im Prinzip lässt sich jede positive reelle Zahl als Potenz einer bestimmten Basis schreiben. So ist z. B. 2=100,30103. Den Exponenten zur Basis 10, der die Zahl 2 wiedergibt, bezeichnet man als den Logarithmus von 2 zur Basis 10: log102=log2 mit log2=0,30103. Für das Rechnen mit Logarithmen gilt daher entsprechend den oben aufgeschriebenen Regeln für Potenzen Folgendes, wobei man mit loga immer log10a meint: Merke log(aub)=loga+logb; log(a/b)=loga–logb; logan=nuloga; log10=1; log1=log100=0ulog10=0. Also ist: log1012=12ulog10=12; log10–8=-8; log(6,023u1023)=log6,023+23=23,78

KLINIK In Physik und Chemie sowie in Physiologie und Biochemie rechnet man gern mit Logarithmen, wenn Messergebnisse im Bereich von vielen Größenordnungen variieren, wie z. B. bei der Angabe von Lautstärken in der Akustik (Phonmaß in 7 Kap. 6.3.4) oder der Azidität von Lösungen (pH-Wert in 7 Kap. 5.7.2).

1.3.6 Die Exponenzialfunktion und das

Rechnen mit Logarithmen zur Basis e Die Exponenzialfunktion ex zur Basis e=2,72… spielt eine wichtige Rolle bei der Beschreibung physikalischer Vorgänge wie Populationswachstum bei konstanter Reproduktionsrate bzw. Schwächung von Licht und Röntgenstrahlung beim Durchgang durch Materie oder Abfall der Aktivität von radioaktiven Präparaten mit der Zeit. Ihre mathematische Bedeutung liegt darin, dass sie die einzige Funktion ist, deren Ableitung f c(x) wieder die Funktion f(x) selbst ist. Die Funktion ex wächst ab einem bestimmten x stärker als jede Funktion xn. Die Funktionen ex und e–x sind in . Abbildung 1.4 dargestellt. Für x=1 hat sich die Funktion e1 um den Faktor e erhöht, bzw. sie ist bei e–1 um den Faktor e auf 1∕e abgefallen. Trägt man die Funktion y=c1uexp(–c2ux), die z. B. den radioaktiven Zerfall beschreibt (7 Kap. 8), im halb logarithmischen Maßstab zur Basis e auf (mit lna ist

. Tab. 1.3. Die Winkelfunktionen

Funktion

Definiton

Zusammenhang

Vorzeichen 1., 2., 3., 4. Quadrant

Typische Werte

sin a =

Gegenkathete Hypothenuse

= cos (90∞- a)

+ + − −

sin0°=0,00 sin30°=0,50 sin45°=0,71 sin60°=0,87 sin90°=1,00

Ankathete Hypothenuse

= sin (90∞- a )

+ − − +

cos0°=1,00 cos30°=0,87 cos45°=0,71 cos60°=0,50 cos90°=0,00

Gegenkathete Ankathete

=

+ − + −

tan0°=0,00 tan30°=0,58 tan45°=1,00 tan60°=1,73 tan90°=± ∞

cos a =

tan a = 1 = cot a

=

=

1- cos2 a

1- sin2 a

sin a cos a für a £ 10∞ : sin a @ tan a

1

Kapitel 1 · Grundbegriffe des Messens und der quantitativen Beschreibung

1

y 100

120°

x

y=e

60°

1 10 10

–1

sin α

156

α 1

cos α

1

0,1 300°

240° –1 y = e–x

Physik

0,01

. Abb. 1.5. Darstellung der Winkelfunktionen auf dem Einheitskreis

0,001 0

1

2

3

4

5

6

7 x

. Abb. 1.4. Die Exponenzialfunktionen y=ex und y=e–x bei halblogarithmischer Auftragung

immer logea gemeint!), so erhält man eine abfallende Gerade: z=lny=lnc1–c2ux=c1c–c2ux (. Abb. 1.4). Auf diese Weise kann man leicht eine Ausgleichsgerade an gemessene, exponenziell abfallende Werte anpassen! Für das Rechnen mit Potenzen und Logarithmen zur Basis e gelten analog dieselben Gesetze wie in Abschnitt 1.3.5. Potenzen zur Basis e rechnet man in Zehnerpotenzen um, gemäß ex=10xuloge=10xu0,4343. Umgekehrt gilt: 10x=exuln10=exu2,3026. 1.3.7 Die Winkelfunktionen Die viel benutzten Winkelfunktionen sind über die 3 Seiten Gegenkathete, Ankathete und Hypotenuse eines rechtwinkligen Dreiecks nach . Abbildung 1.5 und . Tabelle 1.3 definiert. Die Winkelfunktionen werden bei der Zerlegung von vektoriellen Größen wie Kraft und Impuls in ihre Komponenten gebraucht und sind für die Beschreibung periodischer Vorgänge unentbehrlich.

Physik

159

2 Mechanik Mind Map Leben ist synonym mit der Vorstellung von Bewegung: lebende Körper oder einzelner Glieder ändern ihre räumliche Lage mit der Zeit, Körperflüssigkeiten strömen, Nervenerregungen breiten sich aus, Organismen senden und empfangen Schall- und Lichtwellen. Begrifflich unterscheidet man gleichförmige und beschleunigte Abläufe sowohl bei geradlinigen wie auch bei kreisförmigen Bewegungen. Die formelmäßige Beschreibung dieser Bewegungen fasst man unter dem Begriff Kinematik zusammen. Während die Kinematik nur die Bewegungen von Körpern beschreibt, handelt die Dynamik von Kräften, die auf massebehaftete Körper einwirken und ihren Bewegungszustand ändern. Grundlage der Physik bewegter Körper sind die Newtonschen Axiome. Bei Bewegungen um ein Zentrum spielen Drehmoment, Trägheitsmoment und Drehimpuls dieselbe Rolle wie Kraft, Masse und Impuls bei linearen Bewegungen. In der Medizin sind die resultierenden Gesetze von Hebelwirkung, Schwerpunkt und Gleichgewicht wichtig für das Verständnis vieler Werkzeuge, Maschinen und Körperfunktionen, wie z. B. vom Ablauf der Kraftübertragung beim Fahrrad fahren. Energie, Arbeit und Leistung sind zentrale Begriffe der Physik und Chemie sowie der Physiologie und Biochemie. In der Medizin kommen sie bei Messungen der Leistungsfähigkeit von Patienten mit Hilfe von Ergometern vor oder bei der Bestimmung des Energieumsatzes der aufgenommenen Nahrung. Körperliche Arbeit geht immer einher mit Wärmeerzeugung und deren Abfuhr durch Verdunstung. Auch der Mediziner sollte wissen, was die bei Geräten und Maschinen angegebenen Leistungsangaben in Watt bedeuten.

Zur Beschreibung chemischer Vorgänge ist der Begriff der Stoffmenge ein außerordentlich praktischer und nützlicher. Bezogene Größen sind physikalischen Größen, die u.a. pro Masse (spezifische Größen), Volumen (Dichten) oder Stoffmenge (molare Größen) definiert sind. Für den Mediziner sind die Eigenschaften fester Körper bei Verformung wichtig für das Verständnis der Ursache von Knochenbrüchen und Bandscheibenvorfällen. Auch die Reißfestigkeit von Nähmaterial wie Prolene gehört zu diesem Themenkreis. Der allseitig wirkende Druck in Flüssigkeiten, wie im Bremssystem eines Autos oder modernen Fahrrads, ist das zentrale Funktionselement in solchen Systemen. Auch in der Medizin werden diese Drucke als Blutdruck, Augeninnendruck und osmotischer Druck gemessen. Der mit der Tiefe zunehmende Schweredruck ist für den Auftrieb von Körpern in Flüssigkeiten verantwortlich. Die Moleküle eines Mediums üben anziehende Kräfte aufeinander aus, was an der Oberfläche von Flüssigkeiten zur Ausbildung einer Oberflächenspannung führt. An der Grenzfläche zu einem anderen Medium erfahren diese Moleküle eine stärkere oder schwächere Anziehung zu den Molekülen des anderen Mediums. Diese Kräfte sind verantwortlich für das Verhalten von Flüssigkeiten in Kapillaren, für die Existenz von Seifenblasen und in der Medizin für die Gewinnung einer kapillaren Blutprobe oder die Größe von Tropfen aus Arzneifläschchen. Die Gesetzmäßigkeiten bei der Strömung von Flüssigkeiten und Gasen sind grundlegend für das Verständnis der Vorgänge bei Atmung, Blutkreislauf, Infusion und Injektion.

2

160

Kapitel 2 · Mechanik

. Tab. 2.1. Wichtige Größen und Beziehungen für lineare Bewegungen bei konstanter Geschwindigkeit

Physikalische Größe

Symbol

Formel

SI-Einheit

Mittlere Geschwindigkeit

 v

s - s Ds v= 2 1= t2 - t1 Dt

m/s=Meter/ Sekunde

Ds ds v = lim = dt Dt Æ0 Dt

m/s=Meter/ Sekunde

s = v ¥t

m=Meter

Momentane Geschwindigkeit Zurückgelegter Weg

2.1

v

s

Bewegungen

Physik

2.1.1 Lineare Bewegungen Die wichtigsten physikalischen Größen für geradlinige Bewegungen und ihre Beziehungen zueinander sind in . Tabelle 2.1 zusammengestellt. Legt ein Körper im Zeitintervall Δt=t2–t1 die Wegstrecke Δs=s2–s1 zurück, so definiert der Differenzenquotient v=Δs/Δt dessen mittlere Geschwindigkeit im gegebenen Zeitintervall. Die momentane Geschwindigkeit des Körpers erhält man aus dem Differenzialquotienten v(t)=ds/dt, wenn man den Quotienten v=Δs/Δt für beliebig kurze Zeitintervalle betrachtet. Das heißt, die Momentangeschwindigkeit ist die erste Ableitung des Weges nach der Zeit. Ihr entspricht im Weg-Zeit-Diagramm die Steigung der Kurve im entsprechenden Zeitpunkt (. Abb. 2.1). Eine konstante Geschwindigkeit v=konstant stellt sich deshalb im Diagramm als ein gerades Kurvenstück dar, da ja die Geschwindigkeit als Steigung definiert ist. Der in der Zeit t zurückgelegte Weg ist dann proportional zur vergangenen Zeit. Ändert sich die Geschwindigkeit mit der Zeit, so definiert der entsprechende Differenzen- bzw. Differenzialquotient a die wichtige physikalische Größe Beschleunigung. Sie hat die Dimension Weg/Zeit2. Eine negative Beschleunigung entspricht dabei einer Abbremsung bzw. einer Beschleunigung in entgegengesetzter Richtung. Bei konstanter Beschleunigung a (mit v(0)=0) nimmt die Geschwindigkeit linear mit der Zeit zu. Im Geschwindigkeits-Zeit-Diagramm (. Abb. 2.2) entspricht dann der bei konstanter Beschleunigung zurückgelegte Weg der Fläche unter der Kurve v(t), da sich der Weg aus vielen kleinen Teilstücken Δs=v(t)uΔt zusammensetzt. Mathematisch ist dann der zurückgelegte

. Tab. 2.2. Wichtige Größen und Beziehungen für lineare Bewegungen bei konstanter Beschleunigung ohne/mit Anfangsgeschwindigkeit

Physikalische Größe Konstante Beschleunigung a

Formel

a=

SI-Einheit

dv Dv @ = konst . dt Dt

m/s2

Momentangeschwindigkeit v ( t )

v(t) = a ¥ t

Position s(t ) als Funktion der Zeit

s( t ) = Ú v ( t ) ¥ dt = 21 ¥ a ¥ t 2

m

Geschwindigkeit v (t ) bei Anfangsgeschwindigkeit v 0

v (t ) = v 0 + a ¥ t

m/s

Position s(t ) bei Anfangsgeschwindigkeit v 0

s(t ) = v 0 ¥ t + 21 ¥ a ¥ t 2

m

m/s

t 0

Weg gleich dem Integral über die Geschwindigkeit nach der Zeit (. Tab. 2.2). s (t ) =

n

t

i=1

0

 v(ti ) ¥ Dti = Ú v (t ) ¥ dt .

Der nach den Regeln der Integration gewonnene Faktor ½ ist grafisch in . Abbildung 2.2 direkt sichtbar, da die Dreiecksfläche bis zu jedem beliebigen Punkt t ja gleich ½uv(t)ut ist. Setzt man in die Formeln von . Tabelle 2.2 für a die Erdbeschleunigung g=9,81 m/s2 ein, so erhält man die Gesetze des freien Falls, wobei man bei Höhe Null startet und die Falltiefe s(t) berechnet. Um die Strecke s zu durchfallen, braucht der Körper die Zeit t = 2s g und hat dann die Geschwindigkeit v = 2s ¥ g . 2.1.2 Kreisförmige Bewegungen Die wichtigsten Größen bei kreisförmigen Bewegungen und ihre Beziehungen zueinander sind in . Tabelle 2.3 zusammengestellt. Bewegt sich ein Punkt mit konstanter Geschwindigkeit v um den Mittelpunkt eines Kreises im Abstand R, so legt er die Strecke Kreisumfang (=2πuR) in der

2

161 2.2 · Impuls, Kraft, Kräfte

. Tab. 2.3. Wichtige Größen und Beziehungen für kreisförmige Bewegungen

. Abb. 2.1. Geschwindigkeit als Steigung im Weg-ZeitDiagramm: Konstante Geschwindigkeit entspricht einer Geraden mit konstantem Differenzenquotienten, die momentane Geschwindigkeit v(t) ist exakt gleich der Steigung der Tangente ds/dt in jedem Punkt der Kurve. (Harten 2006)

Physikalische Größe

Symbol/Formel

Winkelgeschwindigkeit oder Kreisfrequenz

w=

dj 2p = dt T

s–1

Umlaufperiode

T=

2p w

s

Umlauffrequenz

f=

1 w = T 2p

s–1=Hz= Hertz

Geschwindigkeit {R = Kreisradius}

v =w ¥R =

Zentripetalbeschleunigung

aj = R ¥ w 2 = v ¥ w = v 2 R

2p ◊ R T

SI-Einheit

m/s m/s2

Bahngeschwindigkeit eines umlaufenden Punktes ständig ändert, erfährt er eine Zentripetalbeschleunigung aφ zum Mittelpunkt des Kreises, die proportional zu Radius R und zu ω2 ansteigt. Merke Alle periodischen Vorgänge wie Schwingungen und Wellen, aber auch Wechselströme und Wechselspannungen können durch gleichförmige Kreisbewegungen dargestellt werden (. Abb. 1.5).

2.2

Impuls, Kraft, Kräfte

2.2.1 Die Newtonschen Axiome

. Abb. 2.2. Freier Fall: Beschleunigung, Geschwindigkeit und Falltiefe (Position) als Funktion der Zeit. (Harten 2006)

Umlaufperiode T zurück. Er hat dabei die konstante, radiusunabhängige Winkelgeschwindigkeit ω (Winkel/Zeit). Der Kehrwert der Umlaufperiode ist die Umlauffrequenz f. Die absolute Bahngeschwindigkeit ist proportional zu ω und R. Da sich die Richtung der

Das 1. Axiom formuliert das Trägheitsgesetz: Ein Körper der Masse m verharrt im Zustand der Ruhe oder der gleichförmigen Bewegung, solange keine äußere Kräfte   an ihm angreifen. Dann ist die Größe Impuls p = m ¥ v [kgum/s] zeitlich konstant. Einer zeitlichen Änderung  dp des Impulses entspricht eine Kraft: F = . Bei elasdt tischen wie nichtelastischen Stößen von 2 Körpern ist die Summe aller Impulse vor und nach dem Stoß konstant, d. h., der Gesamtimpuls ist hier eine so genannte Erhaltungsgröße. Das 2. Axiom beinhaltet das so genannte Kraft gesetz F = a ¥ m : Kraft wird als Masse mal Beschleunigung definiert. Die auf einen Körper wirkende Kraft beschleunigt einen Körper der Masse m in Richtung   dieser Kraft mit a = F / m .

162

Kapitel 2 · Mechanik

. Tab. 2.4. Übersicht über die verschiedenen Arten der Reibung

Reibungsart

Wirkungsrichtung

Merkmale

Haftreibung

Reibungskraft entgegengesetzt gerichtet zu angreifender Kraft.

Haftreibung ist wichtig beim Gehen und Spurhalten von Reifen. Sie muss bei Verschieben eines Körpers erst überwunden werden, ...

Gleitreibung

Reibungskraft wirkt der Richtung der Geschwindigkeit des Körpers entgegen.

... bevor er bei geringerem Kraftaufwand gleitet. Zwischen festen Körpern geschwindigkeitsunabhängig.

Rollreibung

Reibungskraft wirkt der Richtung der Geschwindigkeit des Körpers entgegen.

Rollreibung ist wesentlich kleiner als Gleitreibung. Durch Erfindung des Rades genutzt!

Innere Reibung bei Flüssigkeiten und Gasen

Reibungskraft wirkt der Richtung der Geschwindigkeit des Körpers entgegen.

Diese ist proportional zur Geschwindigkeit. Flüssige Schmiermittel schonen feste Teile!

Physik

Merke Die SI-Einheit der Kraft heißt Newton, es gilt: 1 Newton=1 N=1 kgum/s2.

Eine besondere Kraft ist die Schwerkraft: Jeder Körper der Masse m erfährt auf der Erdoberfläche eine zum  Erdmittelpunkt gerichtete Kraft der Größe F = m ¥ g 2 (g=9,81 m/s ). Die Schwerkraft ist eine Folge der gegenseitigen Anziehung von Massen nach dem Newtonschen m ¥m Gravitationsgesetz: F12 = g 1 2 2 . r12 Dieses erlaubt uns, die Masse der Erde zu bestimmen: Wir setzen für F12=9,81 N, für m1=1 kg, für den Erdradius r12=6366 km und für die Gravitationskonstante γ=6,68u10–11 Nm2/kg2 ein, und erhalten nach Auflösung der Gleichung nach m2 für die Erdmasse den Wert von 5,95u1024 kg. Das 3. Axiom handelt vom  Gesetz »actio = reactio«: Übt ein Körper die Kraft F auf einen anderen aus, so wirkt dieser auf den  ersteren mit der exakt gleich großen Gegenkraft - F zurück. KLINIK Wer einen Patienten mit einer gewissen Muskelkraft hochhebt, erfährt ein zusätzliches Gewicht derselben Größe. Der zusätzlich belastete Boden übt auf die Füße eine entsprechende Gegenkraft aus – es herrscht Kräftegleichgewicht.

2.2.2 Reibungskräfte Bewegte Körper, auf die keine beschleunigenden Kräfte wirken, werden durch Reibung verlangsamt und kommen schließlich ganz zur Ruhe. Durch Reibung wird

Energie von der Oberfläche des bewegten Körpers auf die des umgebenden Mediums und auf ihn selbst in Form von Wärme übertragen. Man unterscheidet verschiedene Arten der Reibung, deren Eigenschaften in . Tabelle 2.4 zusammengefasst sind. KLINIK Die Gelenkflüssigkeit verringert als flüssiges Schmiermittel den Abrieb in Gelenken; mangelnde Produktion führt zu Entzündungen, Verschleiß und Gelenkversteifung (Arthrose).

2.2.3 Zentrifugalkräfte Ein Körper der Masse m, der sich im Abstand R von der Drehachse eines rotierenden Systems der Frequenz ω befindet, bewirkt die Zentripetalbeschleunigung (. Tab. 2.3), eine Zentripetalkraft FZp = m ¥ R ¥ w 2, die ihn zwangsweise auf Kreiskurs hält. Wegen des 3. Newtonschen Axioms bzw. wegen des Trägheitsprinzips erfährt der Körper eine dem Betrag nach gleich große Zentrifugalkraft weg von der Drehachse, die man beim Karussell fahren selbst erleben kann. Die in einer Zentrifuge erzielbaren Zentrifugalbeschleunigungen sind leicht ein Vielfaches der Erdbeschleunigung g, was zur Trennung durch unterschiedlich schnelle Sedimentation in Medizin und Technik benutzt wird: z. B. erreicht man etwa 1000 g schon bei Drehfrequenzen von 50 Hz im Abstand von R=10 cm (7 Kap. 2.9.2).

163 2.4 · Arbeit, Energie, Leistung

2.3

2

Drehmoment, Trägheitsmoment, Drehimpuls

2.3.1 Drehmoment Greift eine Kraft an einem Körper nach  . Abbildung 2.3 unter dem Winkel β im Abstand l vom Drehzentrum an, so wirkt auf den Körper das Drehmoment | T |= l ¥ sin b ¥ F . Der effektive Hebelarm leff = l ¥ sin b ist der kürzeste Abstand der Kraftwirkungslinie und der Drehachse. Für β=90° ist das Drehmoment maximal. Ein um eine Achse drehbarer Körper bleibt in Ruhe, wenn sich alle angreifenden Drehmomente zu null addieren. Das führt zum so genannten Hebelgesetz für an Hebelarmen senkrecht angreifende Kräfte (β=90°):

. Abb. 2.3. Effektiver Hebelarm. Zur Definition des effektiven Hebelarms leff=lusinβ und der Kraftwirkungslinie, längs der eine Kraft F ein Drehmoment bezüglich der Drehachse ausübt. (Harten 2006)

Kraft mal Kraftarm = Last mal Lastarm oder F1 ¥ l 1 = F2 ¥ l 2 Die SI-Einheit des Drehmoments ebenso wie der Arbeit ist kgum2/s2 bzw Nm.

Schwerpunkt angreifende Gewicht erzeugt, das den Schwerpunkt wieder in die ursprüngliche Lage zurückführt. Er ist im labilen Gleichgewicht, wenn bereits die kleinste Bewegung zu einem Drehmoment bezüglich einer tiefer liegenden Drehachse führt und ihn umkippen lässt. Bei indifferentem Gleichgewicht ist keine Lage stabiler als die andere, dies gilt z. B. für Kugeln, Walzen oder Räder.

KLINIK

2.3.3 Trägheitsmoment und Drehimpuls

Bei vielen medizinischen Geräten (Zangen, Scheren) wird das Hebelgesetz als Kraftverstärker genutzt: F2 = F1 ¥ (l1 / l2 ) , wobei die von der Hand ausgeübte Kraft F1 im Verhältnis der Hebelarme l1 : l2 verstärkt wird. Umgekehrt will man mit Pinzetten und Spreizen bei großem Kraftaufwand durch geringe Bewegung in größerer Entfernung etwas fassen oder weit auseinander drücken.

Der Drehimpuls eines Körpers aus n Massenstücken i bezüglich einer Drehachse ist gegeben durch  n    J = Â mi ¥ ri2 ¥ w = Q ¥ w , wobei w die Winkelgei =1  schwindigkeit und der Pfeil auf w die Richtung der Drehachse angibt. Als Trägheitsmoment bezeichnet

Merke

n

man den Ausdruck Q = Â mi ¥ ri2 , wobei jede Masse i i =1

2.3.2 Schwerpunkt, stabiles

und labiles Gleichgewicht Der Schwerpunkt eines Körpers ist der Punkt, bei dem sich im Schwerefeld alle wirkenden Drehmomente zu n

i = 0. null addieren: Â mi ¥ g ¥ leff i =1

Einfache physikalische Probleme kann man so behandeln, als ob die gesamte Masse des Körpers im Schwerpunkt vereinigt ist. Je nach Haltung liegt der Schwerpunkt beim Sportler innerhalb oder außerhalb des Körpers. So muss beim Hochsprung zwar der gesamte Körper über die Latte fliegen, aber sein Schwerpunkt bleibt beim Fosbury-Flop dank der Bein- und Armarbeit Kraft sparend stets unterhalb. Ein Körper ist im stabilen Gleichgewicht, wenn eine kleine Verkippung ein Drehmoment über das im

proportional zum Quadrat ihres Abstands von der Drehachse beiträgt. Verringert man den Abstand ri, so nimmt das Trägheitsmoment stark ab. Da aber ohne wirkendes äußeres Drehmoment der Drehimpuls konstant bleibt (vgl. 1. Newtonsches Axiom), erhöht sich dann die Rotationsfre quenz w entsprechend. Zum Beispiel zieht bei der Pirouette die Schlittschuhläuferin die ausgestreckten Arme rasch zum Körper, was bei konstantem Drehimpuls die Rotationsfrequenz um die eigene Achse stark erhöht. 2.4

Arbeit, Energie, Leistung

2.4.1 Arbeit und potenzielle Energie,

kinetische Energie, Leistung Wird ein Körper durch eine konstante Kraft entlang der Wegstrecke s bewegt, so bezeichnet man als mecha-

164

Kapitel 2 · Mechanik

nische Arbeit W das Produkt aus Kraft mal Weg, genauer das Produkt aus Kraftkomponente in Richtung des Weges F ¥ cos a und Weg s. Merke W = F ¥ cos a ¥ s , wobei α den Winkel zwischen Weg- und Kraftrichtung bedeutet. Die SI-Einheit der Arbeit ist: 1 Joule=1 J=1 Nm=1 kgum2/s2.

2.5.2 Dichten bzw. volumenbezogene

Größen Die Massendichte (Dichte) wird in kg/m3 oder g/cm3 angegeben. Zu den Dichten zählen auch Konzentrationen, die in g/l Lösungsmittel oder als Molkonzentration in mol/l oder mol/m3 zu schreiben sind.

Physik

2.5.3 Stoffmenge und molbezogene Größen Wird Arbeit gegen die Richtung der Schwerkraft geleistet, indem ein Körper der Masse m um die Höhe h angehoben wird, so erhöht sich dadurch seine potenzielle Energie um den Betrag E pot = m ¥ g ¥ h . Man nennt diese Energie potenzielle Energie, weil sie z. B. durch den freien Fall wiedergewonnen werden kann, also nicht verloren gegangen ist. Beim freien Fall ohne Luftreibung gilt für den zurückgelegten Weg h = 12 g ¥ t 2 (s. o.) und für die Geschwindigkeit v = g ¥ t . Dabei ist t die Falldauer für die Strecke h. Dabei wandelt sich die potenzielle Energie ganz in Bewegungsenergie um, woraus sich die wichtige Beziehung für die so genannte kinetische Energie ergibt: Ekin (v ) = E pot (h) = m ¥ g ¥ 12 g ¥ t 2 = 12 m ¥ v 2 . Sie nimmt danach mit dem Quadrat der Geschwindigkeit zu. Den Quotienten aus Arbeit/Zeit für die in einer bestimmten Zeit geleistete Arbeit bezeichnet man als Leistung: P = W / t . Die Leistung wird in der SI-Einheit Watt [W] gemessen. Merke 1 Watt=1 W=1 Joule/Sekunde=1 J/s. 1 kW=1 Kilowatt (häufig gebrauchte Leistungseinheit). 1 kWh=1 Kilowattstunde=3,6u106 Ws=3.600.000 J.

2.5

Mengengrößen, bezogene Größen

2.5.1 Spezifische Größen

Der Begriff des Mols ist eine sehr praktische Hilfsgröße in Chemie und Physik und begegnet einem im klinischen Alltag bei vielen Laborparametern. Die Teilchenzahlmenge eines Stoffs (kurz Stoffmenge) wird in der Einheit Mol angegeben. Dabei bedeutet ein Mol eines Stoffs stets die Menge von 6,023u1023 Teilchen einer Substanz (zur Definition des Mols und der Avogadrokonstante (7 Kap. 3.1.2). Stoffmengenbezogene (molare) Größen sind z. B. die molare Masse in g/mol oder die molaren Schmelzoder Verdampfungswärmen in J/mol und schließlich das molare Volumen, das bekanntlich für alle (idealen) Gase 22,4 l/mol beträgt. Allgemeine Gasgleichung (7 Kap. 4.3). 2.5.4 Stoffgemische Der Anteil eines Stoffs in einem Stoffgemisch wird durch den Gehalt = Teilmenge/Gesamtmenge angegeben, entweder in Prozent oder bei sehr kleinen Anteilen in ppm (parts per million). Die Summe aller Gehalte muss dabei eins ergeben. Unter Menge kann man fallweise 4 die Masse, 4 das Volumen, 4 die Stoffmenge oder 4 die Teilchenzahl verstehen. Die wichtigsten Begriffe werden in . Tabelle 2.5 erklärt. 2.6

Verformung fester Körper

bzw. massebezogene Größen 2.6.1 Elastische Verformungen Dazu gehören die spezifische Wärmekapazität, gemessen in J/(kguK), das spezifische Volumen in m3/kg, die spezifischen Umwandlungswärmen bei Schmelzen und Sieden in J/kg, aber auch die temperaturunabhängige Konzentrationsangabe Molalität cm, die in mol/kg angegeben wird.

Verformt man einen Körper (z. B. Draht oder Spiralfeder), so ist die erzielte Längenänderung x der wirkenden Kraft F proportional. Es gilt das Hookesche Gesetz: F = D ¥ x . Mit D bezeichnet man die Federkonstante. Die Rückstellkraft –F ist entgegengesetzt zur

165 2.7 · Druck

2

. Tab. 2.5. Definition des Massen-, Volumen- und Stoffmengengehalts

Gehalt =

Teilmenge/Gesamtmenge

Dimensionslose Einheit

Massengehalt =

Masse des gelösten Stoffs/Masse der Lösung

Gewichtsprozent Gew.%, ppm

Volumengehalt =

Volumen des gelösten Stoffs/Volumen der Lösung

Volumenprozent, Vol.%

Stoffmengengehalt =

Stoffmenge des gelösten Stoffs/Stoffmenge der Lösung

Molenbruch, Atomprozent At.%

Längenänderung x gerichtet. Ist die Verformung reversibel (elastisch), so speichert sie die potenzielle Energie W = 1/ 2 D ¥ x 2 . Eine universelle Schreibweise des Hookeschen Gesetzes lautet: s = E ¥ Dl l = e ¥ E , wobei e = Dl l die relative Längenänderung (Dehnung oder Stauchung) bezeichnet und die wirkende Druckbzw. Zugspannung durch s = F A (Kraft F pro Querschnittsfläche A) definiert ist. Die nur noch material- aber nicht mehr geometrieabhängige Größe E ist der so genannte Elastizitätsmodul. E und σ werden in der Einheit Pascal (1 Pa=1 N/m2) angegeben. Ähnliche Beziehungen gelten für quer zu einer Angriffsfläche wirkende Verformungen, die man Scherung nennt (die auch in die Beschreibung von Torsionen eingeht). Sie ist durch den ebenfalls materialunabhängigen Schermodul G gekennzeichnet. Da immer G < E gilt, führen Scher- und Torsionsspannungen zu größeren Verschiebungen und daher leichter zu Brüchen als gleich große Zug- oder Druckspannungen. Das Hookesche Gesetz gilt nur für den linearen elastischen Bereich von Verformungen. 2.6.2 Nichtelastische und bleibende

Verformungen Bei größeren Zug- oder Druckspannungen kommt es zu nichtlinearen elastischen und dann zu bleibenden plastischen Verformungen, bis schließlich bei der so genannten Bruchspannung der gedehnte Körper zerreißt. 2.7

Druck

2.7.1 Druck in Flüssigkeiten und Gasen Wird über einen Zylinderstempel vom Querschnitt A eine Druckkraft F auf ein abgeschlossenes Gas- oder

Flüssigkeitsvolumen ausgeübt, so wirkt im Volumen ein richtungsunabhängiger hydrostatischer Druck p = F A [Pa]. Anwendungen sind: 4 Manometer, 4 hydraulische Presse zur Kraftverstärkung, da F2 >> F1 für A2 >> A1 gemäß p = F1 A1 = F2 A2 . 2.7.2 Schweredruck und Auftrieb Flüssigkeiten sind praktisch inkompressibel, d.h. ihr Kompressionsmodul Q nach DV V = p Q ist sehr groß. Bereits ohne von Außen aufgeprägten Druck nimmt im Schwerefeld der Erde der hydrostatische Druck p in Flüssigkeiten mit der Tiefe h linear zu. Es gilt: p = rFl ¥ g ¥ h [Pa], wenn ρFl die Dichte der Flüssigkeit in kg/m3, g=9,81 m/s2 und die Tiefe h in m eingesetzt wird. Genau 10,33 m Wassersäule (für ρFl=1000 kg/m3) entsprechen danach dem Normaldruck von 1013,25 hPa. Wegen der Zunahme des Schweredrucks mit der Tiefe erfahren alle in Flüssigkeiten (und Gasen) eintauchenden Körper eine der Schwerkraft entgegengesetzte Auftriebskraft: FA = rFl ¥ g ¥ VFl , wobei VFl das in die Flüssigkeit eintauchende Volumen ist. Ein Körper vom Volumen VK und der mittleren Dichte ρK schwimmt, wenn FA>mug bzw. FA>ρKu VKug ist. Aus der Eintauchtiefe des oberen, zylinderförmigen Teils eines Aräometers kann man die Dichte einer Flüssigkeit sehr genau bestimmen, da rFl = rK ¥ VK VFl = konst . VFl .

166

Kapitel 2 · Mechanik

Merke Das Archimedische Prinzip lautet: Der Auftrieb ist gleich dem Gewicht der verdrängten Flüssigkeit!

2.8

Kräfte an Grenzflächen

Physik

2.8.1 Oberflächenspannung Kohäsionskräfte nennt man die anziehenden Kräfte, die die Moleküle einer Flüssigkeit aufeinander ausüben. Adhäsionskräfte nennt man die anziehenden Kräfte zwischen Molekülen einer Flüssigkeit und den Molekülen einer festen Umgebung. Da die Moleküle an der Oberfläche zu Luft (oder Vakuum) keine Partner haben, kompensieren sich hier die anziehenden Kräfte nicht wie im Inneren der Flüssigkeit, sie erfahren eine Kraft nach innen, die zur Ausbildung einer möglichst kleinen Oberfläche führt. Als charakteristische Oberflächenspannung σ bezeichnet man den Quotienten: s = DW DA [N/m], wobei DW die geleistete Arbeit ist, um die Oberfläche um DA zu vergrößern. KLINIK Die Oberflächenspannung ist auch für das Tropfenvolumen aus einem Arzneifläschchen mit dem Außendurchmesser d verantwortlich: VTropfen =

p ¥ d ¥s . r¥g

Dabei steht ρ für die Dichte der Flüssigkeit und g die Erdbeschleunigung. Umgekehrt misst man beim Stalagmometer die Oberflächenspannung bei bekannter Größe von VTropfen , ρ, d und g.

2.8.2 Kapillarwirkung Kapillaranhebung: Grenzt eine Flüssigkeit an einen festen Körper und überwiegen die Adhäsionskräfte die Kohäsionskräfte, so ist die Flüssigkeit benetzend und steigt im Schwerefeld an der Wand hoch (. Abb. 2.4 links). Der Meniskus ist nach oben gekrümmt. Für die Steighöhe h einer in eine Flüssigkeit eintauchenden Kapillaren vom Radius r erhält man mit den anderen bereits erklärten Größen h = 2s (r ¥ g ¥ r)[m]. Kapillardepression: Umgekehrt sinkt bei nicht benetzenden Flüssigkeiten, wie Quecksilber, der Flüssigkeitsspiegel im Kapillarrohr unter den der Umgebung,

. Abb. 2.4. Kapillaranhebung und -depression (Näheres im Text). (Harten 2006)

der Meniskus ist nach unten gekrümmt, wie . Abbildung 2.4 rechts zeigt. 2.9

Strömung von Flüssigkeiten und Gasen

2.9.1 Reibungsfreie Strömung

von Flüssigkeiten Kontinuitätsgleichung Die Stromstärke I einer Flüssigkeits- oder Gasströmung ist das durch einen Querschnitt fließende Volumen pro Zeiteinheit I = DV Dt [m3/s]. Da Flüssigkeiten praktisch inkompressibel sind, muss sich die jeweilige Strömungsgeschwindigkeit v mit dem Querschnitt A ändern. Die Umformung I = DV dt = A ¥ Ds Dt = A ¥ v = konst. führt zur Kontinuitätsgleichung A1 ¥ v1 = A2 ¥ v2 , d. h., die Fließgeschwindigkeiten verhalten sich umgekehrt proportional zu den Rohrquerschnitten. Bernoullische Gleichung Je schneller eine Strömung ist, umso höher ist dort ihre kinetische Energie pro Volumen. Die Größe 2 nennt man Staudruck, der als AnpStau = rFl ¥ v Fl druck einer Strömung spürbar ist. Für reibungsfreie Strömungen gilt wegen Energieerhaltung die so genannte Bernoullische Gleichung: pGesamt = pStatisch + pStau = konst . Dabei wird unter pStatisch der örtlich wirkende hydrostatische Druck verstanden. Die Bernoullische Beziehung erklärt die Abnahme des statischen Drucks mit zunehmender Strömungsgeschwindigkeit und erklärt u.a. 4 die Saugwirkung von Wasserstrahlpumpen und Zerstäubern,

167 2.9 · Strömung von Flüssigkeiten und Gasen

2

4 das Entfachen von Schwingungen an den Stimmbändern des Kehlkopfs und an den Zungen von Musikinstrumenten. Die Bernoullische Beziehung spielt zudem eine entscheidende Rolle bei der Blutdruckmessung. Unterhalb der angelegten Manschette hört man den Herzschlag erst dann, wenn der systolische Druck den Manschettendruck übersteigt. In dem dann durch die Arterie strömenden Blut erniedrigt sich aber der statische Druck und der größere Manschettendruck schnürt die Arterie wieder ab, was als Schlag hörbar wird. Dies geht solange, bis der Manschettendruck auf das Niveau des konstanten diastolischen Drucks abgefallen ist und deshalb kein Verschluss der Arterie mehr stattfindet. KLINIK Bei Blutdruckmessungen wird der Druck traditionell noch in der Einheit Torr=mmHg oder mm Quecksilbersäule angegeben. Da 760 mmHg dem Normaldruck von 1013,25 hPa (1 hPa=1 mbar) entsprechen, gilt für die Umrechnung 1 mmHg=1,333 hPa.

. Abb. 2.5. Laminare Strömung in einer Röhre: Der ebene Schnitt durch das paraboloide Geschwindigkeitsprofil ergibt eine parabelförmige Geschwindigkeitsverteilung. (Harten 2006)

Turbulente Strömungen sind durch Wirbelbildung gekennzeichnet. Mithilfe der Reynold-Zahl lässt sich abschätzen, ob laminare oder turbulente Strömung zu erwarten ist: Re = rFl ¥ v ¥ r h . Dabei bedeuten ρFL die Dichte, v die Geschwindigkeit der Flüssigkeit und r den Rohrradius. Merke Hinweis auf laminare Strömung Re = r ¥ v ¥ r h 96%)

---

~30 mg/d ~4%

1–1,5 mg/l 4%

0,4 mg/l 4%

0,15 mg/l 4%

4 mg/l 100%

~750 mg/d

0,0001

Albumin

~0,015

Prox. Tubulus (30–50%)

ADH

~400 mM 40%

~250 mM 110 %

~100 mM 110%

5 mM 50%

5 mM 100%

900 mmol/d

1

Urea

1088 Kapitel 9 · Wasser- und Elektrolythaushalt, Nierenfunktion

9

1089 9.2 · Niere

KLINIK Niereninsuffizienz: Der Plasma-Harnstoffspiegel (Norm: ~5 mM, 20–45 mg/dl) ist klinischer Parameter für die globale Nierenfunktion. Bei eingeschränkter Funktion ist sowohl die Filtration als auch die Harnstoffsekretion reduziert.

9.2.6 Harnkonzentrierung In der Niere wird Wasser stets passiv ausgeschieden. Es folgt dabei dem osmotischen Gradienten, d. h. dem Na+, in distalen Abschnitten dem Harnstoff (s. o.). Die Konzentration »freien Wassers« im Plasma wird in Osmorezeptoren gemessen und die Wasserbilanzierung über das antidiuretische Hormon (ADH) angepasst (7 Kap. 9.1). 4 Zunahme der Plasma-Osmolarität führt zur ADHAusschüttung und Erhöhung der Wasserpermeabilität im SammelrohroH2O-Resorptionn, HarnOsmolaritätn (konzentrierter Harn)oAntidiurese bis auf ~0,3 ml/min Urinfluss. 4 Hemmung von ADH führt zu Wasserdiurese, bei der das Sammelrohr für Wasser dicht bleibtoH2OResorptionp, Harn-Osmolaritätp (hypotoner Harn)oHarnzeitvolumen bis ~20 ml/min. Mechanismus der Konzentrierung

End-proximal ist der Harn unverändert isoton. Im absteigenden Teil der Henle-Schleife wird er durch stärkeren Wasseraustritt ins Interstitium hypertoner, im aufsteigenden dicken Teil der Henle-Schleife hypotoner. Durch die aktive NaCl-Resorption des BSC1-Carriers wird hier ein osmotischer Gradient zwischen Tubulus und Interstitium von ~200 mOsM aufgebaut, welcher durch die Gegenstromanordnung von absteigender, aufsteigender Henle-Schleife und absteigendem Sammelrohr verstärkt wird (Gegenstrom-Multiplikation). Dies wird durch die relative Wasserundurchlässigkeit von aufsteigender Henle-Schleife und distalem Tubulus unterstützt, sodass große Mengen von NaCl und Harnstoff (»Harnstoff-Recycling spart Kochsalz«, s. o.) im Interstitium abgelagert werden können (bis 1200 mOsM im Nierenmark). Diese bilden die treibende Kraft für die H2O-Resorption im Sammelrohr unter ADH-Wirkung. Durch die niedrige Nierenmarkdurchblutung der Vasa recta bleibt dieser Gradient erhalten. Am Ende des distalen Tubulus ist der Harn maximal hypoton (~50 mOsM) und bleibt es auch unter Wasserdiurese. Urinosmolarität: Pro Tag fallen ca. 600 mmol harn-

pflichtiger Substanzen im Stoffwechsel an. Die Menge

des Urinvolumens, in dem diese ausgeschieden werden, bestimmt letztendlich die Urinosmolarität. Merke Antidiurese (z. B. H2O-Zufuhrp): ADHnominimales Harnzeitvolumen (~0,3 ml/min, 0,3% GFR, ~05 l/d)oUrinosmolarität maximal (~1200 mOsM)oKonzentrierung Faktor 4. Wasserdiurese (z. B. H2O-Zufuhrn): ADHpo maximales Harnzeitvolumen (~15 ml/min, 20% GFR, ~20 l/Tag)oUrinosmolarität minimal (~30–50 mOsM)oVerdünnung Faktor 10.

9.2.7 Globale Nierenfunktion und Regula-

tion (7 Kap. 9.2.1 bis 9.2.6) Die Hauptbestandteile des normalen Endurins sind harnpflichtige Substanzen (Harnstoff, Kreatinin, Ammoniak u. a.). Zu den Elektrolyten . Tab. 9.5. Zur Beurteilung der globalen Nierenfunktion wird die Clearance von renal eliminierten Stoffen bestimmt. Merke Die Clearance CX ist das Plasmavolumen, welches pro Zeiteinheit vollständig von einem Stoff X befreit (»geklärt«) wird. Diese Menge von X erscheint dann im Urin.

Zur Bestimmung der Clearance betrachtet man die Massenbilanz des Stoffes X. 4 Stoffmenge = VolumenuKonzentration von X. 4 Stoffmenge pro Zeit ist dann analog: Volumen/ ZeituKonzentration von X. Für alle Stoffe X, die in der Niere nicht metabolisiert werden (z. B. produziert, wie Erythropoietin, oder abgebaut, wie Diuretika) gilt nach einer einfachen Massenbilanz: (Gl. 9.5)

Dabei gilt PX: Konzentration von X, RPF: renaler Plasmafluss in der Nierenarterie oder Nierenvene, UX: Konzentration von X im Urin und UZV: Harnzeitvolumen.

1090

Kapitel 9 · Wasser- und Elektrolythaushalt, Nierenfunktion

Da die Clearance CX der »virtuelle« Plasmafluss wäre, bei dem kein venöser Output mehr vorhanden ist (vollständige KlärungoPX,ven.=0) wird aus Gl. 9.5:

sitiver Differenz netto-resorbiert (»weniger ausgeschieden als filtriert«). KLINIK

U ¥ UZV ml È ˘ PX ,art . ¥ C X = U X ¥ UZV fi C X = X Î min ˚ PX ,art . (Gl. 9.6) Dies ist die Clearance-Formel. Für Stoffe, welche bei einer Nierenpassage vollständig aus dem Plasma entfernt werden, ist die Clearance gleich dem renalen Plasmafluss RPF=600 ml/min. Dies trifft für PAH (ParaAmino-Hippursäure) zu, welche filtriert und sezerniert wird. Findet nur Filtration statt (Inulin, Kreatinin), ist die Clearance gleich der GFR (125 ml/min, ~20% RPF). Das heißt, wäre der renale Plasmafluss »nur« so groß wie die GFR, würden diese Stoffe bei einer Nierenpassage vollständig entfernt werden. Da der renale Plasmafluss aber 5-mal größer ist als die glomeruläre Filtrationsrate (GFR), werden Inulin und Kreatinin nicht vollständig entfernt, sondern erscheinen zu 80% der arteriellen Konzentration noch in der Nierenvene! Merke Die Clearance CX bei reiner Filtration entspricht der GFR. Bei Nettoresorption nimmt CX ab (CXGFR). Betrachtet man die fraktionelle Exkretion FE = CX /GFR, so gilt für Nettoresorption bzw. -sekretion: FE1 (PAH, Penicillin…).

Prüfungsfallstricke

Physiologie

PAH-Clearance CPAH und FEPAH sind abhängig von der Plasmakonzentration PPAH,art.. Bis zu ~0,3 mM beträgt CPAH~RPF, FEPAH~5 und die Auftragung Ausscheidung vs. PPAH,art. ergibt eine Gerade. Für PPAH,art.>0,3 mM werden die tubulären Transporter für die Sekretion gesättigt und es kann nicht alles PAH mehr bei einer Nierenpassage vollständig entfernt werden. CPAH und FEPAH sinken mit zunehmendem PPAH,art. ab. In der Auftragung Ausscheidung vs. Plasmakonzentration nimmt die Steigung der Geraden auf Werte von frei filtrierbaren Stoffen ab, da PAH jetzt zusätzlich nur noch über die Filtration ausgeschieden wird.

Die pro Zeiteinheit resorbierte bzw. sezernierte Menge eines Stoffes errechnet sich aus der Differenz der filtrierten (PX, art. ¥ GFR ) und der ausgeschiedenen Menge (UX ¥ UZV ). Bei negativer Differenz wird X nettosezerniert (»mehr ausgeschieden als filtriert«), bei po-

Anhand der Clearance für Kreatinin und Harnstoff wird die globale Nierenfunktion bestimmt. Da CKrea, CHrnst. exakt nur über 24 h Sammelurin (UZV in Gl. 9.6.) bestimmt werden kann, bestimmt man routinemäßig als erstes Maß nur die Plasmakonzentrationen PKrea, PHrnst., da bei erniedrigter Clearance die Plasmakonzentration ansteigt (Gl. 9.6.). Da die Kreatininproduktion im Skelettmuskel aber nicht konstant abläuft, kann eine Abnahme der GFR=CKrea bis auf ca. 50% (!!) durch eine geringere Kreatininproduktion kaschiert werden (Atrophie, Bettruhe). Deutliche Anstiege von PKrea sind aber sichere Hinweise auf eine Niereninsuffizienz.

9.2.8 Stoffwechsel und Hormonbildung

(7 Kap. 9.2.1–9.2.7) Die meiste Stoffwechselenergie wird in der Niere für die tubulären Transportprozesse verbraucht (Na/K-ATPase). Die ATP-Produktion erfolgt in den Tubuluszellen vorwiegend aus Ketonkörpern, freien Aminosäuren und Fettsäuren. Bei Hypoxie erfolgt im Papillenbereich verstärkt anaerobe Glycolyse. Merke Glucose wird in der Niere quasi nicht verbraucht! Im Gegenteil: Glucose wird renal aus Glutamin sogar gebildet (renale Gluconeogenese).

Bei Azidose ist in der Leber gebildetes Glutamin H+-Vehikel und Ausgangssubstrat für renale Gluconeogenese. Zu renalen Hormonen (Calcitriol, Erythropoietin) 7 Kap. 9.1.6, 7 Kap. 2.2. Beide werden in peritubulären Zellen gebildet. Zu renalen Hormonwirkungen (Aldosteron, Katecholamine) s. o. 9.2.9 Ableitende Harnwege (7 Kap. 14.3) Schrittmacherzellen im Nierenbecken erzeugen peristaltische Wellen (2–6/min). Der intra-ureterale Druck steigt dabei von basal 0–4 mmHg auf ~15–60 mmHg, was zu einem gerichteten Transport des Urins Richtung Blase führt. Der basale Tonus verhindert Reflux ins Nierenbecken. Die Ureterperistaltik wird durch das vegetative Nervensystem moduliert: Sympathikus hemmt die Uretermotilität, Parasympathikus fördert sie (7 Kap. 14.3).

1091 9.2 · Niere

KLINIK Abflussstau (z. B. Ureterstein) führt zu Harnstau mit Koliken; die Aktivität des Parasympathikus sowie die Uretermotilität steigen an. Ureterkoliken gehören zu den schlimmsten viszeralen Schmerzen! Sie entwickeln sich kolikartig mit einer Crescendo-Charakteristik gefolgt von einer Schmerzpause. Akut lassen sie sich mit Anticholinergika dämpfen (z. B. Butylscopolamin [Buscopan£]). Über Rückstau kann Harnstau zu

einem postrenalen Nierenversagen führen. Diagnostisch muss bei Nierenkoliken und schmerzhaften Nierenlagern sofort eine Sonographie durchgeführt werden, um ein gestautes Nierenbecken auszuschließen oder einen Stein/Konkrement zu dokumentieren. Nierenund Uretersteine können mit einer Extrakorporalen Stoßwellen-Lithotrypsie (ESWL) von außen zertrümmert werden (Ultraschall).

Fallbeispiel Ein 53-jähriger Dachdecker mit »Zucker« sucht den Allgemeinarzt zum »Durchchecken« auf. Der Mann gibt an, seit seiner Kindheit an »Zucker« zu leiden. Er spritzt Insulin einmal morgens und abends ein Depotpräparat. Die Dosierung sei ihm vor 2 Jahren das letzte Mal eingestellt worden, seitdem hat er den Arzt nicht mehr aufgesucht. Er kommt jetzt, weil er seit einigen Wochen einen zunehmenden Juckreiz und Kribbeln an Armen und Beinen verspüre. Manchmal wache er nachts auch auf, weil die Decke ein brennendes Gefühl an den Zehen verursache. Er sei nicht mehr so leistungsfähig wie früher und hat häufiger Kopfschmerzen. Er raucht seit 20 Jahren eine halbe Schachtel Zigaretten täglich. In den letzten 4 Monaten hat er 6 kg Gewicht zugenommen und hat häufig dicke Beine, welche auch morgens bestünden. Sein Blutdruck beträgt 160/95 mmHg. Der Gluco-Stix des Urins zeigt eine Glucosurie an. Im Urin findet sich ferner eine Albuminkonzentration von 250 mg/l. Im Serum finden sich folgende Werte:

5 5 5 5 5 5

Krea 2,2 mg/dl, Harnstoff 40 mg/dl, Hb 9,8 g/dl, K+ 5,2 mM, Na+ 132 mM, Proteine 56 g/l.

Im Nierensonogramm zeigt sich keine Erweiterung des Nierenbeckens, jedoch beidseits echodichte kleine Nierenparenchyma. Unter der Diagnose diabetische Nephropathie mit beginnender terminaler Niereninsuffizienz und Polyneuropathie wird der Patient an ein Dialysezentrum überweisen. Dort erfolgt die Anlage eines Dialyseshunts, über den der Patient in Folge dialysiert wird. Die Hypertonie wird medikamentös behandelt, zur Behandlung der Polyneuropathie zeigen trizyklische Antidepressiva gute Wirkung. Die Retentionswerte normalisieren sich unter der Dialyse. Der Patient wird zur Diabetikerschulung geschickt, um eine bessere Einstellung des Diabetes zu erreichen.

9

Physiologie

1093

10

10 Hormonale Regulation Mind Map Hormoneinteilung: Über Hormone findet Zellkommunikation endokrin, parakrin und autokrin statt. Hormone induzieren in Zielzellen spezifische Reaktionen sowie einige Hormone in Hormondrüsen die Ausschüttung weiterer Hormone. Peptidhormone entfalten ihre Wirkung über plasmalemmale Rezeptoren und Second-Messenger-Kaskaden. Steroidhormone wirken über zytoplasmatische oder nukleäre Rezeptoren als Transkriptionsfaktoren. Sexualhormone und Corticoide sind Steroidhormone und leiten sich vom Cholesterin ab. Hormonregelkreise: Hormone sind entweder in einfachen oder sequenziellen Regelkreisen mit meist negativem Feedback organisiert. Zu letzteren gehört die Hypothalamus-Hypophysen-HormondrüsenAchse. Drüsenhormone (z. B. Thyroxin, Cortisol, Sexualhormone) dieser Achse stehen unter hypophysärer Kontrolle durch »Tropine« (z. B. TSH, ACTH, LH, FSH), die wiederum unter hypothalamischer Kontrolle von »Liberinen« oder »Statinen« stehen (z. B. GnHR, GHRH, TRH, CRH). Jede Komponente hemmt über kurze und lange negative Feedbacks die vorhergehenden. In einfachen Regelkreisen sind die Hormone des Glucosehaushalts, insbesondere Insulin und Glucagon, eingebunden, welche weitgehend antagonistisch wirken. Hypothalamus und Hypophyse: Die Adenohypophyse speichert und schüttet 7 Hormone aus (glando-

trop: LH, FSH, TSH, ACTH, nicht-glandotrop: MSH, Prolaktin, STH), deren Liberine oder Statine die Hypophyse auf dem hypophysären Pfortaderweg erreichen. Hypothalamische Neurone des Nucleus supraopticus und Nucleus paraventricularis produzieren ADH und Oxytocin, welche die Neurohypophyse direkt auf neurosekretorischem Wege erreichen. Hormonstörungen: Bei primären Über- oder Unterfunktionen liegt die Ursache in der peripheren Hormondrüse selbst oder in ektopen Produktionen. Das Endhormon ist in diesem Fall erhöht, bzw. erniedrigt, die übergeordneten Hormone gegenläufig supprimiert bzw. stimuliert. Hormonwirkungen: Für die Endwirkung der Drüsenhormone ist die Einteilung nach metabolischer Wirkung auf die Lipolyse (lipolytisch/antilipolytisch), den Glucosestoffwechsel (diabetogen/antidiabetogen) und den Protein-Anabolismus/-Katabolismus sinnvoll. Wachstumsfördernde Hormone wirken anabol, z. B. STH, Thyroxin, Insulin. Hiervon wirken die ersten beiden diabetogen (erhöhen Blutglucosespiegel) und lipolytisch, Insulin hingegen antidiabetogen und antilipolytisch. Katabole Hormone sind z. B. Glucagon und das Stresshormon Cortisol. Beide wirken ferner diabetogen und lipolytisch. Jedes Hormon hat oftmals viele weitere Wirkungen (. Tab. 10.2 bis . Tab. 10.4).

1094

Kapitel 10 · Hormonale Regulation

10.1

Grundlagen und Allgemeines

10.1.1 Funktionelle Struktur

des Hormonsystems Synthese und Wirkungsmechanismus der Hormone

Hormone im eigentlichen Sinne sind Mediatorsubstanzen, die von Zellen spezialisierter Drüsenorgane endokrin ins Blut abgegeben werden und der chemischen Kommunikation dienen. Sie werden in der Regel vor Erreichen ihrer Zielzelle, an der sie an spezifische Rezeptoren binden und ihre Hormonwirkung entfalten, nicht inaktiviert. Endokrine Drüsen sind klassischerweise 4 die Hypophyse mit Hypothalamus, 4 Schilddrüse, 4 endokriner Pankreas, 4 Nebenniere (Rinde und Mark), 4 Gonaden und 4 Niere 4 Hormone des Gastrointestinaltrakts (7 Kap. 7). Manche Botenstoffe wirken vorwiegend parakrin, d. h. über den Extrazellulärraum auf nahe Zielzellen, oder autokrin, d. h. auch auf die Ursprungszelle, regulierend zurück: 4 Parakrin wirken v. a. Neurotransmitter und Entzündungsmediatoren (Prostaglandine, Bradykinin, Substanz P), 4 autokrin hingegen wirken z. B. Neurotransmitter (Noradrenalin, 7 Kap. 14.3). Wirken Hormone auf nachgeschaltete Hormondrüsen, nennt man sie glandotrop (z. B. ACTH, TSH, LH, FSH). Viele Hormone wirken nicht-glandotrop, d.h. direkt ohne Vermittlung einer endokrinen Drüse auf Zielzellen (z. B. STH, ADH, Prolaktin, Oxytocin, Insulin). Hormonspeicherung

Physiologie

Die Speicherung der meisten Hormone erfolgt intrazellulär in Speichervesikeln (Ausnahme: Thyroxin). Die Hormonfreisetzung ist ein aktiver, Ca2+-abhängiger Prozess, bei dem die Vesikel- und Plasmamembran fusionieren und den Transmitter freisetzen (7 Kap. 12.4.2). Hormonrezeptoren

Ihre Wirkung entfalten Hormone in Zielzellen durch Bindung an mehr oder weniger spezifische Hormonrezeptoren (z. B. kann Cortisol auch an den Aldosteronrezeptor im distalen Tubulus binden und so mineralocorticoide Wirkung entfalten). Als Rezeptorlokalisation kommen in Frage:

4 Plasmalemmaler Rezeptor: Hormon-RezeptorKomplex aktiviert G-Protein-Kaskade, und die Zellwirkung erfolgt über Second messenger cAMP, cGMP, IP3 oder DAG. Beispiele: ADH, Adrenalin, PTH, AT II, TRH, ANP, Insulin, IGF-I, IGF-II (allgemein: die meisten Proteohormone). 4 Nukleärer und cytosolischer Rezeptor: Über diesen Mechanismus wirken die meisten lipophilen Hormone (Steroidhormone). Sie werden im Blut an Proteine gebunden transportiert; anschließend erfolgt die Diffusion durch Plasmamembran und Kernhülle. Der Hormon-Rezeptor-Komplex aktiviert zumeist die Transkription und Proteinbiosynthese. Beispiele: Steroid- und Schilddrüsenhormone. KLINIK Bei eingeschränkter Nieren- oder Leberfunktion (z. B. Niereninsuffizienz, Leberzirrhose, Hepatitis) sind Hormonwirkungen evtl. verlängert, da die Hormone nur unzureichend eliminiert werden können. Ektope Hormonproduktion: Außer in den spezialisierten Ursprungszellen können manche Hormone in entdifferenzierten Zellen von Tumorgewebe produziert werden (paraneoplastisches Syndrom). Sehr häufig ist z. B. das kleinzellige Bronchialkarzinom endokrin unkontrolliert aktiv (z. B. ADH, Insulin, etc.).

Hormonhierarchie und -regelkreise

Die Ausschüttung von Hormonen unterliegt hormonellen Regelkreisen. Einfache Regelkreise bestehen meist in einem negativen Feeback des Hormonprodukts oder der hormonbedingten Veränderung in der Zielzelle zurück auf die hormonausschüttende Drüse oder Ursprungszelle (Mind Map). Zum Beispiel wird Glucagon bei Hypoglykämie aus A-Zellen des Pankreas ausgeschüttet und bewirkt durch seine diabetogene Wirkung einen Anstieg der Blutglucose (Hyperglykämie), welche einer weiteren Glukagonausschüttung bremsend entgegenwirkt (s. u.). Häufig beeinflussen mehrere Stimuli ein Hormon, welches selbst Bestandteil mehrerer Regelkreise sein kann. Einige glanduläre Hormone (Drüsenhormone, z. B. Aldosteron, Cortisol, T3, T4, Östrogen u. a.) stehen unter Kontrolle mehrerer übergeordneter Instanzen, welche als Hypothalamus-Hypophyse-Drüsen-Achse bezeichnet werden (. Tab. 10.1).

1095 10.1 · Grundlagen und Allgemeines

Hypothalamus

In kleinzelligen Neuronen der Nuclei suprachiasmaticus, präopticus, arcuatus, ventromedialis und der periventrikulären Region werden Releasing- (RH, »Liberine«) und Inhibiting-Hormone (IH, »Statine«) gebildet, welche in das Pfortadersystem zwischen Hypothalamus und Hypophyse ausgeschüttet werden und ihrerseits die Freisetzung von Hormonen der Adenohypophyse (Hypophysenvorderlappen) stimulieren bzw. hemmen. Sie sind allesamt Peptid-Hormone (. Tab. 10.1). Liberine sind: 4 TRH (oTSHn), 4 CRH (oACTHn), 4 GHRH (oSTHn), 4 GnRH (oLHn, FSHn) und 4 PRH (oProlaktinn). Statine sind: 4 Somatostatin (oSTHp), 4 PIH (oProlaktinp). Großzellige Neurone der Nuclei paraventricularis, supraopticus und infundibularis produzieren die Peptid-Hormone ADH und Oxytocin, welche über axonalen Transport direkt neurosekretorisch zur Neurohypophyse (Hypophysenhinterlappen) transportiert,

10

in deren Zellen gespeichert und bei Bedarf ausgeschüttet werden. Merke Alles, was auf »-liberin« oder »-statin« endet, wird im Hypothalamus gebildet; Somatostatin außerdem noch im GastrointestinaItrakt (. Tab. 10.2).

Hypophyse

In der Adenohypophyse werden 7 Hormone (4 glandotrope, 3 nicht-glandotrope, . Tab. 10.1) gebildet: 4 In somatotropen Zellen entsteht STH, 4 in thyreotropen Zellen TSH, 4 in gonadotropen Zellen LH und FH und 4 in laktotropen Zellen Prolaktin. 4 In kortikotropen Zellen der Adenohypophyse wird Pro-Opio-Melanocortin (sog. POMC) gebildet, welches Pro-Hormon bei der Synthese der Hormone ACTH, MSH sowie der Mediatoren β-Lipotropin und β-Endorphin (Schmerzhemmer!) ist. Diese Zellen heißen daher auch POMC-Zellen und werden durch CRH stimuliert. In der Neurohypophyse werden zwei Effektorhormone gespeichert (ADH, Oxytocin). Beide sind nichtglandotrop.

. Tab. 10.1. Chemische Einteilung von Hormonen in Peptid-, Steroid- und AS-Hormone Peptidhormone, Proteohormone

Hypothalamus-Hormone: Releasing-Hormone (Liberine): GnRH, GHRH, TRH, CRH, PRH. Inhibiting Hormone (Inhibine, Statine): Somatostatin (=SIH), PIH Hypophysen-Hormone: Adenohypophyse (HVL): GlandotropoACTH, (Gylokoproteine:) FSH, LH, TSH NichtglandotropoProlaktin, STH, MSH Neurohypophyse (HHL): Oxytocin, ADH Enterale Hormone: CCK, Sekretin, Somatostatin,VIP Mineral- und Wasserhaushalt: ANP, Calcitonin, PTH Pankreas- und Metabolismus: Glucagon, Insulin, Insulin-like Growth factor (Somatomedine: IGF I, II) Gonaden: Inhibin, Activin

Steroidhormone

Sexualhormone: Östradiol, Progesteron, HCG, Testosteron Corticoide: Aldosteron, Cortisol Ca2+-Haushalt: Calcitriol (Vitamin D-Hormone)

Aminosäurenhormone

Transmitterhormone: Noradrenalin, Adrenalin, Dopamin, Serotonin Schilddrüsenhormone: Thyroxin (T4), Trijodthyronin (T3)

HVL: Hypophysenvorderlappen, HHL: Hypophysenhinterlappen, RH: releasing Hormon, GnRH: Gonadotropin-RH, GHRH: Growth-hormone RH, TRH: Thyrotropin-RH, CRH: Corticotropin-RH, PRH: Prolaktin-RH, SIH: Somatotropin-Inhibiting Hormon, PIH: Prolaktin-Inhibiting Hormon, FSH: Follikel-stimulierendes Hormon (Follitropin), LH: luteinisierendes Hormon (Lutropin), ACTH: Adreno-corticotropes Hormon (Adrenocorticotropin), TSH: Thyroidea-stimulierendes Hormon (Thyreotropin), MSH: Melanotropin, STH: Somatotropin.

1096

Kapitel 10 · Hormonale Regulation

Prüfungsfallstricke CRH entsteht nicht aus POMC, sondern stimuliert dieses. Für Oxytocin und ADH gibt es kein Releasing-Hormon. Oxytocin kommt auch beim Mann vor (fördert evtl. Kontraktion der Samenkanälchen).

Hormondrüsen

Die glandulären Zellen der Hormondrüsen werden spezifisch durch »ihre« hypophysären »-tropen« Hormone stimuliert und können nun ihrerseits wiederum peripher wirkende Hormone ausschütten: 4 TSHoSchilddrüse (T3, T4n), 4 LH und FSHoGonaden (Follikelwachstum, Spermiogenese, Östrogenen, Androgene, 7 Kap. 11), 4 ACTHoNebennierenrinde (Cortisoln). Rückkopplung

Jedes Hormon wirkt regulierend (in der Regel negativ, Ausnahmen: Östrogene, Progesteron zyklusabhängig v. a. auf LH, 7 Kap. 11) auf die vorgeschaltete Hormonachse zurück. Durch negative Rückkopplung wird die Hormonproduktion den Bedürfnissen angepasst. Im Falle der hypothalamisch-hypophysären Achse hemmen die Hormone der peripheren Hormondrüse (z. B. Cortisol der Nebennierenrinde) sowohl die Freisetzung der hypophysären »-tropen« als auch ihrer hypothalamischen »-releasing«-Hormone (2-stufige Rückwärtshemmung). Hypophysäre Hormone können nur noch hemmend auf die hypothalamischen rückwirken. Kompensatorische Hypertrophie und Atrophie von Hormondrüsen

Dauerhaft gesteigerte Stimulation führt zu Hyperplasie (Zunahme der Zellzahl) und Hypertrophie (Zunahme von Organgröße und -volumen) innerhalb der Hormondrüse (z. B. Struma, s. u.).

Bei primärer Unterfunktion (Insuffizienz) ist das Endhormon erniedrigt und die vorgeschalteten Hormone erhöht (fehlendes negatives Feedback!). Bei sekundärer Überfunktion sind die nächstübergeordneten Hormone erhöht und als Folge davon auch das Endhormon der Hormondrüse (z. B. autonomes HypophysenadenomoTSHn, T3n, T4n, aber TRHp). Bei sekundärer Unterfunktion sind die nächstübergeordneten Hormone und Endhormone reduziert, hypothalamische Hormone dann aber erhöht (enthemmt). KLINIK Tritt eine primäre Drüseninsuffizienz auf, kann das erforderliche Hormon nicht mehr selbst gebildet werden. In vielen Fällen führt dies zu schwerwiegenden, z. T. lebensbedrohlichen Krankheitsbildern, z. B. primäre Schilddrüseninsuffizienz (Hypothyreose), primäre Nebennierenrinden-Insuffizienz (Addison-Krankheit, . Tab. 10.5). In allen Fällen können die Endhormone substituiert und oral (z. B. Thyroxin, Cortisol) oder parenteral (z. B. Insulin) zugeführt werden. Dies erfordert meist eine lebenslange medikamentöse Therapie mit häufigen Kontrollen der Hormonspiegel entlang der Hormonachse (z. B. TRH, TSH ,T3, T4 bei Thyroxin-Medikation). Hormonüberschuss kann zum einen aus einer unkontrollierten Überfunktion der hormonbildenden Drüse selbst (autonomes Adenom) oder im Rahmen eines endokrinen Fremdtumors (paraneoplastisches Syndrom) auftreten. Bei jeder Hormonüberfunktion ist die Suche nach einem Primärtumor angezeigt. Manche Tumoren können selbst hingegen Hormonrezeptoren aufweisen und auf Hormontherapie ansprechen (z. B. Antiöstrogene bei Brustkrebs).

Physiologie

Prüfungsfallstricke Allgemein gilt: Tritt innerhalb einer Hormonachse eine Überfunktion auf, sind ab dem betroffenen Glied alle nachfolgenden Hormone erhöht und alle vorhergehenden Hormone supprimiert (erniedrigt). Tritt innerhalb einer Hormon-Achse eine Unterfunktion auf, sind ab dem betroffenen Glied alle nachfolgenden Hormone reduziert und alle vorhergehenden Hormone stimuliert (erhöht).

10.1.2 Hormoneigenschaften . Tabelle 10.1 zeigt die Einteilung der Hormone nach ihrer chemischen Struktur, . Tabelle 10.2 bis . Tabelle 10.4 fassen die wichtigsten neuroendokrinen Hormone nach Bildungsort, Regulation und Wirkung auf die Zielzellen zusammen.

10.1.3 Signalkette Bei primärer Überfunktion ist das Endhormon erhöht und die vorgeschalteten Hormone (»-tropine«, »-liberine«) supprimiert (. Tab. 10.5).

Weitere Einzelheiten finden sich in vorhergehenden Abschnitten, im GK Biochemie 7 Kap. 9.1 sowie 7 Kapi-

1097 10.3 · Energiehaushalt und Wachstum

tel 14.3 für G-Protein gekoppelte Kaskaden. G-Proteine

weisen 7 Transmembransegmente auf. Die prinzipielle Signalübertragung an der Plasmamembran erfolgt entweder über: 4 Adenylatzyklase, Guanylatzyklase (Gs/i-Protein pathway): cAMP, cGMP n oder poProteinkinase An/poProteinphosphorylierungn/p. Beispiele: PTH, Cortisol, AT II, ANP, Katecholamine (Noradrenalin und Adrenalin über α2-, β-Rezeptoren), Dopamin (DA-1: cAMPn, DA-2: cAMPp), TSH, ADH (V2-Rez.). 4 Phospholipase C (Gq-Protein pathway): IP3, DAGn o[Ca2+]n, Proteinkinase CnoCa2+-Wirkungen, Phosphorylierungen. Beispiele: Noradrenalin (α1Rezeptor), ADH (V1-Rez.), TRH, AT II. 4 Tyrosinkinase: intrazelluläre Domäne mit direkter Phosphorylierungsaktivität. Beispiele: Insulin, Somatomedine, STH, EPO. Second messenger sind hier Phosphoproteine und der Rezeptor hat nur eine oder evtl. 2 Transmembrandomänen.

10

10.1.4 Neuroendokrine Signalübertragung Einzelheiten in . Tabelle 10.2 bis . Tabelle 10.4. 10.2

Wasser- und Elektrolythaushalt (7 Kap. 8, 9)

Zu Ca2+-, Phosphat, Kochsalz- und Volumenhaushalt 7 Kapitel 8, 9 und . Tabelle 10.5. 10.3

Energiehaushalt und Wachstum

Wachstumshormone Die hypothalamischen Peptidhormone Somatoliberin GHRH (41 AS) und Somatostatin SIH (14 AS) regulieren antagonistisch die hypophysäre Ausschüttung des Wachstumshormons Somatotropin STH (191 AS) aus POMC-Zellen (. Tab. 10.3). Vor allem in Leber und Muskel induziert STH nach Bindung an Tyrosinkinase-

. Tab. 10.2. Hypothalamische Releasing- und Inhibiting-Hormone (Hormone, Bildungsort, Ausschüttungsreize und -regulation, Wirkungen auf Zielzellen. +: stimuliert. –: gehemmt)

Hormon

Bildung

Ausschüttung

Wirkung auf Zielzellen

GHRH (Somatoliberin)

Hypothalamus: Nc. präopticus, arcuatus, u. a. Ausschüttung Releasingund Inhibiting-Hormone in hypophysäres Pfortadersystem.

+: Hypoglykämie, AS, pulsatile Minutenrhythmik (!) –: Cortisol, IGF-I

Wirkung: GHRH-Rezeptor mit GDs-ProteinocAMPnoProteinkinase An. Adenohypophyse: STHn.

+: Östrogene, pulsatile Freisetzung –: FSH, LH, Sexualhormone

Wirkung: GnRH-Rezeptor, Phospholipase Cn. Adenohypophyse: FSHn, LHn.

+: Stress, Emotionen, zirkadiane Rhythmik, Fieber, Hypoglykämie. –: ACTH, Cortisol

Wirkung: CRH-Rezeptor mit GDs-ProteinocAMPn Adenohypophyse: POMC-Zelleno ACTHn Zirkadiane Rhythmik: Peak-Ausschüttung morgens (6–8 Uhr), Minimum nachts (24 Uhr)

PIH

+: Saugreiz

Adenohypophyse: Prolaktinp

PRH

+: Schwangerschaft, Stress, Saugreiz Mamille

Adenohypophyse: Prolaktinn

GnRH

CRH

TRH

Hypothalamus und Gastrointestinaltrakt (GI) und Pankreas-Betazellen (wenig)

–: TSH, Thyroxin, T3

Adenohypophyse: TSHn (Phospholipase Cn)

Somatostatin (SIH)

Hypothalamus und D-Zellen des Pankreas und Magen-, Darmmukosa; 14 AS-Peptid

+: Sympathikus (β), IGF-I, Hyperglykämie, Hyperlipidämie, AS, –: Katecholamine

Wirkung: inhibitorisches G-Protein o cAMPp Adenohypophyse: TSHp, ACTHp GI-Trakt: Insulinp, Glucagonp, Gastrinp, Sekretinp, hemmt Somatomedine, hemmt Wachstumsprozesse, Prolaktinp

1098

Kapitel 10 · Hormonale Regulation

Physiologie

. Tab. 10.3. Hypophysäre Hormone (Hormone, Bildungsort, Ausschüttungsreize und -regulation, Wirkungen auf Zielzellen. +: stimuliert. –: gehemmt)

Hormon

Bildung

Ausschüttung

Wirkung auf Zielzellen

ADH

Hypothalamus: Nc. supraopticus und paraventricularis. Axonaler Transport in Neurohypophyse. ADH: Nonapeptid, Abspaltung aus Präproadiuretin

+: Plasmaosmolaritätn, Hypovolämie, Stress, Angst, sex. Erregung, AT II, Dopamin, Endorphine –: Plasmaosmolaritätp, Hypervolämie, Kälte, Alkohol, GABA

Neurohypophyse: Speicherung und Ausschüttung Adenohypophyse: ACTHn SammelrohrocAMPnoluminaler AQP2-EinbauoH2O-Resorptionn Glatter MuskeloIP3o[Ca2+]no Kontraktion

Oxytocin

Oxytocin: Nonapeptid

+: Cervixdehnung (Geburt, Orgasmus), Saugreiz des Säuglings (konditionierbar, z. B. Schreien des Säuglings!)

Neurohypophyse: Speicherung, Ausschüttung. Brustdrüsenwachstum, Kontraktion Uterus (»Wehen«, Orgasmus) und duktale Milchgänge (Milchejektion)

TSH

Adenohypophyse (Thyreotrope Zellen)

+: TRH, Sympathikus (D), Östrogene –: T3, T4, Somatostatin, Dopamin, Glucocorticoide

Follikelzellen Schilddrüse (TSH-RezeptoroGDs-ProteinocAMPn): Iod-Aufnahmen, Iodinierung Thyreoglobulinn, Mobilisierung kolloidales Thyreoglobulin, Sekretion T3/T4n, Schilddrüsenhyperplasie

FSH

Adenohypophyse (Gonadotrope Zellen)

+: GnRH –: Inhibin, Östradiol, Progesteron

Frau: Granulosazellen: Follikelwachstum, Inhibinn, Activinn, Östrogenn (v. a. erste Zyklushälfte). Mann: Sertoli-Zellen: Spermiogenese, Inhibinn, Androgenaromatisierung, Androgen-bindendes Proteinn

LH

Adenohypophyse (Gonadotrope Zellen)

+: GnRH –: Sexualhormone

Frau: Thekazellen: Androgenen, Progesteronn, Ovulation-Initiator. Mann: Leydig-Zellen: Testosteronn

ACTH

POMC-Zellen Adenohypophyse (corticotrope Zellen)

+: CRH, Sympathikus (D), ADH, AT II, ANP, Interleukine, VIP, CCK, Serotonin, Histamin, Stress, Fieber, zirkadiane Rhythmik. –: Cortisol, Endorphine

NNRoMelanocortin-2-Rezeptoro cAMPn. Stimuliert Bildung und Freisetzung von Cortisol>Sexualhormone> Aldosteron Lipolysen, Insulin-Ausschüttung (n), Lymphozytenfunktionp

STH

Adenohypophyse (Somatotrope Zellen) pulsatile Minutenrhythmik (!)

+: GHRH, Sympathikus (D), AS, Hypoglykämie, Dopamin, Serotonin, Stress, SWS-Schlaf, Glucagon, Thyroxin, Östrogene –: Somatostatin, Adrenalin (β), Hyperglykämie, GABA, Hyperlipidämie, Cortisol, Somatomedine, TRH, Kälte, Progesteron, Alter, STH selbst (kurzer Feedback), IGF-I

Zelluläre Wirkung über Tyrosinkinase (JAK/STAT). Eigenwirkung (direkt) und Stimulation von Somatomedinen (indirekt) in Leber und Muskulatur. Indirekt: Wachstumsfördernd auf Knorpel, Muskulatur. Stimuliert T-Lymphozyten, Makrophagen Direkt: Glucoseaufnahme in Zellenp (oHyperglykämie), Glycolysep, Gluconeogenese aus ASp. diabetogen, lipolytisch, anabol

Prolaktin

Adenohypophyse (Mammotrope, Laktotrope Zellen)

+: PRH, Östrogene, Laktation (Saugreiz), Schlaf, Stress, VIP, TRH, Opioide, Glucocorticoide, AT II, Substanz P, ADH. –: Sympathikus (D), PIH, Dopamin, Somatostatin

Wachstum Brustdrüse und Milchgänge, Anovulatorische Phase während Stillzeit (relative Anti-Konzeption). Nicht Milchauswurf!

NNR: Nebennierenrinde; TSH: Thyreoidea stimulierendes Hormon; AT: Angiotensin; ACTH: Adrenocorticotropes Hormon; TRH: Thyreotropin-releasing-Hormon; GnRH: Gonadotropin-releasing-Hormon; STH: Somatotropes Hormon; AS: Aminosäuren; PRH: Prolaktin-releasing-Hormon; VIP: vasoaktives intestinales Peptid; ADH: antidiuretisches Hormon; PIH: Prolaktininhibiting-Hormon; SWS-Schlaf: slow-wave-sleep (7 Kap. 20).

1099 10.3 · Energiehaushalt und Wachstum

10

. Tab. 10.4. Periphere (Drüsen-) Hormone (Hormone, Bildungsort, Ausschüttungsreize und -regulation, Wirkungen auf Zielzellen. +: stimuliert. –: gehemmt)

Hormon

Bildung

Ausschüttung

Wirkung auf Zielzellen

IGF-I, IGF-II

v. a. Leber, Muskulatur, z. T. auch andere Gewebe

+: STH, Hyperglykämie, AS

–: Sympathikus (D)

Wirkung über Tyrosinkinaserezeptor. Renale Na+-Resorptionn, Calcitrioln, Knochenwachstumn, Kollagenisierungn, Makrophagenn, T-Lymphozytenn

Thyroxin (T4) Trijodthyronin (T3)

Follikelzellen Schilddrüse (intrazellulär+Kolloid), peripher: Dejodierung T4oT3

+: TRH, TSH –: Sympathikus (D)

Wirkung: intranukleäre Rezeptoreno Transkription, Translationn: Glycolysen, Glycogenolyse Lebern, Lipolysen, Hyperglykämie, Hyperlipidämie, Tachykardie, Hypertonie (syst. RRn, diast. RRp), Grundumsatzn, Hyperthermie, kardiale Betarezeptorenn, RPFn, GFRn, Darmmotilitätn, Längenwachstumn, intellektuelle Entwicklung. diabetogen, lipolytisch, anabol, sympathikoton

Insulin

B-Zellen Pankreasinseln (PräproinsulinoProinsulinoInsulin und C-Peptid)

+: Glucose (Hyperglykämie), AS, Sympathikus (β), GIP, CCK, Sekretin, Glucagon (!), ACTH, STH –: Somatostatin, Sympathikus (α)

Wirkung peripher: Insulinrezeptor Plasmamembran (Tyrosinkinase): Glucoseaufnahme in Muskel-, Fettgeweben (Insulin-sensitiver GLUT4) Aufnahme von FS in Fettgewebe und Speicherung als Triglyceride (Lipolysep, Lipidsynthesen) Leber: Glycolysen, Glycogensynthesen, Gluconeogenesep, Glycogenolysep Aktivierung Na/H-Exchanger, indirekt Stimulation Na/K-ATPaseozelluläre K+-Aufnahmen antidiabetogen, antilipolytisch, anabol

Glucagon

A-Zellen Pankreas-Inseln (Präproglucagono ProglucagonoGlucagon)

+: Hypoglykämie, AS, Sympathikus (β), ACh –: Glucose (Hyperglykämie), FS, GABA, Somatostatin

Wirkung selektiv in der Leber auf KohlenhydratstoffwechseloGDs-ProteinocAMPn odiabetogen, Glycogenolysen, Gluconeogenesen, Lipolysen, Ketonkörperbildungn diabetogen, lipolytisch, katabol

Cortisol

Zona fasciculata der Nebennierenrinde

+: ACTH, Katecholamine, Stress, Fieber, Arbeit, Schmerzen, Hypotonie, Hypoglykämie

SteroidhormonoRezeptor intrazellulär! Glucoseaufnahme in Muskel-, Fettgewebep Leber: Gluconeogenesen Peripher: Lipolysen, Proteolysen Hyperglykämie, enterale Glucoseresorptionn Immunsuppression: Leukozytose, Monozytenp, T-Lymphozytenp, Interleukinep Knochenabbau: Osteoklastenn, Osteoblastenp, enterale CaHPO4-Resorptionp Magen: HCl-Sekretionn (ulzerogen!). Niere: Mineralocorticoide Wirkung Fetale Lunge: Surfactant-Bildungn Herz: Katecholamin-Sensibilisierung diabetogen, lipolytisch, katabol

STH: somatotropes Hormon; TRH: Thyreotropin-releasing Hormon (= Thyreoliberin); TSH: Thyreoidea stimulierendes Hormon (= Thyreotropin); RPF: renaler Plasmafluss; GFR: glomeruläre Filtrationsrate

1100

Kapitel 10 · Hormonale Regulation

. Tab. 10.5. Hormonstörungen, Ursachen und Befunde

Funktionsstörung

Laborkonstellation

Ursachen

Klinik

primär

K+p, Ca2+p, Na+n, Aldosteronn, Reninp

Conn-Syndrom: NNR-Adenom (80%), bilat. Hyperplasie (20%), Malignome eher selten

sekundär

K+p, Ca2+p, Na+n, Aldosteronn, Reninn

Überfunktion RAAS, Diuretika-Nebenwirkungen

Hypokaliämische Hypertonie, Muskelschwäche, Obstipation, Kopfschmerzen, evtl. Herzrhyhthmusstörungen, hypertoniebedingte Polyurie

primär

Cortisoln, ACTHp, CRHp

Cushing-Syndrom: NNRAdenom, -Karzinom, ektop (paraneoplastisch), iatrogen (Cortisol-Therapie)

sekundär

Cortisoln, ACTHn, CRHp

Cushing-Krankheit (Morbus Cushing): Hypophysenadenom

primär

Cortisolp, ACTHn, CRHn, Aldosteronp, Plasmareninn, MSHp (keine Hyperpigmentierung!)

Addison-Krankheit: Automimmun, NNR-Karzinom, -Infarkt

sekundär

Cortisolp, ACTHp, CRH (n: sekundär, p: tertiär), Aldosteronl, MSHn (Hyperpigmentierung)

Hypophyseninsuffizienz

primär

T3n, T4n, TSHp, TRHp

Autonomes Schilddrüsenadenom, AutoimmunThyreoiditis (BasedowKrankheit)

sekundär

hypophysär: T3n, T4n, TSHn, TRHp

Hypophysenadenom

tertiär

hypothalamisch: T3n, T4n, TSHn, TRHn

Hypothalamische Überfunktion

primär

T3p, T4p, TSH und TRH: (l) n

Euthyreote Jodmangelstruma, Zustand nach Thyreoiditis, Karzinom

sekundär

T3p, T4p, TSHp, TRHn

Hypophyseninsuffizienz

tertiär

T3p, T4p, TSHp, TRHp

Hypothalamus: selten

Hyperinsulinismus

Hypoglykämie, Triglyceridep

Insulinom, fehlerhafte Diabetesbehandlung

Hypoglykämie, Schweißausbruch, Tremor, Unruhe, Agitation, Verwirrtheit, Hypertonie, Tachykardie, Koma

Hypoinsulinismus

Hyperglykämie, Hyperlipidämie

Diabetes mellitus

Polyurie, Polydipsie, Sehstörungen, Übelkeit, chron. Langzeitschäden an Gefäßen, Nieren, Augen, Nerven

Hyperaldosteronismus

Hypercortisolismus

NNR-Insuffizienz (Hypo-cortisolismus)

Hyperthyreose

Physiologie

Hypothyreose

RAAS: Renin-Angiotensin-Aldosteron-System

Gewichtszunahme, Stammfettsucht, Mondgesicht, Striae distensae, Seborrhoe, Pergamenthaut, Akne, Muskelschwäche, Muskelatrophie, Infektanfälligkeit, Osteoporose, Hypertonie, Depression, Nierensteine, Apathie, Müdigkeit, Magenulkus Müdigkeit, Abgeschlagenheit, Salzhunger, Exsikkose, Hypotonie, Muskelschwäche, evtl. Pigmentierungsstörungen, metabolische Azidose, evtl adrenogenitales Syndrom, Hypoglykämie, Neutropenie, Lymphozytose, Eosinophilie. Stoffwechselsteigerung, Schwitzen, Sympathikotonusn, Tachykardie, Hypertonie, Mydriasis, Herzrhythmusstörungen, Gewichtsverlust, Grundumsatzn, Hyperthermie, Schlaflosigkeit. Hyperthyreote Krise: internistischer Notfall! Akut lebensbedrohlich! Stoffwechselverlangsamung, schleichender Verlauf, Kälteintoleranz, Gewichtszunahme, Depression, Müdigkeit, Schlappheit, Bradykardie, Hypotonie, Myxödem

1101 10.3 · Energiehaushalt und Wachstum

10

4 Schilddrüsenhormone, 4 Steroide und 4 Insulin.

rezeptoren der Plasmamembran die Bildung von so genannten Somatomedinen (IGF-I, IGF-II, Somatomedin C), welche eine Ähnlichkeit mit Insulin aufweisen und ihrerseits in vielen peripheren Geweben Wachstumsprozesse auslösen (. Tab. 10.4).

Schilddrüsenhormone In C-Zellen der Schilddrüse sowie Zellen der Nebenschilddrüse werden Proteohormone des Ca-PhosphatHaushalts gebildet und reguliert (7 Kap. 9.1). Die Follikelzellen der Schilddrüse hingegen bilden die den Stoffwechsel steigernden Hormone Thyroxin (Tetrajodthyronin, T4) und in geringerem Maße Trijodthyronin (T3). Als Besonderheit werden diese nicht intrazellulär, sondern in einem extrazellulären Speicherraum, dem Kolloid, an Thyreoglobulin (TG) gebunden eingelagert.

Merke Knochenwachstum, Muskelwachstum, Proteinsynthese, Zellteilung und Immunsystem werden in der Peripherie indirekt durch Somatomedine stimuliert. Glycogenolyse, Lipolyse und Hemmung der zellulären Glucoseaufnahme werden durch STH direkt ausgelöst. STH wirkt anabol, diabetogen und lipolytisch.

TSH-Wirkung

Die STH-Ausschüttung wird über einen kurzen Feedback durch STH selbst sowie über einen langen Feedback über die Somatomedine gehemmt. IGF-I hemmt zum einen die GHRH- und STH-Ausschüttung direkt zum anderen indirekt über Stimulation der SIH-Ausschüttung (. Abb. 10.1). Somatostatin (SIH) wirkt peripher entgegengesetzt zu STH (. Tab. 10.2, . Tab. 10.3). Neben der GHRH-STH-IGF-Achse wirken wachstumsfördernd auch

Körperliche Leistung, NREM-Schlaf, Streß, Emotionen, Östrogene, Androgene, AS, Kortisol, Dopamin, Hypoglykämie

modulierend

Unter der Einwirkung von TSH wird an der basolateralen Seite der Follikelzellen die Aktivität eines Na-Jodid-Symporters (NJS) erhöht, welcher J– sekundär-aktiv aus dem Blut aufnimmt. Die Aktivierung des TSHRezeptors fördert in der Follikelzelle ferner die Bildung von Thyreoglobulin (TG), welches per Exozytose in den Kolloidraum sezerniert wird. Jodid verlässt die luminale Membran durch einen Pendrin-Transporter und wird ebenfalls ins Kolloid abgegeben, wo nach Oxi-

ZNS Hypothalamus

Somatostatin (SIH)

Somatoliberin (GHRH)

Adenohypophyse POMC-Zellen

langer Feedback

kurzer Feedback Peptid 191 AS Spezies-spezifisch anaboles Hormon, pulsatile Freisetzung (2–4 Std.)

Lipolyse, Glykogenolyse Proteinsynthese

Leber Sekretion von Somatomedin

Somatotropin (STH)

Knochen Längenwachstum

IGF-I, -II

. Abb. 10.1. Flussdiagramm für die Wachstumshormon-Achse. Erklärung im Text

STH-Wirkung: - anabol - diabetogen - lipolytisch

Rezeptor mit Tyrosinkinase-Aktivität

1102

Kapitel 10 · Hormonale Regulation

dation zu elementarem Jod (Peroxidase) die Jodierung von Tyrosinresten des TG zu T3, T4 und einem kleinen Teil rT3 (reverses T3, biologisch inaktiv) stattfindet. Auf der anderen Seite fördert TSH die Endozytose von iodiertem TG zurück in die Follikelzelle, wo nach Proteolyse des TG T3 und T4 aus der Bindung freigesetzt und basolateral in das Blut abgegeben werden können. Zu guter Letzt wirkt TSH an der Schilddrüse wachstumsfördernd (Hyperplasie). Merke Thyroxin und Trijodthyronin werden im Kolloid an Thyreoglobulin gebunden gespeichert.

Physiologie

Transport und periphere Wirkung der Schilddrüsenhormone

Über 99% von T3/T4 wird im Blut gebunden an Proteine transportiert und zwar an Transthyretin (Prä-Albumin), Albumin und Thyroxin-bindendes Globulin (TBG) (Thyreoglobulin hat im Blut nix verloren!). Die freie T3/T4-Konzentration macht weniger als 0,3% aus. Thyroxin hat eine höhere Plasmaeiweißbindung und damit höhere Halbwertszeit (7 Tage) als T3 (1 Tag). Hierdurch ist der Thyroxinspiegel relativ unempfindlich gegen schnelle Änderungen. Da nur das freie Thyroxin in der Peripherie seine Wirkung entfalten kann, kommt dem »freien Thyroxin« (fT4) klinisch größere Bedeutung zu als dem Gesamt-T4 (Gesamt-T4 plus TBG besitzt aber gleiche Aussagekraft). Thyroxin selbst ist biologisch nur wenig aktiv, aber im Plasma fast 100-mal höher konzentriert als T3. In den peripheren Geweben muss T4 erst zu dem biologisch sehr viel aktiveren T3 dejodiert werden. Ein kleiner Teil davon wird in unwirksames rT3 umgewandelt. Dies geschieht nach passiver (!) intrazellulärer Aufnahme von T4 und T3 durch (erleichterte) Diffusion. T3 diffundiert in den Kern und aktiviert nach Bindung an einen Rezeptorkomplex Transkription und Biosynthese vieler mitochondrialer Enzyme, der Na/ K-ATPase, Enzyme der Gluconeogenese, Myosin, β-Rezeptoren u. v. a. Weitere Wirkungen sind: 4 T3 stimuliert den Stoffwechsel: Proteinsynthesen, Glycogenolyse (Leber)n, Glycolysen, Lipolysen, Hyperglykämie. 4 T3 stimuliert den Kreislauf: Tachykardie, positiv inotrop, Expression kardialer Betarezeptorenn, RPFn, GFRn (Niere), Sympathikusn. 4 T3 stimuliert den Grundumsatz: Gewichtsverlust, Hyperthermie. 4 Schildrüsenhormone sind unerlässlich für normales Knochenlängenwachstum (Kretinismus bei Mangel!) und intellektuelle Entwicklung (Synapsenbildung!).

Merke Schilddrüsenhormone wirken diabetogen, anabol, lipolytisch, sympathikoton.

KLINIK Struma: Schilddrüsenvergrößerung (deskriptiv) unterschiedlicher Ursache, z. B. Jodmangel-Struma (Kropf, euthyreote Struma), Thyreoiditis, Karzinom, Adenom u. a. Symptome: evtl. Druckgefühl, »Kloß im Hals«, Schluckbeschwerden. Mehrere Stadien: Stadium II tastbar und sichtbar, Stadium III deutlich sichtbar mit Einengung. Jede Struma gehört diagnostisch abgeklärt! Euthyreote Struma: häufig Jodmangel mit T3/T4 noch normal oder leicht erniedrigt, TSH kompensatorisch erhöht. Nach Ausschluss eines Karzinoms (kalter Knoten!) Jodprophylaxe (200–500 μg/Tag), evtl L-Thyroxin nach T3/T4/TSH-Werten. Strumarückbildung meist nach 6 Monaten.

Endokriner Pankreas Merke Die Pankreashormone stehen nicht unter Kontrolle der hypothalamisch-hypophysären Achse. Regelgröße für Insulin und Glucagon ist v. a. der Blutglucosespiegel. Die Rückkopplung ist für Insulin positiv (GlucosenoInsulinn), für Glucagon negativ.

Die Langerhansinseln des Pankreas enthalten ca. 2 Mio. endokrin aktive Zellen (1–2% des Gewebes), deren Peptidhormone v. a. im Dienste des Glucosehaushalts stehen: 4 A-Zellen (~15%) produzieren Glucagon: Glucagon hat antagonistische Wirkungen zum Insulin (s. u.). Seine periphere Wirkung stimuliert den katabolen Stoffwechsel zur Mobilisierung von Glucose, sodass der Blutglucosespiegel ansteigt. Es wirkt diabetogen, lipolytisch und katabol. Seine Wirkung ist selektiv auf die Leber! 4 B-Zellen (~80%) produzieren Insulin (und ProInsulin, C-Peptid, Amylin): Hauptstimulus der Sekretion ist Glucose (Mechanismus, s. u.), gefolgt von Aminosäuren und in geringerem Maße Fettsäuren (. Abb. 10.2b, . Tab. 10.4). Im rauen ER entsteht aus dem Transkriptionsprodukt Prä-Proinsulin durch Abspaltung von Aminosäuren das Proinsulin, aus dem durch Abspaltung von C-Peptid Insulin entsteht. Insulin besteht aus zwei durch

1103 10.3 · Energiehaushalt und Wachstum

Disulfidbrücken verbundenen Peptidketten (A und B). Insulin entfaltet seine anabole, antidiabetogene und antilipolytische Wirkung über einen plasmalemmalen Insulinrezeptor (Tyrosinkinase-Familie). Insulin entfernt Glucose über mehrere Mechanismen aus dem Blut (senkt den Glucosespiegel!): 5 In der Leber werden die Glycogensynthese und Glycolyse stimuliert und die Gluconeogenese aus Aminosäuren gehemmt. 5 In Muskel- und Fettzellen wird der Insulinabhängige GLUT4-Carrier stimuliert und Glucose zellulär aufgenommen. 5 Über indirekte Stimulation der Na/K-ATPase wird Insulin-abhängig auch K+ aus dem Plasma in die Zellen geshiftet (Leber-, Muskel- und Fettzelle). Die Lipidsynthese ist intrazellulär gesteigert. 4 D-Zellen (~5%) produzieren Somatostatin: die Freisetzung wird stimuliert durch Glucose, Aminosäuren, freie Fettsäuren. Wirkung: hemmt parakrin Insulin-Ausschüttung u. a. Hormone (. Tab. 7.5). Prüfungsfallstricke Insulin stimuliert den anabolen Stoffwechsel (oGlycogen-, Protein- und Lipidsynthesen) und reduziert freie Glucose (oGluconeogenese, Glycogenolysep). Insulin hat keinen Einfluss auf die (rein passive) enterale Glucoseresorption. In Hepatozyten und Fettzellen führt Insulin zu einer Hemmung der Adenylatcyclase (ocAMPpoLipolysep). In Muskelzellen stimuliert Insulin cAMP-spezifische Phosphodiesterasen (ocAMPpoGlycogenolysep). Die Glucoseaufnahme in Hepatozyten ist nicht insulinabhängig, sondern wird durch Glucose selbst stimuliert (GLUT2).

Mechanismus der Insulinsekretion (Mind Map)

Insulin wird über glucoseabhängige »Überwachung« des zellulären Energiehaushalts mittels Ionenkanälen reguliert. Bei Hyperglykämie wird durch insulinunabhängige erleichterte Diffusion vermehrt Glucose in die B-Zelle des Pankreas aufgenommen (GLUT2). Hierdurch wird die Glycolyse angekurbelt und die ATPKonzentration steigt an. ATP-abhängige K+-Kanäle der Plasmamembran (KATP) fungieren nun als MetaboSensoren und schließen bei erhöhtem ATP. Als Folge davon fehlt nun (ein Teil) der stabilisierenden Kaliumleitfähigkeit für das Ruhepotenzial, es kommt zur Depolarisation. Mit der Depolarisation öffnen Ca2+-Kanäle und der Ca2+-Einstrom triggert die Exozytose der Insulinvesikel.

10

KLINIK Diabetes mellitus ist eine sehr häufige Erkrankung mit absolutem (Typ I) oder relativem (Typ II) Insulinmangel und Glucoseintoleranz. Symptome sind persistierende Hyperglykämie, Hyperlipidämie und katabole Stoffwechsellage. Durch das Anfluten von Fettsäuren werden vermehrt Ketonkörper gebildet und eine metabolisch-azidotische Stoffwechsellage stellt sich ein. Akut kann ein ketoazidotisches Koma (Coma diabeticum) mit vertiefter, charakteristischer Hyperventilationsatmung resultieren (Kussmaul-Atmung). Therapie mit Insulin unter Intensivüberwachung. 5 Typ I Diabetes: juveniler Diabetes, Autoimmunerkrankung mit Zerstörung von Pankreas-B-Zellen (absoluter Insulinmangel). Therapie durch nahrungsangepasste parenterale Insulin-Gabe. 5 Typ II Diabetes: Resistenz der peripheren Insulinrezeptoren mit häufig hohen Plasma-Insulinkonzentrationen oder zunehmender Insulininsuffizienz des Inselgewebes. Die letzte Form ist der eigentliche »Altersdiabetes« mit Abnahme der Insulinproduktion und zu vielen Fettzellen, welche alle Insulin benötigen. Diese Patienten sind meist adipös. Gewichtsreduktion kann häufig die Glucosetoleranz bessern (»weniger Fettzellen brauchen auch weniger Insulin!«). Therapie des Typ II Diabetes mit Stimulanzien der Insulinausschüttung: Sulfonylharnstoffe. Langzeitschäden anhaltender Hyperglykämie betreffen v. a. Gefäße (diabet. Mikroangiopathie), Niere (diabet. Nephropathie), Auge (diabet. Retinopathie) und periphere Nerven (diabet. Polyneuropathie). Vorsicht: Die Unterscheidung hyperglykämisches vs. hypoglykämisches Koma ist klinisch nicht immer eindeutig. Bei unsicherem Koma sofort vorsichtig Glucose verabreichen. Ein hypoglykämisches Koma bessert sich dadurch sehr rasch.

Merke Typ I Diabetiker sind meist dünn, Typ II Diabetiker sind meist dick.

Nebennierenrinde In der Nebennierenrinde werden von kortikal nach innen gebildet: 4 Mineralocorticoide (Aldosteron, Corticosteron) in der Zona glomerulosa.

1104

Kapitel 10 · Hormonale Regulation

a

b

ZNS

Inselzellen des Pankreas

Hypothalamus

Thyrotropin TSH

Insulin (B-Zellen)

Prolaktin Leber

Schilddrüse

Jod Muskel

Peripher: Dejodierung intrazellulär

Wachstum, Entwicklung Grundumsatz ↑ kardiale β-Rezeptorten ↑

Thyroxin T4

T3-Wirkung: - anabol - diabetogen - lipolytisch - sympathikoton

Katecholamine

Somatostatin (D-Zellen)

Glukagon (A-Zellen)

Fettzelle

Glykogenolyse ↓

Glykogenolyse ↑

Glykolyse ↑

Glykolyse ↓

Glykogensynthese ↑

Glykogensynthese ↓

Glykogensynthese ↑

Glykogenolyse ↑

Glukoseaufnahme ↑

Glukoseaufnahme ↓

anabole Wirkung

katabole Wirkung

antilipolytisch

Lipolyse ↑

Insulin-Wirkung: - anabol - antidiabetogen - antilipolytisch

Glukagon-Wirkung: - katabol - diabetogen - lipolytisch

. Abb. 10.2a,b. Hierarchie des Schilddrüsenhormonregelkreises (a). Regulation des Glucosehaushalts durch endokri-

nen Pankreas (b). Gezeigt sind die wichtigsten Hormonwirkungen auf Kohlenhydrat-, Fett- und Proteinhaushalt

4 Glucocorticoide (Cortisol, Cortison) in der Zona fasciculata. 4 Androgene (männliche Sexualhormone! DehydroEpiandrosteron, Androstendion) in der Zona reticularis.

gene) der Nebennierenrinde stehen unter Kontrolle von ACTH aus POMC-Zellen der Adenohypophyse, welches wiederum durch das hypothalamische CRH reguliert wird. CRH ist sehr speziesspezifisch. CRH wird v. a. durch Stress, körperliche Anstrengung und Emotionen ausgeschüttet, die CRH-ACTH-Cortisol-Achse gehört damit zu einer wichtigen Stress-Achse. Dabei ist Cortisol das wichtigste Stresshormon (Fieber, Arbeit, psychischer StressoCortisoln). CRH und ACTH wirken in ihren Zielzellen über Erhöhung von cAMP. Cortisol hemmt über langen Feedback die ACTH- und CRHAusschüttung, ACTH über kurzen Feedback die CRHAusschüttung (. Abb. 10.3).

Merke Von außen nach innenoglomerulosa, fasciculata, reticularis (Merkspruch: »GFR – Salz und Zucker machen sexy«)

Physiologie

Glukose

freie FS

Adenohypophyse

Trijodthyronin T3

AminoSäuren

GIP Gastrin

Thyreoliberin TRH

Ausgangssubstanz aller Corticoide ist Cholesterol. Die Gluco- und Mineralocorticoide entstehen aus den Gestagenen in der Nebennierenrinde. Glucocorticoide

Cortisol ist das wichtigste aktive Glucocorticoid. Cortison wird auch adrenal gebildet (wenig) und kann in der Leber in aktives Cortisol umgewandelt werden. Die Synthese und Ausschüttung von Cortisol (in geringerem Maße auch der Mineralocorticoide und Andro-

Glucocorticoidwirkungen: Cortisol hat viele Wirkungen (. Tab. 10.3): 4 Stoffwechsel: Energiebereitstellung: diabetogene, lipolytische, katabole Wirkung. Unter Cortisol entwickelt sich eine Hyperglykämie, die hepatische Gluconeogenese ist gesteigert, die Glucoseaufnahme peripher gehemmt. Lipolyse und Proteolyse

10

1105 10.3 · Energiehaushalt und Wachstum

4

4 4 4 4

stellen Fettsäuren und Aminosäuren zur Verfügung. Die enterale Glucoseaufnahme ist erhöht. Immunsystem: Cortisol wirkt antiallergisch (Prostaglandinsynthesep, Leukotrienep) und immunsuppressiv (Hemmung Monozyten, T-Lymphozyten, Entzündungsmediatoren). Wundheilung: Cortisol hemmt die Wundheilung und Kollagensynthese. Niere: Cortisol hat mineralocorticoide Wirkung und führt zur Na+- und Volumenretention. Magen: Cortisol steigert die Magensäure- und hemmt die Schleimproduktion. Es wirkt somit ulzerogen. Skelett: Cortisol stimuliert Osteoklasten und hemmt Osteoblasten. Der Knochen wird demineralisiert. Es kann zur Osteoporose kommen.

(Hypophysenadenom, eigentliche Cushing-Krankheit (Morbus Cushing!) oder tertiär sein. Daneben kommen ektope ACTH-Produktionen außerhalb der Achse, z. B. bei Bronchialkarzinom, vor. Iatrogener Cushing kommt vor bei Patienten, welche exogene Glucocorticoide zwecks Immunsuppresion (z. B. nach Transplantation) erhalten. Symptome: Müdigkeit, Leistungsknick, Gewichtszunahme, Stammfettsucht, Mondgesicht, Stiernacken, Striae distensae im Bauchbereich, Hypertonie, Ödeme, Osteoporose, Immunschwäche, Infektanfälligkeit, Pergamenthaut, Muskelschwäche, Magenulzera (. Tab. 10.5). Therapie kausal: 5 iatrogen: Dosisreduktion, 5 Cushing-Krankheit (Morbus Cushing): Adenomresektion, 5 ektop: Primärtumorsuche; ggf. Adrenalektomie unter Corticoidschutz (man muss danach nicht weitersubstituieren, da man in der Regel eine zweite Nebennierenrinde auf der anderen Seite hat).

KLINIK Hypercortisolismus: Cushing-Syndrom mit erhöhter Cortisolproduktion. Dies kann innerhalb der hypothalamisch-hypophysären Achse primäradrenal (Nebennierenrinden-Adenom), sekundär 6

Kortisol-Wirkung: - diabetogen - lipolytisch - katabol - per. Glukoseutilisation ↓

modulierend

ZNS

Autogener Rhythmus, Limbisches System, Streß, Emotionen

Hypothalamus SIH (Somatostatin)

CRH

ADH (Adiuretin)

cAMP ↓

Sympathikus↑, Darmtätigkeit ↓ Herz-Kreislauf: HZV ↑ Frequenz ↑ Blutdruck ↑

langer Feedback

cAMP ↑

Adenohypophyse POMC Zellen

IP3 ↑

ACTH (Adreno-Corticotropes Hormon) kurzer Feedback

Adrenalin Noradrenalin

Nebennierenrinde Nebennierenmark Glukoneogenese Leber ↑, aber katabol in Muskel, Fettzellen; Immunsuppression anti-inflammatorisch

Kortisol

Aldosteron

Androgene

Niere (mineralokortikoide Wirkung)

. Abb. 10.3. Regulation der Steroidhormone der Nebennierenrinde und Cortisolwirkungen. Erklärung im Text

1106

Kapitel 10 · Hormonale Regulation

Mineralocorticoide: 7 Kap. 9 Androgene: 7 Kap. 11 Fallbeispiel

Physiologie

Ein 46-jähriger Filialleiter sucht den Hausarzt auf, da er seit einigen Wochen innerlich unruhig sei und an Schlafstörungen leide. Er sei manchmal nachts »völlig aufgedreht«, »wälze sich hin und her«, auch tagsüber sei er in seinem sehr stressigen Beruf sehr »hibbelig« geworden. Er habe auch in den letzten Monaten 7 kg an Gewicht verloren, er schwitze häufig, auch wenn er am Schreibtisch sitzt. Letzte Woche sei ihm mehrmals ein »Herzstolpern« aufgefallen, welches ihn beunruhigt, und das er abklären möchte. Bei der körperlichen Untersuchung fällt auf, dass er eine Tachykardie von 105/min in Ruhe, eine leichte Hypertonie von RR 140/90 mmHg und eine Temperatur von rektal 38°C aufweist. Bei der Palpation der

Schilddrüse fällt auf, dass der rechte Lappen leicht vergrößert erscheint, aber schluckbeweglich ist. In der Sonographie der Schilddrüse zeigt sich rechts ein solitärer, scharf abgrenzbarer Knoten uneinheitlicher Echogenität. Im Serum findet sich die Konstellation von erniedrigtem TSH und stark erhöhtem fT4. Es wird ein Schilddrüsen-Szintigramm veranlasst, welches die Diagnose eines autonomen Adenoms (»heißer Knoten«) verhärtet. Der Patient wird dem Chirurgen zur subtotalen Schilddrüsenexstirptation rechts vorgestellt. Nach dem elektiven Eingriff normalisieren sich die Laborwerte rasch. Der Patient gibt in der Nachsorge einen Monat später keine Beschwerden mehr an.

Physiologie

1109

11

11 Sexualentwicklung und Reproduktionsphysiologie Mind Map Hormonelle Steuerung der Gonaden: Die Steuerung der Gonaden unterliegt bei beiden Geschlechtern der hypothalamisch-hypophysären Achse. Im Hypothalamus wird GnRH pulsatil ausgeschüttet. Hypophysäres FSH wirkt beim Mann auf die SertoliZellen, bei der Frau auf die Granulosazellen. In beiden Fällen wird hierdurch die Reifung der Gameten stimuliert (Spermiogenese bzw. Follikelreifung). In Granulosa- und Sertoli-Zellen werden ferner Inhibine und Aktivine gebildet, welche negativ bzw. positiv auf übergeordnete Zentren rückkoppeln. LH wirkt beim Mann v.a. auf die Leydig-Zellen, bei der Frau auf die Thekazellen.

Postovulatorisch produziert der Gelbkörper Progesteron, welches negativ rückkoppelt. Im Endometrium bewirkt es die Sekretionsphase. Eine Befruchtung ist infolge der Überlebenszeit von Oozyte und Spermien nur einige Tage postovulatorisch möglich. Die zunehmende LH- und FSH-Hemmung führt zur Rückbildung des Gelbkörpers und löst die Progesteron-Entzugsblutung aus.

Sexualhormon-Produktion: LH stimuliert die Bildung der peripher wirksamen Sexualhormone Testosteron bzw. Progesteron. Bei der Frau wird Progesteron auch in den Granulosazellen gebildet und in die Thekazellen transferiert, wo es zu Androgenen transformiert wird. Androgene werden umgekehrt von Thekazellen in Granulosazellen überführt und dort wird Östradiol gebildet, welches auf dem Blutweg auf das Endometrium wirkt. Testosteron koppelt beim Mann negativ, Progesteron und Östradiol bei der Frau zyklusabhängig positiv oder negativ zurück.

Schwangerschaft: Bei erfolgter Befruchtung nistet sich die Zygote im Endometrium ein. Die frühzeitige HCGProduktion des Trophoblasten erhält den Gelbkörper im ersten Trimenon, bis die Plazenta ausgebildet ist und selbst Progesterone produziert. Die Progesteron- und Östrogenkonzentrationen steigen kontinuierlich im Schwangerschaftsverlauf an. HPL bereitet die Brustdrüse zur Laktation vor. Die normale Schwangerschaft dauert 40 Wochen.

Menstruationszyklus: Der Menstruationszyklus beginnt mit den Menses, gefolgt von der Reifungsphase einer Follikelkohorte unter FSH-Einfluss. Ein Follikel wird dominant und produziert ansteigende Östradiolmengen. In der ersten Zyklushälfte koppelt Östradiol negativ zurück. Im Endometrium bewirkt es die Proliferationsphase. Die ansteigenden Östradiolwerte koppeln mittzyklisch positiv auf die LH-Freisetzung zurück und induzieren die Ovulation.

Erregungsreflexe: Die sexuellen Erregungsreflexe werden für beide Geschlechter in sakralen Erektionszentren parasympathisch und lumbalen Ejakulationsbzw. Orgasmuszentren sympathisch verschaltet.

Fetaler Kreislauf: Der fetale Kreislauf wird durch 3 Shunts charakterisiert (Ductus venosus, Ductus arteriosus, Foramen ovale), welche das Herzzeitvolumen an der unbelüfteten Lunge sowie an Teilen der Leber bypassen. Zu- und Abfuhr von Blut erfolgen von der Plazenta über eine Umbilikalvene und zwei Umbilikalarterien. Die Kreislaufrichtung entspricht der postnatalen, die Sauerstoffverhältnisse sind jedoch invers. Die fetale Sättigung wird durch fetales HbF bei erniedrigtem O2-Partialdruck gewährleistet.

1110

Kapitel 11 · Sexualentwicklung und Reproduktionsphysiologie

11.1

Geschlechtsfestlegung und Pubertät

Das Geschlecht wird zum einen genotypisch durch die Geschlechtschromosomen X und Y (Gonadendeterminierung) und zum anderen phänotypisch durch die peripheren Wirkungen der Sexualhormone festgelegt. Bei Vorliegen eines Y-Chromosoms werden Hoden angelegt; fehlt das Y-Chromosom, werden weibliche Gonaden angelegt. Die Gonaden werden paarig angelegt. Gonadendeterminierung

Als Primordialstrukturen werden in jedem Embryo der Wolff-Gang (Ductus mesonephricus) und der MüllerGang (Ductus paranephricus) angelegt. Bei Vorliegen eines Y-Chromosoms produzieren die embryonalen Testes Androgene (Leydig-Zellen), welche die Bildung von Nebenhoden, Samenleiter und Samenbläschen aus dem Wolff-Gang stimulieren. Die Sertoli-Zellen hingegen produzieren ein Anti-MüllerHormon, welches die Apoptose entlang des MüllerGangs auslöst, sodass dieser degeneriert: es entwickelt sich das männliche innere Genitale. Das weibliche innere Genitale resultiert gerade aus dem Fehlen der Testes: ohne Androgene fehlt die Stimulation des Wolff-Gangs (dieser degeneriert), ohne Sertoli-Zellen entsteht kein Anti-Müller-Hormon, d. h. der Müller-Gang bleibt: es entwickelt sich das weibliche innere Genitale. Merke Normaler männlicher Genotyp: XY: Testes (Androgene, Anti-Müller-Hormon). Wolff-Gang: Nebenhoden, Samenleiter und -bläschen. Normaler weiblicher Genotyp: XX: Ovarien. Müller-Gang: Tuben, Uterus, Cervix, obere Vagina. Merkspruch: »Hr. Wolff und Fr. Müller«.

Physiologie

Äußeres Genitale

Androgenabhängig schließt sich die Urethralfalte beim Mann, die Urethra wächst mit dem Genitalhügel aus und bildet den Penis (lange Harnröhre). Die Testes deszendieren androgenabhängig durch eine Peritonealduplikatur in das Skrotum aus Temperaturgründen aus der Bauchhöhle heraus. Bei der Frau bleibt die Urethralfalte offen (Androgenmangel!) und bildet die inneren Schamlippen. Der Genitalhügel wächst ebenfalls nicht aus und bildet die Klitoris. Das Skrotum entspricht beim weiblichen Embryo den äußeren Schamlippen.

Merke Mann versus Frau: Penis entspricht Klitoris, Skrotum entspricht Labia majoris, Periurethralfalte entspricht Labia minoris, Testes entsprechen Ovar.

Zerebrale Sexualprägung

Unter dem Einfluss der Androgene wird im Bereich dimorpher Kerne im Diencephalon der männliche Habitus indirekt über Aromatisierung zu Östradiol (!) ausgebildet. Das heißt aus Androgenen entstehen im ZNS Östrogene, welche das Gehirn in Richtung männliche Ausrichtung prägen. Warum bei Frauen Östrogene das Gehirn nicht maskulinisieren, ist nicht klar (aber klingt interessant). KLINIK Eunuchen: Nach Kastration mit fehlender Androgenbildung ist der Schluss der Epiphysenfugen verzögert und es resultiert eunuchoider Hochwuchs. Da die sekundären Geschlechtsmerkmale fehlen, haben diese Individuen eine hohe Stimme und keinen Bartwuchs.

Pubertät

Die Pubertät wird eingeleitet durch einen Wechsel der pulsatilen, hypothalamischen GnRH-Ausschüttung von ausschließlich in den Tiefschlafphasen hin zu einer Ausschüttung unabhängig von den Schlafphasen. Die langsame Erhöhung der FSH- und LH-Spiegel im Blut leitet die vermehrte gonadale Aktivität des Erwachsenen ein. Mit der Bildung der Sexualhormone (Testosteron bzw. Östrogene) werden die sekundären Geschlechtsmerkmale ausgebildet. Merke Sekundäre Geschlechtsmerkmale Mann: Eiweißanabole Androgenwirkung führt zu Wachstum der Muskulatur, Längenwachstumsschub, Stimmbruch (Kehlkopfwachstum), männlichem Behaarungstyp (über Dihydrotestosteron, DHT). Frau: Beginn der Menstruationszyklen mit Ovulation. Östrogene induzieren u. a. weibliche Schambehaarung und Brustwachstum.

Prüfungsfallstricke Nicht Testosteron, sondern das in den Haarfollikeln reduzierte Dihydrotestosteron (DHT) stimuliert den männlichen Haarwuchs.

1111 11.3 · Menstruationszyklus

11.2

Weibliche Sexualhormone

Generell bilden beide Geschlechter sowohl männliche als auch weibliche Sexualhormone, jedoch in unterschiedlichen Mengen. Als Steroidhormone wirken sie über intrazelluläre Rezeptoren als nukleäre Transkriptionsfaktoren (7 Kap. 10.1). Cholesterin ist die gemeinsame Ausgangsbasis. Aus Pregnenolon entsteht Progesteron oder Androgen, Progesteron wird weiter zu Androstendion hydroxyliert (GK Biochemie, 7 Kap. 9). Merke Aus den Androgenen werden durch Aromatisierung die Östrogene gebildet (Östradiol, Östron, Östriol).

Ovarielle weibliche Sexualhormone werden in den Thekazellen (Progesteron, Androgene!) und Granulosazellen gebildet (Progesteron, Östrogene, Inhibin, Activin, . Tab. 11.1). Bemerkenswert ist, dass die Östrogensynthese der Granulosazellen z. T. durch die Aufnahme und Aromatisierung von Androgenen gedeckt wird, welche von benachbarten Thekazellen sezerniert werden (Mind Map). Die Sexualhormone wirken im langen Feedback auf die GnRH- (Hypothalamus) sowie LH- und FSHAusschüttung (Adenohypophyse, . Tab. 10.3) zurück. Bei diesem Feedback ist 4 Inhibin stets hemmender, 4 Activin stets fördernder Natur (beide wirken v. a. hypophysär zurück). Östrogene und Gestagene koppeln zyklusabhängig sowohl positiv als auch negativ zurück (s. u.). Prüfungsfallstricke LH wirkt v. a. auf die Thekazellen, FSH v. a. auf die Granulosazellen.

Östrogen- und Gestagenwirkungen

In der Peripherie wirken Östrogene fast überall, da die meisten Zellen Östrogenrezeptoren exprimieren. Thekazellen enthalten keine Aromatase (deshalb müssen Androgene an die Granulosazellen zur Bildung von Östradiol übergeben werden!). 4 Genitale Östrogenwirkungen: Wachstum des Endometriums (Proliferationsphase) und der Milchdrüsengänge, Kontraktion des Myometriums, Follikelreifung. Weibliche sekundäre Geschlechtsmerkmale. Vaginale Epithelzellabschilferung (glycogenreich, daher Substrat für Döderlein-Bakterien:

11

Ansäuerung Vagina, pH-Barriere), Cervixschleim dünnflüssig. 4 Genitale Gestagenwirkungen: Sekretionsphase des Endometriums (2. Zyklushälfte), Relaxation des Myometriums (v. a. Ende der Schwangerschaft!), Cervixschleimkonsistenz dickflüssiger (»spinnbarer Cervixschleim« als Penetrationsbarriere für Spermien). 4 Extragenitale Östrogenwirkungen: Proteinanabolismus, Lipolysen, Knochenwachstumn, Mineralisierungn, mineralocorticoide Wirkung, prothrombotisch (!), antiarteriosklerotisch (HDLn, LDLp), Epiphysenschluss beschleunigt. 4 ExtragenitaleGestagenwirkungen:Proteinkatabolismus, Atmungsantriebn, Hyperthermie, Grundumsatzn, Übelkeit, Erbechen (v. a. Schwangerschaft!), mineralocorticoide Wirkung. 11.3

Menstruationszyklus

Der Menstruationszyklus beginnt per Definition mit dem 1. Tag der Regelblutung, welche normalerweise 4 Tage dauert. Es lässt sich ein ovarieller Zyklus von einem Endometriumzyklus abgrenzen. Im Endometrium schließen sich 4 Menses (Tag 1–4), 4 Proliferationsphase (Tag 4–14) und 4 Sekretionsphase (Tag 15–28) aneinander an. Im Ovar wechseln Follikelphase (Tag 1–14) und Lutealphase (Tag 15–28) einander ab, mit der Ovulation als Übergang (~14.Tag). Der normale Zyklus dauert somit ca. 28 Tage. Während des Zyklus ändern sich die Sexualhormone und ihre Regelkreise in charakteristischer Weise (. Abb. 11.1): 4 Follikelphase (Proliferative Phase): Reifung einer Kohorte an Oozyten unter FSH-Wirkung. Die zunehmende Östradiolproduktion der Follikel hemmt zunehmend die FSH-Sekretion (Östradiol steigt an, FSH nimmt ab während Follikelphase: negativer Feedback). Das Endometrium proliferiert unter der Östradiolwirkung. Da noch kein Gelbkörper vorhanden ist, bleiben die Progesteronspiegel niedrig. 4 Ovulation: Der am weitesten entwickelte Follikel (Graaf-Follikel) produziert plötzlich hohe Mengen an Östradiol um den 13. Tag (Peak ~24 h vor Ovulation). Dies erhöht sprunghaft die Sensitivität der Hypophysenzellen für GnRH, sodass ein steiler LH-Peak resultiert (positive Rückkopplung, . Abb. 11.1), welcher zur Ruptur des Follikels und Ausstoß der Oozyte in die Tuben führt. FSH hat auch einen Peak kurz vor der Ovulation.

1112

Kapitel 11 · Sexualentwicklung und Reproduktionsphysiologie

. Tab. 11.1. Männliche/weibliche und plazentäre Sexualhormone, Bildungsorte und Wirkung

Bildungsort Mann: Testes

Frau: Ovar

Hormon

Stimuliert durch, Zielorgane, Wirkung, Inaktivierung, Regelkreis

Leydig-Zellen

Androgene, Testosteron

Stimuliert durch LH; eigentlich wirksame Form ist 5-DHT: Reduktion von Testosteron in Zielorganen Bluttransport v. a. gebunden an SHBG, Albumin Wirkung (periphere Androgenrezeptoren): Spermatozytenreifung (nach Aromatisierung zu Östrogenen in Sertoli-Zellen), Fructosen Samenflüssigkeit, eiweißanabol, Knochenbildung, Muskelhypertrophie, Bartwuchs, Seborrhö, Libido Inaktivierung in Peripherie und Leber zu 17-Ketosteroiden Feedback: Hemmung GnRH, LH (nicht direkt FSH!) über langen Feedback

Sertoli-Zellen

Inhibin, Activin, Östrogen

Stimuliert durch FSH Bluttransport v. a. proteingebunden Wirkung: Inhibin hemmt, Activin stimuliert FSH-Freisetzung, Östrogene entstehen in Sertoli-Zellen u. a. durch Aufnahme (mittels ABP) und Aromatisierung von Testosteron (aus Leydig-Zellen): Spermatogenese

Thekazellen

Androgene, Gestagene, Progesteron

Stimuliert durch LH; Sekretion v.a. durch Gelbkörper in 2. Zyklusälfte (~25 mg/d) Bluttransport: v. a. gebunden an Albumin, SHBG Androgenwirkung: werden über ABP in Granulosazellen geschleust und dienen dort der Östrogensynthese Gestagenwirkung: genital: Sekretionsphase im Zyklus, Vorbereitung der Nidation ins Endometrium extragenital: katabol, Hyperthermie, Atemantrieb Feedback: positiver und negativer Feedback zu GnRH, LH!

Granulosazellen

Inhibin, Activin,

Stimuliert durch FSH Bluttransport: v.a. gebunden an Albumin, SHBG Östrogenwirkung: genital: Proliferation Endometrium und Milchdrüsengänge extragenital: anabol, lipolytisch, prothrombotisch Feedback: positiver und negativer Feedback zu GnRH und FSH. Inhibin nur negativ, Activin nur positiv auf FSH!

Östradiol (Follikelphase), Progesteron (Lutealphase)

Physiologie

Plazenta

HCG (humanes Choriongonadotropin)

Bildung ab 2. SSW, Wirkung wie hypophysäres LH: erhält Corpus luteum vital (»Corpus graviditatis«) sowie Östrogen- und Progesteronsekretion im 1. Trimenon aufrecht. Verhindert vorzeitige Uteruskontraktionen.

HPL (humanes plazentäres Laktogen)

Wirkung ähnlich HCG: erhält Corpus luteum vital. Zusätzlich somatotrope Wirkung im Feten (fetales Wachstum), laktotrope (Mammogenese, Vorbereitung der Laktation) und diabetogene Wirkung bei der Mutter

Östrogen, Progesteron

Progesteronbildung bis zu 250 mg/d, in dieser Konzentration auch die ausgeprägten emetischen Wirkungen der Frühschwangerschaft (Übelkeit, Erbrechen) Plazentares Östriol stammt aus Androgenen der fetalen NNR (ab 12. SSW)

5-DHT: 5-Dihydrotestosteron. SHBG: Sexualhormonbindendes Globulin. ABP: Androgenbindendes Protein

1113 11.4 · Androgene

4 Lutealphase (Sekretionsphase): Unter der LHWirkung produziert das Corpus luteum vermehrt Progesteron. Die Granulosazellen schalten in der Lutealphase nun teilweise von Östradiol- auf Progesteronproduktion um, sodass der Progesteronspiegel stärker ansteigt als der Östradiolspiegel. Hierdurch wird nun die hypophysäre LH-Ausschüttung gehemmt. Unter Progesteron geht das Endometrium in die Sekretionsphase über (. Abb. 11.1). Durch die LH-Hemmung wird der Gelbkörper immer weniger stimuliert und bildet sich bei erfolgloser Nidation bis zum ~22. Tag zurück. Der Progesteronentzug führt zur Konstriktion der Spiralarterien des Endometriums mit Abstoßung der oberflächlichen Schichten; es folgt die Menses ab dem 28. Tag. Die hypothalamische GnRH-Hemmung nimmt ab und ein neuer Zyklus kann beginnen (FSH-Anstieg). Merke Die Regelblutung ist eine Progesteronentzugsblutung. Nach der Ovulation nimmt die basale Körpertemperatur um ca. 0,5°C zu (Progesteroneffekt).

Prüfungsfallstricke Östradiol wird sowohl in Follikel- als auch Lutealphase produziert. Östradiol verändert nicht den hypothalamischen Temperatursollwert. Sowohl der Follikel als auch der Gelbkörper enthalten Thekaund Granulosazellen.

KLINIK Menstrualblut: Die Menses ist eine hyperfibrinolytische Blutung. Da einige Gerinnungsfaktoren im Endometrium abgebaut werden, ist das Menstrualblut flüssig und gerinnt nicht! Kontrazeption: Sammelbegriff für verschiedene Methoden zur Verhinderung einer Befruchtung und/oder einer Nidation.

11

beträgt die »gemeinsame Fruchtbarkeit« 4–5 Tage. Für den Zeitraum 4 Tage vor bis 1 Tag nach der Ovulation ist daher bei »natürlicher Verhütung« Sexualkarenz anzusetzen (»je mehr Tage Karenz man dazunimmt, desto sicherer, klar?«). Die Methode ist unzuverlässig, da die Temperatur durch viele Umstände gestört werden kann (Infekt, Stress). Orale Kontrazeptiva: häufigste praktizierte Form der hormonellen Kontrazeption. Ziel ist die Hemmung der Follikelreifung und Ovulation bei möglichst erhaltener Endometrialfunktion. In den ersten 21 Zyklustagen wird ein niedrigdosiertes Östrogen-Progesteron-Mischpräparat eingenommen, welches einen schwangerschaftsähnlichen Zustand simliert, in dem die FSH- und LH-Ausschüttung gehemmt wird und keine Follikel heranreifen können. Die variierenden Dosen von Östrogen und Progesteron sind dabei möglichst so angepasst, dass das Endometrium weiterhin in der 1. Hälfte proliferiert und in der 3. Woche die Progesteronwirkung überwiegt (Sekretionsphase). In der 4. Woche wird ein Placebo oder Eisenpräparat eingenommen, woraufhin sich die Menses normal als Progesteronentzugsblutung einstellt. Es gibt vielfältige Präparate, welche sich nur durch die relativen Östrogen/Gestagenverhältnisse unterscheiden. Ausnahme ist die so genannte Mini-Pille, welche nur Progesteron und kein Östrogen enthält. Nebenwirkungen können hier jedoch Zwischenblutungen sein, weshalb die Indikationen speziell sind. Orale Kontrazeptiva eignen sich ferner zur Behandlung von Hyperandrogenisierungssyndromen (z. B. Hirsutismus) oder bei unregelmäßiger/übermäßiger Ovartätigkeit (z. B. polyzystische Ovarien, Endometriose).

11.4

Androgene

Bildungsorte. Androgene werden beim Mann LHBasaltemperaturmethode: Messung der Basaltemperatur (morgens, rektal). Durch den durch Progesteron induzierten Temperaturanstieg kann die Ovulation abgeschätzt werden. Da die Oozyte unbefruchtet normalerweise 18–24 h überlebensfähig ist, die Spermien unter günstigen Bedingungen aber 3–4 Tage befruchtungsfähig bleiben, 6

abhängig in den Leydig-Zellen der Testes gebildet (. Tab. 11.1). Von hier aus werden sie zum einen ins Blut ausgeschüttet, wo sie in der Peripherie nach Reduktion zu Dihydrotestosteron (DHT) ihre typisch androgenen Wirkungen (. Tab. 11.1) entfalten. Zum anderen werden sie über Bindung an androgenbindendes Protein (ABP) in die Sertoli-Zellen aufgenommen. Dort werden sie zu Östrogenen aromatisiert, welche die Spermatogenese stimulieren (aufpassen!).

1114

Kapitel 11 · Sexualentwicklung und Reproduktionsphysiologie

ZNS

FSH

Erwachsener Zyklus

Hypothalamus

LH

pulsatil GnRH

Prolaktin Fetal Säugling Pubertät Kindheit

Menopause

Ovulation

Adenohypophyse LH

FSH

LH

FSH

1

Ovar

7

14

Inhibin Activin

GranulosaZelle

ThekaZelle

Androgene ABP

21 28 Tag im Zyklus Progesteron

Östradiol

Östrogen (Östradiol)

1

Progesteron

7

14

21

28

Menses Proliferation Sekretionsphase

Proliferationsphase, Sekretionsphase, Vagina-pH ↓, anabol, katabol, Grundumsatz ↑ lipolytisch, prothrombotisch Körpertemperatur ↑

Lutealphase

. Abb. 11.1. Regelkreis der ovariellen Sexualhormone (links). Zeitliche Konzentrationsverläufe von FSH, LH, Östradiol und Progesteron im Verlauf des normalen Zyklus sowie

Verlauf der Follitropine und Luteotropine in den einzelnen Lebensabschnitten (rechts)

Die Östrogene wirken ferner wieder auf die LeydigZellen zurück und stimulieren dort Androgen- und Proteinsynthese. Androgene werden ferner noch in der NNR (Zona reticularis) gebildet. Zu Wirkungen 7 Kap. 11.1 und . Tab. 11.1.

11.5

Merke

Physiologie

Follikelphase

Testosteronspiegel unterliegen zyklischen Tagesschwankungen mit Maximum am Morgen (daher auch häufiger morgendliche Erektionen!). Testosteron steigert die Fructosekonzentration in der Samenflüssigkeit. Es stimuliert die Sertoli-Zellen für die Spermatozytenreifung, während FSH die Spermiogenese (über lokale Östrogene!) steuert und die Leydig-Zellen mit LH-Rezeptoren ausstattet.

Gameten

GK Biologie, 7 Kap. 1.15 (Meiose); GK Anatomie, 7 Kap. 1 (Embryologie) 11.6

Kohabitation und Befruchtung

Der Vorgang der »In vivo«-Kohabitation (erfordert eigentlich keine weiteren Erläuterungen) setzt die Intaktheit sexueller Erregungsreflexe bei Mann und Frau voraus, nämlich Erektion und Ejakulation (Orgasmusphase): 4 Erektion: 5 Mann: Vasodilatation der pericavernösen Arteriolen, Füllung des Schwellkörpers mit Peniserektion. 5 Frau: Schwellen der Klitoris, Drüsenaktivierung mit seröser Transsudation (Gleitfähigkeit der Vagina steigt).

1115 11.7 · Schwangerschaft

4 Ejakulation (Orgasmus): 5 Mann: rhythmische Kontraktionen des M. bulbocavernosus (3–10) mit Auswurf des Spermas. 5 Frau: Öffnen des Muttermundes, Uterusaufrichtung und -kontraktionen, Oxytocinausschüttung. Merke Die Erektion wird parasympathisch über das Sakralmark, der Orgasmus wird sympathisch über das Lumbalmark vermittelt.

KLINIK Bei lumbalem Querschnittsyndrom ist das lumbale Ejakulationszentrum zerstört. Eine Erektion ist über den sakralen Reflexbogen noch möglich (rein reflektorisch, nicht über zentralnervöse Stimuli!), aber kein Orgasmus.

11.7

Schwangerschaft

Wird die Eizelle bis maximal 24 h nach der Ovulation befruchtet, bildet sich noch in der Tube die Zygote aus. Diese wandert entlang der Tube Richtung Uterus und nistet sich dort in das Endometrium ein (Nidation). Die Penetration des Trophoblasten in das Endometrium gleicht der einer invasiven Infiltration und Wachstums. Durch proteolytische Enzyme wird die Endometriumwand angedaut. Der Trophoblast wird zunächst rein diffusiv ernährt, bis sich der Synzytiotrophoblast mit der fetoplazentaren Einheit ausbildet.

11

Prüfungsfallstricke Progesteron und Östrogene fallen nicht in irgendeinem Trimenon ab! HCG ist dem LH, nicht dem FSH oder Östradiol funktionell ähnlich! Im 2. Trimenon spielt der Gelbkörper keine Rolle mehr, die HCG-Werte fallen auf basale Werte ab.

Ab der 5. SSW produziert die Plazenta HPL (humanes plazentares Laktogen, . Tab. 11.1), welches die Brustdrüsenentwicklung der Mutter und das Wachstum des Embryo fördert (somatomedinähnliche Wirkung!). Ab der ~8. SSW löst die Plazenta den Gelbkörper als Hauptproduktionsort für Progesteron ab. Progesteronspiegel steigen im Verlauf der Schwangerschaft kontinuierlich an (bis 100 ng/ml). Die Plazenta produziert große Mengen Östrogene im Verlauf der Schwangerschaft, die sie aber nicht selbst herstellen kann (keine Hydroxylasen!). Die fetale Nebennierenrinde nimmt mit der ~12. SSW die Androgenproduktion auf (DHEA), welche als Substrat für die Aromatisierung zu Östrogenen (v. a. Östriol, Östradiol, Östron) dann zur Plazenta transportiert werden (Plazenta enthält Aromatasen!). Daneben produziert die Plazenta eine ganze Reihe von weiteren Hormonen selbst: TSH, Plazentaprotein, CRH, GHRH, GnRH, Neurotensin, Substanz P, Somatostatin etc. Merke Das mütterliche Östrogen stammt ab dem 2. Trimenon aus der fetalen Nebennierenrinde, deren Androgene plazentar aromatisiert werden.

Hormonproduktion

KLINIK

Nidation und Ausbildung der Plazenta sind nur möglich, wenn die Plasma-Östradiol- und Progesteronspiegel hoch sind. Die zum Zykluszeitpunkt abfallenden Konzentrationen an FSH und LH werden nun durch Bildung von HCG (Human Chorionic Gonadotropin, . Tab. 11.1) aus dem Trophoblasten kompensiert, welches LH-Wirkung besitzt und die Progesteronbildung im Gelbkörper im ersten Trimenon aufrechterhält (höchste Konzentration ~10. SSW). Ohne HCG würde die abfallende Progesteronproduktion des Gelbkörpers zur Menses führen und eine Schwangerschaft verhindern. Zusätzlich stimuliert es die fetale NNR zur Androgenproduktion (s. u.).

Schwangerschaftstest: Nach Ausbleiben der Menses produziert der Trophoblast schon hohe Mengen an HCG, welches im Blut oder Urin (Teststreifen) nachgewiesen werden kann und eine Frühschwangerschaft bestätigt. Schwangerschaftsdauer: Eine normale Schwangerschaft dauert ca. 40 Wochen (entspricht 10 Menseszyklen oder 9 Zeitmonaten). Plazentaschranke: Die Plazentaschranke trennt die maternalen Zottenkapillaren von den fetalen Kapillaren. Sie ist durchgängig für O2, CO2, Nährstoffe, fetale Stoffwechselendprodukte, aber auch für Pathogene wie Alkohol, Viren (Masern, 6

1116

Kapitel 11 · Sexualentwicklung und Reproduktionsphysiologie

11.9 Röteln) und Immunglobuline vom Typ IgG (nicht IgM!). Die pränatale Diagnostik umfasst Ultraschall sowie evtl. Amniozentese (Amnionpunktion). Durch letztere kann z. B. ein Neuralrohrdefekt durch Nachweis erhöhter Konzentrationen an D-Fetoprotein (AFP) diagnostiziert werden.

11.8

Fetus

Im fetalen Kreislauf (Mind Map) ist die Verteilung der O2- und CO2-Partialdrücke entgegengesetzt zum postnatalen Kreislauf. Pränatal fließt O2-angereichertes Blut von der Umbilikalvene (Anzahl: eine!) zum einen über die V. portae in die Leber und in die V. cava inferior (in Mind Map nicht gezeigt), zum anderen direkt über den Ductus hepaticus (venosus) in die V. cava. Vom rechten Herzen gelangt es zum einen direkt über das Foramen ovale zum linken Vorhof, zum anderen über den Ductus arteriosus von der A. pulmonalis unter Umgehung der Lunge direkt in die Aorta. Prüfungsfallstricke Pränatal ist der rechtsventrikuläre Druck größer als der linksventrikuläre.

Da die fetale Lunge nicht belüftet ist, wird sie auch nicht perfundiert; die hypoxische Vasokonstriktion des Euler-Liljestrand-Reflexes bedingt einen hohen pulmonalen Gefäßwiderstand, der das Blut über KurzschlussShunts direkt in den großen Kreislauf »bypasst«. Von den Femoralarterien zweigen 2 Umbilikalarterien zurück zur Plazenta ab, welche desoxygeniertes Blut zur Plazenta transportieren.

Physiologie

Merke Pränatal ist die Richtung des Blutstroms genauso wie postnatal, nur die Oxygenierungsverhältnisse sind umgekehrt. In der Umbilikalvene hat das Blut nur einen PO2 von ~30 mmHg, aber aufgrund der höheren Affinität des fetalen Hb eine SO2 von ~85%. Der Fetus lebt in einem Zustand chronischer Hypoxie und hat deshalb einen relativ höheren Hämatokrit (7 Kap. 2.2). Der CO2-Transfer von fetalem zu maternalem Blut wird durch zunehmende Hyperventilation der Mutter im Verlauf der Schwangerschaft begünstigt (Progesteronwirkung).

Geburt

Die mit der Schwangerschaft ansteigenden Östrogenspiegel sensibilisieren den Uterus für die kontraktile Wirkung von Oxytocin. Durch lokale Bildung von Prostaglandinen und Relaxin wird der Muttermund erweitert, durch ansteigende Ausschüttung von hypophysärem Oxytocin wird Wehentätigkeit ausgelöst. Die tonische Erhöhung der Myometriumsspannung übt einen Druck auf die Fruchtblase aus, welche zunächst platzt (»Fruchtwasserabgang«) und den Fetus durch die Cervix uteri austreibt. Lokale mechanorezeptive Relaxationsreflexe unterstützen diesen Vorgang (sehr vereinfachte Darstellung der Geburt, füllt später ganze Kapitel in den Gyn-Büchern!). Nach der Geburt gibt’s einen Klaps auf den Po (!) und dann kommt der schwierigste Atemzug des Lebens. Das Abnabeln von der Nabelschnur führt zu einem starken Anstieg des arteriellen PCO2, welcher das Atemzentrum maximal stimuliert. Durch die erste Atemexkursion wird die Lunge entfaltet, der Widerstand im kleinen Kreislauf sinkt dramatisch ab und das Blut aus dem rechten Ventrikel wird nun Richtung Lunge und nicht mehr durch die Shunts geleitet (hier hängt nun der höhere TPR [totaler peripherer Widerstand] dran!). Durch den Druckabfall im kleinen Kreislauf dreht sich die Stromrichtung von linkem zu rechtem Herzen um und verschließt funktionell das Foramen ovale. Der bindegewebige Verschluss folgt erst in den ersten Lebenswochen. Der periphere Kreislaufwiderstand bleibt durch die Geburt quasi unverändert (steigt evtl. leicht an durch Wegfall der Plazentaperfusion). Merke Mit Geburt und Entfaltung der Lunge findet im Ductus arteriosus und Foramen ovale eine Strömungsumkehr statt. Die Oxygenierungsverhältnisse kehren sich nun auch um. Arteriell liegt dann ein hoher PO2 vor, venös ein niedriger PO2.

11.10

Laktation

Während der Schwangerschaft wird die Laktation bereits durch HPL und Prolaktin vorbereitet (Drüsenproliferation), durch die sehr hohen Progesteronspiegel aber noch gehemmt. Mit dem Wegfall der Plazenta fallen Östrogen- und Progesteronspiegel drastisch ab und erlauben die Milchsynthese durch Prolaktin. Mit dem Anlegen des Säuglings werden über Mechanorezeptoren nerval-spinale Reflexbögen geschaltet, welche

1117 11.11 · Alter

4 zum einen inhibierend auf die Dopaminfreisetzung hypothalamischer Neurone des Nc. arcuatus, 4 zum anderen stimulierend auf die Oxytocinfreisetzung im Nc. paraventricularis und Nc. supraopticus wirken. Dopamin als Prolaktin-Inhibiting-Faktor hemmt normalerweise die Prolaktinfreisetzung, sodass eine Hemmung von Dopamin die Prolaktinfreisetzung fördert. Merke Saugreiz des Säuglings: Dopaminp, Prolaktinn, Oxytocinn. Prolaktin fördert die Laktogenese, Oxytocin die Milchejektion. Der Milchejektionsreflex ist konditionierbar (Schreien des Säuglings!).

11.11

11

Alter

Bei der Frau ist der ovarielle Follikelvorrat begrenzt. Da pro Zyklus nur ein Follikel dominant wird, aber eine Kohorte von Follikeln reift und nach der Ovulation zugrunde geht, werden viele Follikel pro Zyklus verbraucht. Mit abnehmender Follikelzahl wird der Zyklus schließlich unregelmäßig und sistiert am Schluss ganz. Die letzte Regelblutung nennt man Menopause, daran schließt sich die Post-Menopause an. Da Östradiole und Progesterone wegfallen, steigt die Gonadotropinsekretion sprunghaft an und bleibt hoch (. Abb. 11.1). Dies verursacht oft Klimakteriumsbeschwerden. Beim Mann bleiben Hodenfunktion und Spermatogenese bis ins hohe Alter bestehen. KLINIK

Zusammensetzung der Muttermilch: Im Vergleich zu Kuhmilch ist die menschliche Muttermilch ärmer an Proteinen (~10 g/l vs. ~35 g/l) und Ca2+ (~300 mg/l vs. ~1200 mg/l), dafür aber fettreicher (~45 g/l vs. ~35 g/l). Im Gegensatz zu Kuhmilch enthält sie viele Immunzellen (Makrophagen, Neutrophile, Lymphozyten), IgA, IgD.

Klimakterium: Beschwerden im Klimakterium leiten sich von den hohen LH-Wirkungen ab. Symptome: u. a. Hitzewallungen, Flush. Die fehlende anabole Östrogenwirkung kann zu Osteoporose führen. Hormonsubstitutionstherapie: die Gabe niedrigdosierter Östrogene kann einer Osteoporose entgegenwirken, die Nebenwirkungen sind aber abzuwägen (Brustkrebsrisiko, Schlaganfälle, Thromboembolien).

Fallbeispiel Bei einer 28-jährigen Frau war nach Ausbleiben der Menses ein Schwangerschaftstest im Urin und Blut mit hohen HCG-Werten positiv ausgefallen. Eine in der 5. SSW durchgeführte Becken-Sonographie zeigt noch keine sicheren Hinweise auf eine intrauterine Schwangerschaft. In der darauf folgenden Woche entwickelt die Patienin einseitige Spannungsschmerzen der linken Seite und vaginale Sickerblutungen, weshalb sie beunruhigt den Arzt aufsucht. Der Uterus erscheint bewegungsschmerzhaft, der Douglas-Raum wird rektal getastet und ist von teigiger Konsistenz. Im Sonogramm zeigt sich dieses Mal eine starke Auftreibung des linken Eileiters und Flüssigkeit im

Douglas-Raum. Die HCG-Bestimmung im Blut ist zwar positiv, aber der Wert rückläufig zum Vorbefund. Fieber besteht nicht, die Bauchdecke ist weich, Abwehrspannung nicht erkenntlich. Das Blutbild zeigt Anzeichen einer Anämie. Aufgrund der Befunde wird bei der Patientin eine subakut verlaufende Extrauteringravidität im Bereich der Ampulle diagnostiziert. Da die abfallenden HCG-Werte bereits eine Beeinträchtigung der Frucht bedeuten, ist ein Tubarabort wahrscheinlich. Bei der Patientin wird endoskopisch eine Entfernung des ektopen Embryo durchgeführt und die Tuben mikrochirurgisch rekonstruiert. Die Patientin trägt keine weiteren Folgen davon und ihre Fertilität wird nicht beeinträchtigt.

Physiologie

1119

12

12 Funktionsprinzipien des Nervensystems Mind Map Elektrotone Potenziale und Aktionspotenziale: Neurone im zentralen und peripheren Nervensystem dienen der Signalübertragung über mitunter weite Strecken. Entlang der Axonmembran werden unterschwellige und hyperpolarisierende Membranpotenzialänderungen elektroton, überschwellige als Aktionspotenziale geleitet. Elektrotone Ausbreitung ist passiv, Aktionspotenziale setzen die Aktivierung spannungsgesteuerter Na+- und K+-Kanäle voraus. Die Nervenleitgeschwindigkeit nimmt mit Dicke und Membranwiderstand der Faser zu, mit dem Innenwiderstand ab. Membran-Zeitkonstante und -Längskonstante: Die Membranzeitkonstante ist das Produkt aus Membrankapazität und Membranwiderstand und gibt die Zeit für eine 63%ige Umladung der Membran an. Sie liegt im Bereich von 5–50 ms. Die Längskonstante gibt an, nach welcher Entfernung ein Potenzial auf ~37% seines Ursprungswerts abgefallen ist. Myelinisierung: Myelinproduzierende Zellen sind peripher Schwann-Zellen, zentral Oligodendrozyten. Erstere sind regenerationsfähig, letztere nicht. Durch Myelinisierung wird im Bereich der Internodien elektroton geleitet, an den Schnürringen das Aktionspotenzial wieder aufgefrischt. Myelinisierte Axone leiten um bis das 100-Fache schneller als unmyelinisierte. Zwischen 2 Schnürringen herrschen geschlossene Stromschleifen. Durch refraktäre Na+-Kanäle kann sich ein Aktionspotenzial nicht zurück ausbreiten. Transmitterfreisetzung: An der Axonterminale wird ein Aktionspotenzial in eine Transmitterfreisetzung umgewandelt. Spannungsabhängige Ca2+-Kanäle

öffnen, der Ca2+-Einstrom triggert die Fusion präformierter Transmittervesikel an der Membran und löst die Synapsin-Bindung von Vesikeln an Aktinfilamente. Postsynaptische Transmitterwirkung: Postsynaptisch binden Transmitter an ihre Rezeptoren und initiieren ionotrope oder metabotrope Wirkung. Exzitatorische Transmitter (Glutamat, Aspartat, ACh) induzieren eine Depolarisation und ein EPSP, inhibitorische (GABA, Glycin) eine Hyperpolarisation oder reduzieren eine Depolarisation und bewirken hierdurch ein IPSP. Postsynaptische Potenziale (PSP) breiten sich entlang der Dendriten über das Soma zum Axonhügel elektroton aus. Summation: Räumliche und zeitliche Summation vieler synaptischer Inputs entscheidet über die Auslösung eines Aktionspotenzials. Synaptische Plastizität: Glutamaterge Synapsen sind durch NMDA- und AMPA-Kanäle in der postsynaptischen Membran mit Mechanismen eines »zellulären Gedächtnis« verknüpft. NMDA-Kanäle sind durch Mg2+ von außen blockiert und werden erst nach ausreichender Vordepolarisation durch AMPA-Kanal-Aktivierung geöffnet. Der folgende massive Ca2+-Einstrom sorgt in der Folge für anhaltend erhöhte intrazelluläre Ca2+-Konzentration und beeinflusst viele zelluläre Mechanismen. Neuronale Signalverarbeitung: Durch Verknüpfungen von Neuronenketten untereinander können Signale moduliert werden. Laterale Inhibition verstärkt durch Aktivierung von hemmenden Interneuronen zwischen linearen Ketten den Kontrast unterschiedlicher Signale.

1120

Kapitel 12 · Funktionsprinzipien des Nervensystems

12.1

Ionenkanäle (7 Kap. 12.3.2)

12.2

Merke

Ruhemembranpotenzial (7 Kap. 1.5.1)

12.3

Signalübertragung in Zellen

12.3.1 Passive elektrische Eigenschaften Elektrische Signale werden im Nervensystem, aber auch in Muskelfasern, entlang von Membranen und im Zytoplasma weitergeleitet. Nicht umsonst gleicht die Morphologie von Nervenfasern oder Axonen derjenigen von elektrischen Kabeln, die Leitung von Ionenströmen lässt sich auch gleichermaßen durch die so genannte lineare Kabeltheorie beschreiben. Unterschwellige, depolarisierende Reize sowie alle hyperpolarisierenden Reize werden als elektrotonische Potenziale weitergeleitet. Hierbei entsteht kein Aktionspotenzial (!). Überschwellige Reize in Form von Aktionspotenzialen werden viel verlustärmer geleitet (s. u.). Membranschaltkreis Die Zellmembran einer Nerven- oder Skelettmuskelfaser lässt sich beschreiben als Flächennetzwerk von Parallelschaltungen 4 Ohmscher Membranwiderstände Rm (spezifischer Membranwiderstand, typische Ruhe-Werte: 2– 8 k:cm2) und 4 Membrankondensatoren Cm (spezifische Membrankapazität, typische Werte: 1–3 μF/cm2), wie in . Abb. 12.1a angedeutet (RC-Element).

Physiologie

Die RC-Glieder sind intrazellulär durch den zytoplasmatischen Widerstand Ri (innerer spezifischer Längswiderstand, typische Werte: 100–400 k:cm), außen durch den Widerstand Ro (externer Widerstand, in der Regel vernachlässigbar) miteinander gekoppelt. Elektrotonus Der Potenzialverlauf bei unterschwelligen Reizen wird als Elektrotonus bezeichnet. Stromschleifen müssen immer geschlossen sein, deshalb liegt extrazellulär die Referenzelektrode nun auf einem negativen Potenzial (Kathode). Die austretenden K+-Ionen fließen zur Kathode und schließen den Kreis. Die Zeitkonstante Wder Membranumladung beträgt: t = Rm ¥ Cm

(Gl. 12.1)

Am Anfang einer Membranumladung fließt kapazitiver Strom (exponenziell). Erst wenn der Kondensator umgeladen ist, fließt nur noch Ohm’scher Strom. Typische Werte für W sind 5–50 ms. Je kleiner W, desto schneller kann die Membran umgeladen werden und desto schneller breiten sich Potenzialänderungen über die Membran aus (»kleines W, gutes W!«)

Prüfungsfallstricke Bei intrazellulär injizierten depolarisierenden Reizströmen fließt K+ aus der Zelle hinaus, bei hyperpolarisierenden K+ in die Zelle hinein.

Ausbreitung eines Elektrotonus

Ströme breiten sich zwischen erregten und unerregten Stellen über Membran und Zytoplasma nach einem festen Schaltkreis aus. Der injizierte Strom I0 (. Abb. 12.1a) fließt auch seitlich ins Zytoplasma ab, weil die Nachbarschaft immer noch auf dem negativeren Ruhemembranpotenzial liegt. Dieser Strom heißt Leitungsstrom Ii und fließt über den Innenwiderstand Ri. Hierdurch wird die Nachbarschaft auch wieder depolarisiert, allerdings etwas weniger, weil auf dem Weg dorthin ja Verluststrom über die Membran abgezweigt wurde. Das heißt, die Spannung Vm nimmt mit wachsender Entfernung von der Einstichstelle immer mehr ab, bis der gesamte Strom über die Membran abgeflossen ist. Dann endet die elektrotone Ausbreitung. Wendet man eine schlaue Theorie an (»lineare Kabeltheorie«), kann man zeigen, dass bei elektrotoner Ausbreitung die Membranspannung exponenziell abfällt (. Abb. 12.1a). Der Abstand x von der Reizstelle x=0, an dem die ursprüngliche Erregung (Spannung) auf 1/e abgefallen ist, bezeichnet die Längskonstante O. O beschreibt eine Dämpfung und wird durch folgende Formel beschrieben (»und jetzt die Formel, natürlich auch aus der linearen Kabeltheorie«): l=

d ¥ Rm 4 Ri

(Gl.12.2)

Dabei gilt: d ist der Faserdurchmesser. Bei großem O kann sich ein elektrotones Potenzial relativ weit ausbreiten, bevor es gedämpft wird. Ist O hingegen klein, versiegt es schnell. In dicken Fasern ist deshalb die räumliche Ausbreitung besser.

1121 12.3 · Signalübertragung in Zellen

12

Merke

Prüfungsfallstricke

Je kleiner der Innenwiderstand Ri, je größer der Faserdurchmesser d und der Membranwiderstand Rm, desto größer ist O. Das heißt: Rmn, dn, RipoOn (»großes O gutes O!«). Amplitude und Ansstiegssteilheit des Elektrotonus nehmen mit zunehmender Entfernung vom Reizort ab. Bei einem unmyelinisierten Säugernerven von 1 μm Dicke beträgt O typischerweise ~0,2 mm und variiert in Zellen zwischen 0,1 mm und 5 mm.

O nimmt mit der Myelinisierung zu, nicht ab! Durch die Myelinisierung nimmt der Membranwiderstand mit jeder Umwicklung zu (bessere Abdichtung), die Kapazität mit jeder Umwicklung ab (»noch'ne Kondensatorplatte drauf…«)oRmn, CmpoWl.

Prüfungsfallstricke Bei Erregung der Zelle ändern sich durch Kanäle lediglich die Membranwiderstände, die Kapazität wird durch Erregung nicht beeinflusst. O ist nicht abhängig von der Länge des Axons. Je höher Ri und Cm, je kleiner Rm und d, desto größer der Verluststrom Im über die Membran bei elektrotoner Ausbreitung.

Elektrotonisch werden Potenziale überall dort geleitet, wo keine Aktionspotenziale ausgelöst werden können, weil keine (oder nur sehr wenige) spannungsgesteuerte Na+-Kanäle vorhanden sind. Dies ist der Fall in 4 Sinnesrezeptoren (Rezeptorpotenzial, s. u.), 4 Dendriten und 4 in myelinisierten Bereichen der Axone. Wie eine Signalleitung in myelinisierten Nerven über eine Strecke größer als O dennoch möglich ist, steht in 7 Kap. 12.3.3. KLINIK

Leitungsgeschwindigkeit

Die Fortleitungsgeschwindigkeit v elektrotoner Potenziale (und auch von Aktionspotenzialen) hängt von O und W ab. Kleines W heißt schnelle Umladung und Weiterleitung. Da aber die Kapazität Cm sich physiologischerweise nicht akut ändern kann (nur durch Einbau oder Abbau von Membranen!) wird z. B. beim Aktionspotenzial der Membranwiderstand Rm durch Öffnen von Na+-Kanälen stark abgesenkt und W dadurch verkleinert. Gleichzeitig nimmt dabei aber auch O ab. »Großes O ist aber gut«, woraus ersichtlich ist, dass die Fortleitung in dicken Fasern (großes d) besser ist als in dünnen, da der Längswiderstand abnimmt. Im Nervensystem wird die Leitungsgeschwindigkeit noch durch die Myelinisierung optimiert. Hierbei werden bis zu ~300 Lagen von Myelinscheiden um das Axon gewickelt und dadurch eine Reduktion der Verlustströme Im über die Membran erreicht (ähnlich einer elektrischen Isolierung). In myelinisierten Fasern strömt ein Strom im Wesentlichen längs durch das Zytoplasma (Ii in . Abb.12.1b). Merke Myelin wird im peripheren Nervensystem von Schwann-Zellen gebildet, im ZNS ausschließlich von Oligodendrozyten. Schwann-Zellen können nach Verletzungen im periphern NS regenerieren, Oligodendrozyten nicht! Die Leitungsgeschwindigkeit ist bei marklosen (nichtmyelinisierten) Fasern proportional zu l , in markhaltigen Fasern proportional zu O und damit größer.

Parästhesien bei degenerativen oder entzündlichen Markscheidenveränderungen beruhen auf einer Störung der Isolation durch das Myelin. Geht die Myelinscheide verloren, liegt »das Kabel blank« und das Axon kann im Verlauf an Stellen gereizt werden, an denen normalerweise kein Reiz auftritt. Die durch unphysiologische oder zufällig auftretende Reizungen entstehenden Gefühlsstörungen bezeichnet man als Parästhesien. Sie können Kribbel, Stechen, »Ameisenlaufen« oder Taubheitsgefühl hervorrufen. Kälte verschafft meist Linderung, da die Kanalaktivität von Na+- und K+-Kanälen herabgesetzt wird.

12.3.2 Aktionspotenzial (7 Kap. 1.5)

12.3.3 Fortleitung des Aktionspotenzials Saltatorische Signalleitung Zur Signalübertragung über weite Strecken (z. B. Rückenmark-Fuß ~1 m) ist die elektrotone Signalleitung denkbar ungeeignet, obwohl die Stärke des Signals durch die Amplitude des Elektrotonus kodiert werden könnte. Das Problem ist aber, dass im Abstand 4O eine ursprüngliche Potenzialdifferenz nur noch ~2 % (e–4= 0,018) beträgt und damit ein Signal höchstens im cmBereich weit käme! Die Lösung ist das Aktionspoten zial (AP), welches mit einer konstanten Amplitude von Membranstück zu Membranstück aktiv »weiterge-

1122

Kapitel 12 · Funktionsprinzipien des Nervensystems

reicht« wird. Dies macht die Leitungsgeschwindigkeit v aber langsamer (s. o.). In markhaltigen Nervenfasern geht es schneller: saltatorische Signalleitung (. Abb. 12.1b). Die Axone sind hierbei immer abschnittsweise von einer Markscheide umgeben und durch Bereiche ohne Markscheide unterbrochen. Saltatorisch heißt diese Art der Signalleitung, weil Aktionspotenziale immer nur im Bereich der Schnürringe gebildet werden. Ranvier-Schnürringe sind demnach die Bereiche des Nerven ohne Myelinisierung; Internodien sind die Bereiche des Nerven mit Myelinisierung (zwischen den Schnürringen!). Aktionspotenziale werden nur im Bereich der Schnürringe gebildet, da hier die Dichte spannungsabhängiger Na+-Kanäle hoch ist. Das Aktionspotenzial wird dann im Bereich der Internodien elektroton über den Innenwiderstand geleitet. Prüfungsfallstricke In den Internodien gibt es keine Aktionspotenziale, da durch die Myelinisierung Rm so hoch ist, dass dort praktisch kein Strom über die Membran fließt. Die Na+-Kanaldichte ist im Bereich der Internodien nicht hoch, sondern niedrig (»wozu sollte man die auch brauchen unter der Myelinschicht?«). Sie ist hoch an den Schnürringen (ca. 1000-fach höher als in marklosen Nerven), das Aktionspotenzial wird dort wieder »aufgefrischt«. Die elektrotonische Leitung ist nicht verlustfrei, dafür aber schneller als die Fortleitung eines Aktionspotenzials. Die Amplitude eines Aktionspotenzials nimmt entlang eines Nerven überhaupt nicht ab, die eines elektrotonischen Potenzials aber wohl. Die Axonmembran liegt nur im Bereich der Schnürringe frei, nicht im Bereich der Internodien!

Informationskodierung

Da die Amplitude eines Aktionspotenzials im Verlauf der Leitung entlang des Axons (im Normalfall) konstant bleibt, lässt sich hierüber keine Information kodieren. Die Stärke eines Reizes wird vielmehr frequenzkodiert, d. h. ein starker Reiz führt zu einer hohen Aktionspotenzialfrequenz. Nervenfaserklassen Die Leitungsgeschwindigkeit spiegelt Grad der Myelinisierung, Faserdicke, Innenwiderstand und Längskonstante wider (s. o.). In Abhängigkeit von der Leitungsgeschwindigkeit teilt man die vorkommenden Nervenfasertypen in 3 Klassen A–C nach Erlanger und Gasser ein (Nobelpreis 1944 für Medizin/Physiologie). Die A-Klasse lässt sich weiter in vier Subtypen AD–AG gliedern, welche nach Lloyd und Hunt auch mit I–IV bezeichnet werden (. Tab. 12.1). Prinzip der Neurographie Als Neurographie bezeichnet man eine klinische Methode zur Messung der Nervenleitgeschwindigkeiten (NLG) und Summenaktionspotenziale (CAP: »compound action potentials«). Auf das Hautareal über einem Nerven (z. B. N. ulnaris, N. medianus) wird ein Stimulator aufgesetzt, welcher aus Kathode und Anode besteht, und über den eine Spannung auf Haut und Subkutangewebe appliziert werden kann (. Abb. 12.1c). Durch das negative Potenzial der Kathode wird der Extrazellulärraum negativer, unter der Anode positiver zum Referenzpotenzial ohne Stimulation (0 mV extrazellulär!). Hierdurch wird die Potenzialdifferenz zwischen Intra- und Extrazellulärraum unter der Kathode kleiner, unter der Anode größer (. Abb. 12.1c). Eine Annäherung des Intra- an das Extrazellulärpotenzial entspricht aber einer Depolarisation, eine

Physiologie

. Tab. 12.1. Einteilung der Nervenfaserklassen nach Erlanger und Gasser (A–C) und Lloyd und Hunt (I-IV) sowie deren Vorkommen und Eigenschaften

Fasertyp

Vorkommen

Myelin?

D (μm)

v (m/s)

AD(Ia, Ib)

Motor-Afferenzen zu extrafusaler Muskulatur (AD) Primäre Muskelspindelafferenzen (Ia), Golgi-Sehnenorgan-Afferenzen (Ib)

ja

13–20

~100 (70–120)

AE(II)

Sensible Fasern, Mechanorezeptoren der Haut (Aβ) Sekundäre Muskelspindelafferenzen (II)

ja

6–12

~50 (30–70)

AJ

Muskelspindelefferenzen (Fusimotorik)

ja

~5

~30 (15–40)

AG(III)

Sensible Schmerz- (scharfer Schmerz!) und Temperaturafferenzen (kalt!)

ja

1–5

~20 (5–30)

B

Präganglionäre, sympathische und parasympathische Fasern

ja

~3

~10 (3–15)

C (IV)

Marklose, sensible Schmerz- (dumpf!) und Temperaturafferenzen (warm), sympathisch-postganglionäre Fasern, . Tab. 16.1.

nein

0,1–1,5

~1 (0,5–2)

v: Leitungsgeschwindigkeit; d: Durchmesser

1123 12.3 · Signalübertragung in Zellen

Entfernung davon einer Hyperpolarisation, weshalb eine Depolarisation generell nur an der Kathode auftritt. Bei genügend großer Reizstärke werden unter der Kathode liegende Axone überschwellig erregt und Aktionspotenziale ausgelöst. Mit zunehmender Reizstärke werden immer mehr Axone rekrutiert und die Amplitude des Summenaktionspotenzial CAP wird größer (im Gegensatz zum Aktionspotenzial eines einzelnen Axons, welches immer gleich groß ist!). Bei supramaximaler Stimulation sind alle Axone rekrutiert und die CAP-Amplitude erreicht einen Maximalwert (. Abb. 12.1c). Ausgehend von dem Kathodenareal breiten sich CAPs nach beiden Richtungen aus. Merke Aber beachte: An der Anode liegt ein hyperpolarisierendes Potenzial an, d. h. die CAPs, welche sich in Richtung Anode ausbreiten, »fallen dort in ein Potenzialloch« und das CAP wird abgeschwächt oder ganz blockiert: Anodenblock.

In die andere Richtung (also von der Kathode ausgehend weg von der Anode) kann das CAP sich ungestört ausbreiten, deshalb muss die Ableitelektrode auch auf der Gegenseite der Anode platziert werden. Aus dem Abstand Stimulationskathode und Ableitelektrode (Maßband!) l und der zeitlichen Latenz der Stimulation bis zur Registrierung der Erregung 't lässt sich die NLG berechnen (NLG=l/'t). Orthodrome, antidrome Leitung: Leitung in physiologische Richtung des Nerven, z. B. nach distal bei motorischen, nach proximal bei sensiblen, nennt man orthodrom. Die Gegenrichtung ist antidrom.

12

Schädigung der Oligodendrozyten und Demyelinisierung. Schwann-Zellen des peripheren Nervensystems sind nicht betroffen! Die Ätiologie ist multifaktoriell. Zugrunde liegt eine aufgehobene Immuntoleranz gegenüber Gliazellen und vermutlich auch gegenüber einiger Neuronengruppen mit Aktivierung autoreaktiver T-Lymphozyten im Gehirn. Der Verlauf ist häufig schubweise, aber auch chronisch progrediente Formen sind möglich. Durch die Zerstörung von Myelinscheiden treten Leitungsverzögerungen, Versiegen von Aktionspotenzialen (Leitungsblöcke) und Überspringen von Erregungen auf benachbarte Axone auf (so genannte ephaptische Leitung, ähnlich wie zwei blanke Kabel, die sich berühren). Die Symptome leiten sich vom Befallsmuster ab. Prädilektionsstellen sind die Peri-Balkenregion (Verlauf von corticospinalen Fasern), Kleinhirnregion und segmentale Rückenmarksbereiche. Symptome: Neuritis N. optici mit Doppelbildern, Sehstörungen, vertikale Blickparese, spastische Paresen, evtl. Inkontinenz, Ataxie bei Kleinhirnbefall, Gangstörungen, segmentale Paresen bei spinalem Befall. Diagnostik: Im Schub entzündliche Herde im MRT, reduzierte NLG zentraler Bahnen (transkranielle Magnetstimulation!), periphere reduzierte NLG sprechen gegen das Vorliegen einer MS (oder zusätzlich periphere Zweiterkrankung). Therapie: Therapeutisch wird Immunsuppression versucht, z. B. IFN-1β, Copaxone, Mithoxantron zur Schubprophylaxe.

KLINIK Die Neurographie ist geeignet, um zu unterscheiden zwischen 5 Erkrankungen der Markscheiden (demyelinisierend, z. B. Multiple Sklerose, Guillain-BarréSyndrom) und 5 Erkrankungen der Axone (Axonopathien, z. B. diabetische Polyneuropathie). Bei Demyelinisierung ist die NLG erniedrigt, bei Axonopathien ist die NLG unverändert, aber die maximale CAP-Amplitude reduziert (weniger intakte Axone vorhanden). Multiple Sklerose ist eine entzündliche Erkrankung des zentralen (!!) Nervensystems mit 6

Prognose: Verlorene Myelinscheiden im ZNS sind dauerhaft weg! Bei chronisch progredienter Form kommt es im Verlauf zu immer mehr Ausfällen bis zur Rollstuhlpflicht und Pflegebedürftigkeit. Es wurden vor einigen Jahren spezifische Marker gefunden (Pentapeptid), welche Schübe ankündigen könnten; somit könnte eine Therapie schneller eingeleitet werden.

12.3.4 Intrazellulärer Transport (7 Kap. 1.3.3)

und Neuroglia Im Zellsoma synthetisierte Proteine, Transmitter und Transmittervorstufen (z. B. Cholin) werden über axo-

1124

Kapitel 12 · Funktionsprinzipien des Nervensystems

a

c

+

–

Im: Verluststrom Ii : Leitungsstrom

Im τ=RC t cm

Rm

R0

R0

R0

cm

cm

cm

Rm

Ri Ii

+

I0

Rm

Ri

Anode

V

Kathode

Rm

Ri

+

Ii

+

0 mV

–

+50 mV +40 mV V0

–

Im

K+

–50 mV –40 mV

K+

+30 mV

–

–30 mV –80 mV

⁄e V0

+10 mV

I0 λ

b marklos

Na+

+ –

+ Ii

–K

Na+

+

Distanz x

–10 mV

Em < RMP

AP Anoden-Block

Im

–

–

+

+

+

+

+

–

–

–

Ii

RMP Nerv = viele Axone

Em > RMP

Summen-AP Depolarisation Hyperpolarisation

markhaltig

K+

Rm ↑ Cm ↓

Ii

Amplitude Summen-AP

alle Fasern rekrutiert

Reizstärke

. Abb. 12.1a–c. a Elektrotone Signalausbreitung hyperpolarisierender oder unterschwellig depolarisierender Potenziale entlang des Membranschaltkreises und exponenzieller Abfall mit der Distanz. b Leitung von Aktionspotenzialen (AP) an marklosen Fasern und saltatorische Leitung in markhaltigen Fasern. c Prinzip der extrazellulären Nervenreizung (z. B. bei Neurographie). Depolarisationen und Summenaktionspoten-

ziale entstehen nur an der Kathode und breiten sich orthound antidrom aus. An der Anode ist das Potenzial hyperpolarisiert und ein Anodenblock kann resultieren. Mit steigender Reizstärke nimmt die Amplitude durch Rekrutierung von Axonen bis zu einem Maximalwert zu (Ii: Längsstrom entlang des Axoplasmas, Im: Membranverluststrom. O: Längskonstante)

nalen Transport entlang von Mikrofilamenten und Tubuli unter Energieaufwand (ATP) transportiert (7 Kap. 1.2.3).

Neben der Myelinbildung (Oligodendrozyten, SchwannZellen) dient Gliagewebe v. a. der extrazellulären Elektrolythomöostase. Durch starke neuronale Aktivität wird der enge Extrazellulärraum mit K+ angereichert und verarmt an Na+ (Aktionspotenziale der Neurone), was mit der Zeit zu Membrandepolarisation und neuronaler Lähmung führen würde. Gliazellen nehmen K+ aus dem Extrazellulärraum auf und puffern so zu starke K+-Schwankungen ab. Durch die direkte elektrische Kopplung von Gliazellen (Gap junctions) kann der Strom depolarisierter Gliazellen über andere abfließen.

Physiologie

Neuroglia

Gliazellen bilden interstitielles Stützgewebe im Nervensystem ektodermalen Ursprungs. Sie füllen den Raum zwischen Gefäßen und Neuronen aus und haben neben mechanischer Stabilisierung nutritive und phagozytotische Funktionen. Das gliale Gewebe bilden 4 im ZNS Astrozyten (Makroglia) und Oligodendrozyten (Mikroglia) und 4 im peripheren Nervenystem die Schwann-Zellen.

1125 12.4 · Signalübertragung zwischen Zellen

12

Merke Gliazellen haben eine höhere Dichte an K+-Kanälen als an Na+-Kanälen. Sie sind nicht erregbar, da die Na+-Kanaldichte nicht ausreicht, um Aktionspotenziale auszulösen. Neuronen sind im Gegensatz zu Gliazellen in der Regel nicht spontan regenerationsfähig (es wurden jedoch neuronale Stammzellen im Hippocampus gefunden, an denen noch intensiv geforscht wird).

2. 3.

spezifisch inhibitorische oder exzitatorische Wirkung je nach spezifischem Transmitter. Möglich ist eine Transmittersubstitution als therapeutisches Prinzip (z. B. Parkinson-Krankheit: Dopamin) oder eine pharmakologische Blockade durch »falsche Transmitter«.

Nachteilig ist die Signalverzögerung durch Diffusion (0,5–1 ms), es tritt kein sofortiger Effekt ein!

Prüfungsfallstricke Wie alle Zellen mit K+-Diffusionpotenzial depolarisieren Gliazellen bei Anstieg der extrazellulären K+-Konzentration. Gliazellen setzen keine Transmitter frei.

12.4

Signalübertragung zwischen Zellen

12.4.1 Prinzipien synaptischer Übertragung Synapse

Zellverbindungen zur Signalübertragung nennt man Synapsen. Prinzipiell finden sich 2 Synapsentypen: 4 elektrische Synapsen (Gap Junctions) (7 Kap. 1.2.4) und 4 chemische Synapsen (Synapsen im engeren Sinne). Chemische Synapse: Charakteristikum ist die indirekte Kopplung von prä- und postsynaptischer Membran über einen synaptischen Spalt (bis ca. 50 nm). Präsynaptisch befindet sich die Axonterminale, an der ein ankommendes Aktionspotenzial die Ausschüttung eines Transmitters induziert (s. u.). Der Transmitter diffundiert über den synaptischen Spalt (Diffusionszeit ~1 ms) an die postsynaptische Membran und bindet dort an einen spezifischen Rezeptor. Die Liganden-Rezeptor-Bindung aktiviert den Rezeptor, welcher als Effektor an der postsynaptischen Membran spezifische Reaktionen, meist in Form veränderter Ionenleitfähigkeiten, auslöst (z. B. hemmende Transmitter führen postsynaptisch zu gKn, gNap, gCln, s. u.).

12.4.2 Transmitterfreisetzung Transmitter An chemischen Synapsen wird die Signalübertragung durch Transmitter bewerkstelligt. Peptid-Transmitter (z. B. biogene Amine) werden meist im Soma des Neurons synthetisiert und als Vesikel über die Mikrotubuli zur Synapse transportiert, wo sie ans Zytoskelett (Aktin) als Vesikelspeicher angeheftet werden. Non-Peptid-Transmitter (z. B. ACh) können vor Ort in der präsynaptischen Terminale synthetisiert werden. Vesikel: Im Soma synthetisierte Transmitter werden durch Abschnürung im Golgi-Apparat in Vesikeln verpackt. In der Axonterminale synthetisierte Transmitter müssen dort in Vesikel verpackt werden. Dies geschieht über eine primär-aktive H+-ATPase in der Vesikelmembran, welche das Vesikelinnere ansäuert. Getrieben durch die Protonenmotorische Kraft (im Vesikel viele Protonen, die raus wollen) werden Transmittermoleküle dann im Austausch gegen H+-Ionen aus dem Zytosol in die Vesikel aufgenommen (. Abb. 12.2). Merke Synapsen können verschiedene Transmitter beherbergen. Sogar in einzelnen Vesikeln kommen verschiedene Transmitter vor (Prinzip der Kotransmitter, s. u.). Synaptische Vesikel sind 40-200 nm groß und können mehrere Tausend Transmittermoleküle enthalten (z. B. 6.000–10.000 ACh Moleküle pro Vesikel in motorischen Nervenendigungen). Durch das kleine Vesikelvolumen ist die Transmitterkonzentration darin sehr hoch (0,2–0,6 mol/l).

Merke Vorteile der chemischen Synapse: 1. gerichteter Signalfluss nur von prä- nach postsynaptisch. 6

Transmitterfreisetzung Die Freisetzung von Transmittern aus Axonterminalen ist auf Ca2+ angewiesen. Ein Aktionspotenzial, welches die Axonterminale erreicht, triggert die Öffnung span-

1126

Kapitel 12 · Funktionsprinzipien des Nervensystems

nungsabhängiger Ca2+-Kanäle (P-, Q-, N-Typ). Durch den Ca2+-Einstrom aus dem Extrazellulärraum werden 4 zum einen schon an der Membran angedockte Vesikel zur Fusion gebracht (nur dieser Anteil an Vesikeln steht für die nächste Transmitterfreisetzung zur Verfügung), 4 zum anderen werden angeheftete Speichervesikel aus der Zytoskelettbindung an Aktin durch Ablösen von Synapsin freigesetzt (. Abb. 12.2). Synapsin wird hierbei Ca2+-Calmodulin- und cAMPabhängig phosphoryliert. An der präsynaptischen Membran präformierte Vesikel besitzen in ihrer Membran die Proteine Synaptotagmin und Synaptobrevin. Synaptobrevin geht eine (kurze = brevis) Bindung mit zwei Proteinen der präsynaptischen Membran ein (Syntaxin+SNAP-25 = SNARE-Komplex), sodass der Vesikel verankert wird. Strömt nun bei einem Aktionspotenzial Ca2+ ein, kann dieses an Synaptotagmin (»Kontakt«) binden, welches dann die Fusion beider Membranen und die Exozytose des Transmitters auslöst. Unter ATP-Hydrolyse wird der SNARE-Komplex gelöst und der Vesikel kann sich wieder nach innen ablösen (»Membran-Recycling«). Das Ca2+ wird nach dem Aktionspotenzial wieder über primär-aktive (plasmalemmale Ca2+-ATPase, PMCA) oder sekundär-aktive (3Na/ 1Ca-Exchanger) nach extrazellulär transportiert (. Abb. 12.2). Transmitter-Quanten: Die Transmitterfreisetzung ist gequantelt, da jeder Vesikel eine relativ konstante Anzahl Transmittermoleküle enthält, d. h. die Übertragungsstärke kann nur in ganzzahligen Vielfachen dieser Quanten stattfinden. Dies ist z. B. als MiniaturEndplatten-Potenzial (MEPP) an der neuromuskulären Endplatte messbar. Die Freisetzung von einzelnen Vesikeln geschieht hier auch spontan!

Physiologie

Merke Je höher die Aktionspotenzialfrequenz und länger die Aktionspotenzialdauer, desto größer und länger ist die Membrandepolarisation und desto größer sind Ca2+-Einstrom und Transmitterfreisetzung: Kodierung der Aktionspotenzialfrequenz in Signalstärke. Je höher das extrazelluläre Ca2+ ist, desto größer ist der Ca2+-Einstrom. Extrazelluläres Mg2+ hemmt den Ca2+-Einstrom.

Post-tetanische Potenzierung ist die einfachste Form eines synaptischen »Gedächtnisses«: mehrmalige starke präsynaptische Erregung führt zu anhaltender Erhöhung von Ca2+ und Transmitterfreisetzung.

KLINIK Hemmstoffe der synaptischen Transmitterfreisetzung sind: Tetrodotoxin, Saxitoxin blockieren neuronale Na+-Kanäle und damit das Aktionspotenzial. ω-Conotoxin blockiert neuronale Ca2+-Kanäle und verhindert den Ca2+-Einstrom. Dieses Gift kommt in australischen Meeres-Schneckenarten vor, die auch für den Menschen tödlich sein können. Botulinustoxin ist das Toxin des Anaerobiers Clostridium botulinum; es kommt bei Lebensmittelvergiftungen vor, z. B. durch alte Konserven. Das Toxin spaltet Proteine der Exozytose (Synaptobrevin, SNAP-25, Syntaxin), was die Transmitterfreisetzung komplett schon in ng-Mengen hemmt (!). Symptome treten bis 24 h nach Intoxikation auf und beinhalten Sehstörungen, Doppelbilder, Übelkeit, Muskelschwäche und Lähmung mit Areflexie, in schweren Fällen Atemlähmung. Im Spätstadium ist keine Rettung mehr möglich. Therapie: Im Verdachtsfall sollte schon polyvalentes Antitoxin verabreicht werden. In geringen Dosen wirkt das Toxin lediglich lokal und wird klinisch sogar zur Behandlung von muskulärem Schiefhals bewusst appliziert. Tetanustoxin ist das Toxin des Anaerobiers Clostridium tetani, die Infektion erfolgt über verschmutzte Wunden (ubiquitärer Keim). Das Toxin wird von somatomotorischen Axonen lokal aufgenommen und retrograd ins Motoneuron transportiert, wo es nach Transzytose von hemmenden Interneuronen aufgenommen wird und dort die Freisetzung von Glycin durch Synaptobrevin-Spaltung blockiert. Die Wirkung tritt nach 4–14 Tagen ein und ist ähnlich einer Strychninvergiftung (Glycinhemmung) mit Enthemmung der Motorik und Muskelkrämpfen, Streckkrämpfen bei erhaltenem Bewusstsein. Frühzeichen ist ein grimassenartiges Verziehen der Gesichtsmuskulatur (»Risus sardonicus«). Therapie: Wundreinigung, Antibiose, humanes Anti-Toxin, evtl. Intensivtherapie (»ist alles vermeidbar, wenn man sich schön brav impfen lässt.«).

12.4.3 Transmitter Transmittergruppen Haupt-Neurotransmitter: Die Haupt-Neurotransmitter im zentralen Nervensystem lassen sich einteilen in 4 Aminosäuren (GABA, Glycin, Glutamat, Aspartat), 4 Katecholamine (Adrenalin, Noradrenalin, Dopamin),

1127 12.4 · Signalübertragung zwischen Zellen

4 Monoamine (Katecholamine und ACh, Serotonin, Histamin) und 4 Peptide (Substanz P, Enkephaline, Angiotensin II, VIP, β-Endorphin, Neurotensin u. a.). Zusätzlich kommen noch Metabotransmitter (Adenosin, ATP) und gasförmige Transmitter (NO) vor (. Tab. 12.3). Merke Wichtigster erregender Transmitter im ZNS ist Glutamat. Wichtigster inhibitorischer Transmitter im ZNS ist GABA. Glycin ist Haupttransmitter vieler inhibitorischer Synapsen, v. a. im Rückenmark. ACh ist erregender Transmitter an der neuromuskulären Endplatte, aber auch im ZNS und vegetativen Ganglien (7 Kap. 14), am Herzen dafür hemmend. Neuropeptide wirken meist modulierend auf die Signalübertragung.

Kotransmitter: An manchen Synapsen wird nicht nur ein Transmitter, sondern es werden meist modulierende Peptidtransmitter zusammen mit dem Haupttransmitter ausgeschüttet (Prinzip der Kotransmission). Diese wirken aber über andere Rezeptoren der postsynaptischen Membran. Als Kotransmitter von Glutamat findet sich häufig Substanz P, von Glycin häufig Neurotensin. ACh, Dopamin, NA, GABA, Serotonin können häufig mit verschiedenen Neuropeptiden kolokalisiert sein.

Postsynaptische Transmitterwirkungen Ein ausgeschütteter Transmitter diffundiert über den synaptischen Spalt zur postsynaptischen Membran und muss dort an einen spezifischen Rezeptor binden (»ohne Rezeptor keine Wirkung!«). Für die postsynaptische Wirkung gibt es 2 prinzipielle Möglichkeiten: 4 Ionotrope Wirkung: Der Rezeptor selbst ist ein modifizierter Ionenkanal, welcher durch die Bindung des Transmitters geöffnet wird: ligandengesteuerter Ionenkanal. Beispiele sind 4 nikotinerger ACh-R an Muskelendplatte, 4 GABA-Wirkung an GABAA-Rezeptor (Cl–-Kanal), 4 Glutamatwirkung an NMDA-Rezeptor (unspez. Kationenkanal), . Tab. 12.3. 4 Metabotrope Wirkung: Der Rezeptor selbst ist kein Ionenkanal, sondern Teil eines (oder gekoppelt an) G-Proteins (s. u., 7 Kap. 12.4.6).

12

Rezeptorspezifität Rezeptoren sind nicht nur ausschließlich für den natürlich vorkommenden Transmitter (Ligand) spezifisch, sondern können auch strukturähnliche und andere Substanzen binden. Nach der Wirkung unterscheidet man: 4 Agonisten: Stoffe, welche am Rezeptor dieselbe Wikrung entfalten wie der natürliche Ligand (»Rezeptormimetika«). Beispiel: Nikotin wirkt neben ACh an nikotinergen ACh-Rezeptoren. 4 Antagonisten: Stoffe, welche am Rezeptor binden, die erwünschte Wirkung unterbinden oder sogar die Bindung des natürlichen Liganden verhindern (kompetitive Hemmung, z. B. Curare für nikotinerge ACh-R [=N1-ACh-R], Atropin für muskarinerge ACh-R). KLINIK »Falsche Transmitter«: Die Rezeptorpharmakologie ist ein Potpourri für spezifisch-medikamentöse Beeinflussung von Synapsen. Viele Antagonisten der N-ACh-R an der neuromuskulären Endplatte werden für die Muskelrelaxation in der Anästhesie eingesetzt: Tubo-Curarin, Succinylcholin (s. u.). Zentral dämpfende Psychopharmaka binden z. B. am GABAA-Rezeptor-Kanal und erhöhen die Cl–-Leitfähigkeit. Interessanterweise binden Barbiturate und Benzodiazepine dort nicht am GABA-Rezeptor, vielmehr existieren am Kanal eigene Rezeptoren für diese Substanzen, obwohl sie in der Natur gar nicht vorkommen! (»Irgendwie bekommt man den Eindruck, dass jemand die Notwendigkeit für dämpfende Psychopharmaka geahnt haben muss...«). Manche Drogen greifen als Psychodrogen vermutlich in den Serotoninstoffwechsel ein, z. B. LSD, Ecstasy.

Steuerung der Transmitterwirkung Solange der Transmitter am Rezeptor wirkt, stehen manche Synapsen nicht für neue Übertragungsprozesse zur Verfügung (Refraktarität). Die Wirkdauer wird im Wesentlichen durch Mechanismen der Transmitterinaktivierung beschränkt: 4 enzymatischer Abbau: z. B. wird ACh an der neuromuskulären Endplatte innerhalb von Bruchteilen von ms von der Cholinesterase gespalten. Cholinesterasehemmer (z. B. Physostigmin) erhöhen daher die ACh-Wirkung. Ferner erfolgt der Noradrenalinabbau im Extrazellulärraum durch COMT, intrazellulär durch MAO (7 Kap. 14.2.3). 4 Re-uptake in präsynaptische Terminale: dazu kommt es z. B. bei Glutamat im ZNS. Viele Psychopharmaka sind Re-uptake-Hemmer (z. B. hemmt

1128

Kapitel 12 · Funktionsprinzipien des Nervensystems

Imipramin die Wiederaufnahme von Katecholaminen an noradrenergen Synapsen und hat besitzt dadurch antidepressive Wirkung). 4 Abtransport: Noradrenalin, ACh und andere Transmitter werden z. T. über die Extrazellulärflüssigkeit abtransportiert und gelangen über das Blut in die Leber, z. T werden sie durch umliegende Zellen (z. B. Glia) aufgenommen und entfernt. Die Transmitterwirksamkeit wird ferner gesteuert durch: 4 Desensitisierung: die fortdauernde Transmitterbindung führt zu Konformationsänderungen am Kanal mit Abnahme der Kanalöffnung und Wirkung. 4 Rezeptorplastizität: abhängig vom Transmitterangebot kommt es bei Überangebot zu Rezeptor-downRegulation, bei Unterangebot zu Rezeptor-up-Regulation, um die Sensitivität konstant zu halten. 4 Autoinhibition: Transmitter binden auch an präsynaptische Rezeptoren, welche die weitere Transmitterfreisetzung hemmen (z. B. α2-Rezeptoren, 7 Kap. 14.2, . Tab. 14.5).

den synaptischen Spalt ausgeschütter, bindet an die N1-ACh-Rezeptoren und öffnet diese als unspezifische Kationenkanäle. Hierbei müssen 2 ACh-Moleküle pro N1-Rezeptor binden. Der Na+-Einstrom und K+-Ausstrom depolarisieren die Muskelfasermembran (Gleichgewichtspotenzial ~0 mV). Dieses depolarisierende Endplattenpotenzial ist ein exzitatorisches postsynaptisches Potenzial (EPSP). Dieses Endplattenpotenzial ist umso größer, je mehr ACh ausgeschüttet wird und N1-Kanäle öffnen. Es breitet sich elektroton zum lateralen Bereich der postjunktionalen Faltungen aus. Auf dem Weg befinden sich spannungsgesteuerte Na+-Kanäle (Nav1,4 im adulten Muskel). Erreicht das Endplattenpotenzial die Schwelle für diese Kanäle, kann ein Aktionspotenzial ausgelöst werden und die elektromechanische Kopplung wird initiiert. Prüfungsfallstricke Bindung von ACh an der Endplatte löst zunächst ein Endplattenpotenzial aus. Spannungsgesteuerte Na+-Kanäle befinden sich auch im Bereich der postjunktionalen Faltungen. Erst die Aktivierung der Na+-Kanäle erzeugt ein Aktionspotenzial.

12.4.4 Übertragung an der

motorischen Endplatte

Physiologie

Endplattenmorphologie

Die motorische Endplatte ist der synaptische Endigungsbereich der motorischen Nervenfasern an einzelnen Muskelfasern. Die Endbereiche des Motoaxons zweigen sich in mehrere Axonfortsätze auf, welche mit mehreren Muskelfasern individuelle Synapsen eingehen (Motorische Einheit). Ein Motoaxon innerviert daher mehrere Muskelzellen, jede adulte Muskelzelle hat aber stets nur eine Synapse mit einem einzigen Nerven. Im Gegensatz dazu sind in der Embryonalzeit noch mehrere Synapsen pro Muskelfaser von verschiedenen Axonen angelegt, die sich aber postnatal zurückbilden. Als Besonderheit ist die postsynaptische Membran der Muskelzelle in tiefe Faltungen (einige μm) aufgeworfen: postjunktionale Faltungen. In den Faltungen befinden sich durch die Oberflächenvergrößerung dicht gedrängt, viele nikotinerge ACh-Rezeptorkanäle (N1). Daneben finden sich hier auch viele spannungsgesteuerte Na+-Kanäle, die durch die Erregung das Aktionspotenzial direkt in das transversotubuläre System leiten können. Endplattenpotenzial

Der Transmitter des Motoaxons ist ACh (Kotransmitter Glutamat). Durch ein Aktionspotenzial wird ACh in

KLINIK Zu den Erkrankungen der neuromuskulären Übertragung gehört die Myasthenia gravis. Hier kommt es zur Produktion zirkulierender Antikörper gegen postsynaptische N1-ACh-R mit Blockade der neuromuskulären Übertragung. In 15% der Fälle ist diese Erkrankung mit einem Thymom assoziiert. Symptome: Muskuläre Schwächen (extraokuläre und generalisierte Formen) und muskuläre Ermüdung, Doppelbilder, Ptosis. Typisches Symptom sind herabhängende Augenlider, v. a. nach mehrmaligem Öffnen und Schließen. Therapie: Immunsuppressiva, ACh-Esterase-Hemmer (dies auch diagnostisch als Pyridostigmin-Test mit Besserung der Symptome). Muskelrelaxantien sind in der Anästhesie eingesetzte Substanzen zur Muskelrelaxation: 5 Nichtdepolarisierende Relaxantien (z. B. TuboCurarin) blockieren N1-ACh-R ohne intrinsische Aktivität, 5 depolarisierende Relaxantien (z. B. Succinylcholin) öffnen initial den Rezeptorkanal und initiieren ein Aktionspotenzial mit generalisierter Muskelzuckung. Danach erfolgt eine Blockade mit Dauerdepolarisation. 6

12

1129 12.4 · Signalübertragung zwischen Zellen

bran ebenfalls wieder elektrische Signale erzeugen, welche dann entlang der Dendriten und der Membran des Zellsomas zum Axonhügel geleitet werden. Hierzu werden entweder ionotrop oder metabotrop Ionenkanäle geöffnet oder geschlossen und durch Änderungen der Membranleitfähigkeit für bestimmte Ionen entweder depolarisierende oder hyperpolarisierende postsynaptische Potenziale (PSP) erzeugt. So erzeugen 4 erregende Transmitter (z. B. Glutamat, ACh an nikotinergen Rezeptoren) eine Erhöhung von Na+Leitfähigkeiten, welche ein exzitatorisches postsynaptisches Potenzial (EPSP) in Form von Depolarisation bedingen, 4 hemmende Transmitter (z. B. Glycin, ACh an manchen muskarinergen Rezeptoren) eine Erhöhung von Cl– oder K+-Leitfähigkeiten, welche ein inhibitorisches postsynaptisches Potenzial (IPSP) bedingen.

ACh-Esterase-Hemmer, z. B. Physostigmin, erhöhen die ACh-Wirkung durch Hemmung des Abbaus. Hierdurch lässt sich eine Narkose gezielt mit kompetitiven N1-ACh-R-Blockern beenden. Durch Insektizide, Parathion kommt es zu einer stark wirksamen, irreversiblen Hemmung der ACh-Esterase mit generalisiert erhöhter ACh-Wirkung. Symptome bei Vergiftung sind Muskelzuckungen, Bradykardie, Rhythmusstörungen, Lungenödem. Gefürchtet sind weniger die N1-ACh-Wirkungen als die muskarinergen Wirkungen im vegetativen NS. Therapie erfolgt durch hochdosierte Atropin-Gabe, evtl. ist die Reaktivierung der ACh-Esterase mit Obidoxim möglich.

12.4.5 Ligandengesteuerte Übertragung

an zentralen Synapsen

. Tab. 12.2 und . Abb. 12.2 fassen die Änderungen der Leitfähigkeiten zusammen.

Postsynaptische Potenziale Zur schnellen Übertragung elektrischer Signale müssen die Neurotransmitter an der postsynaptischen Mem. Abb. 12.2. Mechanismen der synaptischen Übertragung an chemischen Synapsen: Mechanismus der durch ein Aktionspotenzial induzierten präsynaptischen Transmitterexozytose und postsynaptisch ionotropen oder metabotropen Transmitterwirkung. Erklärung im Text

Synapsin

ACh

β G-Protein subunits α γ

TTX, Saxitoxin

–

+

AP

AP

–

+

: Block

+

Na+/ACh Symport

+

Na+

+ – + +

Mg2+

3Na+/1Ca2+ Exchanger

ACh

Ca-CaM PKA

Ca2+

+ +

ATP ADP

H+

PMCA H+

Ca2+ AC G-Protein

β

α γ GDP GTP EPSP

gNa↑, gK↓, gCa↑

IPSP

gNa↓, gK↑, gCa↓ Ionotrop

Gi cAMP↓

Gs cAMP↑

Metabotrop

Gg IP3↑ DAG↑

1130

Kapitel 12 · Funktionsprinzipien des Nervensystems

. Tab. 12.2. Leitfähigkeitsänderungen bei EPSPs und IPSPs

PSP

Ionenströme und Leitfähigkeiten

EPSP

Depolarisierende Ionenströme: gNan, gKp, gCan, gCl abhängig vom ECl (EPSP bei gCln für ECl positiver als RMP, gClp für ECl negativer als RMP).

IPSP

Hyperpolarisierende Ionenströme: gNap, gKn, gCap, gCl abhängig vom ECl (IPSP bei gCln für ECl negativer als RMP, gClp für ECl positiver als RMP).

RMP: Ruhemembranpotenzial. EX: Gleichgewichtspotenzial für Ion X. gX: Leitfähigkeit für Ion X.

Merke Abhängig von der Art der postsynaptischen Ionenkanäle, welche durch den Transmitter aktiviert werden, ist die Wirkung auf das PSP entweder erregend (EPSP) oder hemmend (IPSP).

Prüfungsfallstricke Maßgeblich für die Wirkung der Cl–-Leitfähigkeit ist das Gleichgewichtspotenzial für Cl– der betreffenden Zelle (. Tab. 12.2). In der Regel ist in Neuronen ECl etwas negativer als das Ruhemembranpotenzial.

Elektrotone Signalausbreitung von PSPs

Die Überlagerung von EPSPs und IPSPs ist ein wichtiges Prinzip neuronaler Signalmodulation (z. B. postsynaptische Hemmung, s. u.). Ein EPSP bedeutet noch lange nicht ein Aktionspotenzial! Die Amplitude eines einzelnen EPSP hängt von der Anzahl der transmitterbesetzten postsynaptischen Kanäle ab und hat typischerweise Amplituden im Bereich 100 μV bis 10 mV und eine Dauer von 5–100 ms. Deshalb müssen sich viele EPSPs summieren, um ein Aktionspotenzial auslösen zu können. Prüfungsfallstricke Ein einzelnes EPSP kann kein Aktionspotenzial auslösen. PSPs gehorchen nicht dem Alles-oder-NichtsPrinzip.

Integration und Leitung von PSPs

Physiologie

Jede Nervenzelle besitzt viele Tausend synaptische Verbindungen mit terminalen Axonen anderer Neuronen im Bereich ihrer Dendriten. An den Dendriten befinden sich die so genannten »Spines«, knotige Auftreibungen, welche die Synapsen bilden. Diese Spines sind keinesfalls statisch, sondern können sich auf besonders aktive Synapsen zubewegen (Konsolidierung von Synapsen) oder von nicht-aktiven Synapsen entfernen (»Verbindungen stilllegen«). An jedem Spine können mehrere Axone von inhibitorischen oder erregenden Neuronen enden. Daher können auf ein und dieselbe postsynaptische Membran erregende und inhibitorische Transmitter wirken, je nachdem, welche Synapse gerade aktiv ist. Sind mehrere Synapsen simultan oder zeitversetzt aktiv, summieren sich daher die PSPs räumlich und zeitlich zu einem komplexen Summen-PSP. Merke EPSPs verstärken die Amplitude des Summen-PSP, IPSPs schwächen diese ab (. Abb.12.3a). Für das Summen-PSP ist neben der räumlichen auch die zeitliche Summation maßgeblich (wie schnell kommen welche Transmitter hintereinander?).

Das Summen-PSP kann an den Dendriten und am Soma vermutlich keine Aktionspotenziale auslösen, da dort die Dichte von spannungsgesteuerten Na+-Kanälen sehr gering ist (aber nicht Null!). Dafür können aber langsamere, so genannte Ca2+-Aktionspotenziale ausgelöst werden, ähnlich wie in glatter Muskulatur im Intestinaltrakt. Die Summen-PSPs und evtl. aufgelagerte Ca2+-Aktionspotenziale aller Dendriten müssen entlang des Somas zum Axonhügel geleitet werden, wo die Na+-Kanaldichte sprunghaft ansteigt. Diese Leitung ist für die Summen-PSPs elektrotonisch. Überschreitet nun die Summe von PSPs vieler Dendriten am Axonhügel die Schwelle der Na+-Kanäle, kann ein schnelles Na+-Aktionspotenzial ausgelöst und geleitet werden. Die räumliche und zeitliche Summation dient der Konsolidierung synaptischer Übertragung. Merke Bei der elektrotonen Ausbreitung zum Axonhügel nimmt die Amplitude der Summen-PSPs weiter ab (7 Kap. 12.3). So wird gewährleistet, dass nur deutlich erregende Signale auch ein Aktionspotenzial auslösen. Die notwendige Summation vieler EPSPs 6

1131 12.4 · Signalübertragung zwischen Zellen

für ein Aktionspotenzial ist ein Sicherheitsmechanismus, der gewährleistet, dass Aktionspotenziale nur bei vielen erregenden Inputs über die Dendriten (im Sinne eines positiven Synergismus) ausgelöst werden können.

12.4.6 Second messenger gesteuerte Über-

tragung an chemischen Synapsen Prinzip der Metabotropen Wirkung Bindung des Liganden aktiviert eine G-Protein-Kaskade, welche über Second Messenger (cAMP, PKA, Ca2+) entweder indirekt Kanäle öffnet, schließt oder andere zelluläre Reaktionen bewirkt. Beispiele sind muskarinerger ACh-R im vegetativen Nervensystem, GABABRezeptor, Dopamin, . Tab. 14.3. Second-MessengerKaskaden amplifizieren Rezeptorsignale und wirken somit im Sinne einer Empfindlichkeitssteigerung. Die G-Protein-Kaskade bezeichnet die Signaltransduktion im eigentlichen Sinne und wird an vielen Synapsen des ZNS durch Transmitter (z. B. ACh, Glutamat, Dopamin, . Tab. 12.3, 7 Kap. 14.2) oder Hormone (. Tab. 10.4) mit Übertragungszeiten im Bereich von ~100 ms aktiviert.

12

4 Schritt 5: GTP-Hydrolyse beendet die D-GTP-Wirkung und Untereinheiten assoziieren wieder zum G-Protein mit D-GDP. Merke Gs: cAMPn, Gi: cAMPp, Gq: IP3, PKCn.

12.4.7 Wirkmechanismen verschiedener

Transmitter GABA (Gamma-Amino-Buttersäure): GABA ist der wichtigste inhibitorische Transmitter von ZNS-Interneuronen, Purkinje-Zellen des Kleinhirns und der meisten sonstig hemmenden Neurone im ZNS. Der GABAA-Kanal ist ein pentamerer, ligandengesteuerter Anionenkanal, dessen Bindung an GABA die Leitfähigkeit für Anionen (Cl– und HCO3–) erhöht und ein IPSP erzeugt (. Tab. 12.3 für GABAA,C). Die synaptische Hemmung im ZNS muss streng reguliert werden, da zuviel Hemmung zu Bewusstseinsverlust und Koma, zu wenig Hemmung zu zerebralen Krampfanfällen führen kann (Epilepsie). Daher sind zentral dämpfende Psychopharmaka häufig GABA-Mimetika, welche am GABAA-Rezeptor wirken.

Kaskadewege: Es gibt prinzipiell 3 große G-Protein-

KLINIK

Kaskaden (. Abb. 12.2), die sich in ihrer D-Untereinheit des G-Proteins unterscheiden: 4 Gs-Proteine (»s« für stimulierend) aktivieren die Adenylatzyklase (AC) und erhöhen cAMP, welches die Proteinkinase A (PKA) aktiviert. 4 Gi-Proteine (»i« für inhibierend) hemmen die AC und senken cAMP und PKA-Aktivität. 4 Gq-Proteine aktivieren über Phospholipase C (PLC) die Bildung von IP3 und Di-Acylglycerol (DAG). IP3 setzt Ca2+ aus dem endoplasmatischen Retikulum über IP3-Rezeptoren frei, DAG aktiviert die Proteinkinase C (PKC).

Barbiturate (z. B. Phenobarbital) verlängern die Öffnungsdauer, Benzodiazepine (z. B. Diazepam) erhöhen die Öffnungsfrequenz des Kanals und induzieren damit Hemmung. Beide Substanzklassen werden durch GABA selbst in ihrer Wirkung potenziert und sind für sich nur schwach wirksam. Diazepam ist sehr gut geeignet, einen akuten Epilepsieanfall zu durchbrechen.

Ablauf der G-Protein-Kaskade: 4 Schritt 1: Das ruhende G-Protein hat stets ein GDP gebunden (kein GTP!). 4 Schritt 2: Nach Transmitteraktivierung des Rezeptors wird das GDP an der D-Untereinheit durch ein GTP ausgetauscht. 4 Schritt 3: Das G-Protein dissoziiert vom Rezeptor, D-GTP und βJ-Untereinheit trennen sich. 4 Schritt 4: Beide Untereinheiten können getrennt mit ihren jeweiligen Effektoren interagieren (AC, PLC, s. o.).

Glycin: Der Glycinrezeptor ist wie GABAA ein penta-

merer ligandengesteuerter Anionenkanal. Glycin ist Transmitter inhibitorischer Synapsen von RenshawZellen des Rückenmarks, welche rekurrente Hemmung von D-Motoneuronen bewirken (7 Kap. 15.4). Ferner kommen diese ionotropen Cl--Kanäle auch zur Modulation von NMDA-Antworten im Hippokampus vor. KLINIK Wegfall der rekurrenten Hemmung von Motoneuronen durch Krampfgifte wie Strychnin führt zu starken Muskelkrämpfen.

1132

Kapitel 12 · Funktionsprinzipien des Nervensystems

Glutamat: ist der wichtigste exzitatorische Transmitter

im ZNS (mind. 50% der Synapsen, v. a. Hippokampus, Telencephalon). Es gibt drei ionotrope und mehrere metabotrope Rezeptorklassen (. Tab. 12.3). An allen wirkt neben Glutamat auch Aspartat erregend. Die Transmitterwirkung wird durch präsynaptischen Reuptake und in Astroglia beendet (keine enzymatische Spaltung!). NMDA und AMPA-Rezeptoren vermitteln auf zellulärer Ebene ein Modell eines synaptischen Gedächtnisses (s. u.). Histamin ist ein wichtiger Modulator im Säugerhirn, v. a. im Bereich des hinteren Hippokampus. Histamin reguliert u. a. Vigilanz, motorische Aktivität, Nahrungsaufnahme, Schlaf-Wach-Rhythmus (»nicht umsonst machen viele Antihistaminika müde!«). Serotonin (5-Hydroxy-Tryptophan, 5-HT) kommt als Transmitter v. a. im Gastrointestinaltrakt, nur zum kleinen Teil im ZNS vor. Seine Wirkung ist dort aber umso wichtiger, da es über metabotrope und ionotrope Rezeptoren (. Tab. 12.3) in vielen Bereichen modulatorisch erregend wirksam ist (v. a. Raphekerne mit Projektion zu Limbischem System). Klinisch hat sich gezeigt, dass der Serotoninstoffwechsel bei Depression stark vermindert ist, sodass Depression manchmal sogar als Serotoninmangelzustand beschrieben wird. Inaktiviert wird es durch Re-uptake, welcher durch Antidepressiva (z. B. Amitryptilin) gehemmt wird, und die so die Serotoninwirkung verstärken. Dopamin: Für Dopamin sind 5 Rezeptoren bekannt, von

denen D1 und D2 die wichtigsten sind (. Tab. 12.3). Seine Bedeutung liegt v. a. im Transmittermangel in dopaminergen Neuronen der Substantia nigra, welcher das Krankheitsbild der Parkinson-Krankheit erzeugt (7 Kap. 15.6). Dopaminrezeptoren sind alle metabotrop.

Adenosin, ATP sind als Neurotransmitter an Blutdruckregulation in Gehirn und Niere und am SchlafWach-Rhythmus beteiligt. Sie wirken über Purinozeptoren mit höchster Affinität zu metabotropen P1Rezeptoren. ATP wirkt v. a. über P2-Rezeptoren, wobei P2X ionotrop, P2Y metabotrop ist. Purinozeptoren sind auch so genannte Metabozeptoren und überwachen die metabolische Situation in Muskel und Herz. Noradrenalin, Adrenalin: 7 Kap. 14.2. Stickstoffmonoxid (NO) wird als kurzlebiger (~Se-

kunden) gasförmiger retrograder Transmitter z. B. in glutamatergen erregenden Synapsen gebildet. Postsynaptischer Ca2+-Einstrom stimuliert die NO-Synthetase, welche Ca2+-Calmodulin-abhängig aus Arginin NO abspaltet. NO diffundiert schnell im Zytosol und kann über den synaptischen Spalt in präsynaptische Varikositäten zurückdiffundieren, wo es die Transmitterausschüttung modulieren kann, zumindest aber die Guanylatzyklase aktiviert. NO wirkt auch vasodilatierend auf Hirngefäße. 12.4.8 Synaptische Plastizität Synaptische Plastizität oder »synaptisches Gedächtnis« Synaptische Plastizität oder »synaptisches Gedächtnis« kann an erregenden Synapsen vom glutamatergen Typ mittels eines speziellen Zusammenspiels von NMDAund AMPA-Rezeptorkanälen in der postsynaptischen Membran realisiert werden. In Ruhe herrscht an der postsynaptischen Membran das negative Ruhemembranpotenzial (RMP) und beide Kanäle sind geschlossen.

Physiologie

. Tab. 12.3. Transmitter und ihre Wirkmechanismen im ZNS

Transmitter

Kriterium

Ionotrope Synapsen

Metabotrope Synapsen

Acetylcholin

Synonym

Nikotinerge Synapsen, Rezeptoren

Muskarinerge Synapsen, Rezeptoren

Vorkommen

Motorische Endplatte (N1) Präganglionär autonome Ganglien (N2), ZNS

Postganglionär parasympathisch (M1–M5) ZNS

Postsynapt. Wirkung

ACh bindet an Rezeptorkanal gKn und gNan: Depolarisation (EPSP)

ACh bindet an G-Protein-Rezeptor Second-Messenger-Kaskade, Gi, Gq, gKn

Freisetzung

Botulinustoxin, Mg2+ blockt, Beta-Bungarotoxin fördert

Mg2+ blockt

Rezeptoragonist

Nikotin (N1, N2). Succinylcholin, Decamethonium (N1) als depolarisierende Muskelrelaxanzien.

Muskarin, Pilokarpin

Rezeptorantagonist

kompetitiv: Alpha-Bungarotoxin, Curare (N1), Hexamethonium (N2)

kompetitiv: Atropin, Scopolamin nichtkompetitiv: Chinidin

1133 12.4 · Signalübertragung zwischen Zellen

12

. Tab. 12.3 (Fortsetzung)

Transmitter

Kriterium

Ionotrope Synapsen

Metabotrope Synapsen

GABA

Vorkommen

GABAA, GABAC GABAA als wichtigster inhibitorischer Rezeptor im ZNS, Interneurone, Cerebellum, GABAC relativ selten im ZNS

GABAB Vorkommen im ZNS (relativ häufig!)

Wirkung

GABA bindet an Rezeptorkanal gCln, gHCO -noHyperpolarisation (IPSP)

GABA bindet an G-Proteinrezeptor präsynaptisch: gCap, Transmitterfreisetzungp postsynaptisch: gKn, Hyperpolarisation, IPSP

Rezeptoragonist

GABAA: Benzodiazepine, Barbiturate

Baclofen

Rezeptorantagonist (Konvulsiva!)

kompetitiv: Bicucullin (GABAA) nicht-kompetitiv: Picrotoxin (GABAA,C)

kompetitiv: Phaclofen

Vorkommen

GlyR wichtigster Rezeptor in Renshaw-Zellen des Rückenmarks (Hemmung von AlphaMotoneuron), Modulator im ZNS (Hippokampus)

Wirkung

Glycin bindet an GlyR-Kanal gClnoHyperpolarisation (IPSP)

Rezeptoragonist

Taurin

Rezeptorantagonist (Krampfgifte!)

kompetitiv: Strychnin nicht-kompetitiv: Picrotoxin

Vorkommen

Wichtigste erregende Synapsen im ZNS. NMDA-R und AMPA-R v. a. im Hippokampus assoziiert mit Lernprozessen. Alle induzieren EPSPs

Rezeptorklassen

NMDA-Rezeptor (5 Subtypen) AMPA-Rezeptor (4 Subtypen) Kainat-Rezeptor (5 Subtypen)

mind. 8 Rezeptoren mGluR1–8

Wirkung

NMDA: gNan, gKn, gCan (langsam) AMPA: gNan, gKn, gCan (schnell) Kainat: gNan, gKn (schnell)oDepolarisation, EPSP

IP3/DAGn : Depolarisation, EPSP, Proteinsynthesen

Vorkommen

90% in enterochromaffinen Zellen des Gastrointestinaltrakts. Im ZNS v. a. Raphekerne mit Projektionen zu limbischem System, Thalamus, Kleinhirn

Rezeptortypen und Wirkung

5-HT3: postsynapt. gK und/oder gCan

Agonist

LSD (Halluzinogen!), Alpha-Methyl-5-HT

Antagonist

LSD, Methysergid (Mutterkornalkaloid)

3

Glycin

Glutamat

Serotonin (5-HT)

Dopamin

–

5-HT1: cAMPp, 5-HT2: IP3/DAGn 5-HT4–7: cAMPn

Vorkommen

Synapsen der Basalganglien, limbisches System, Hypophyse, peripher in Niere

Wirkungen

D1,5: cAMPn, D2-4: cAMPp, D3: gCap

– Rezeptoragonist

Bromocriptin

Rezeptorantagonist

Haloperidol (z. B. Haldol®, Neuroleptikum)

GS: stimulierendes G-Protein (cAMPn). Gi: inhibitorisches G-Protein (cAMPp). Gq: G-Protein mit DAG, IP3-Aktivierung. EPSP: exzitatorisches postsynapt. Potenzial. IPSP: inhibitorisches postsynapt. Potenzial. NMDA: N-Methyl-D-Aspartat. AMPA: D-Amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazol-Propionsäure.

1134

Kapitel 12 · Funktionsprinzipien des Nervensystems

Das Besondere am NMDA-Kanal ist, dass positiv geladene Mg2+-Ionen bei negativem Membranpotenzial in die Pore »eingesaugt« werden und diese blockieren (»Mg2+-Block«, . Abb. 12.3b). Wird nun durch ein präsynaptisches Aktionspotenzial Glutamat freigesetzt, bindet dieses an beide Rezeptorkanäle und öffnet diese. Durch den AMPA-Kanal strömen Na+ und Ca2+ ein, K+ aus und depolarisieren die Membran. Obwohl der NMDA-Kanal auch Glutamat bindet, versperrt bei negativen Potenzialen Mg2+ weiterhin die Pore. Erst wenn die AMPA-Vordepolarisation eine gewisse Schwelle überschritten hat, wird Mg2+ durch das elektrostatisch abstoßende positivere Membranpotenzial aus der Pore verdrängt (. Abb. 12.3b). Nun können auch depolarisierende Ionenströme durch den NMDA-Kanal fließen und die postsynaptische Membran wird stark depolarisiert. Merke

Physiologie

Die AMPA-Vordepolarisation entblockt die NMDAPore potenzialabhängig. Das EPSP wird verlängert und [Ca2+]i erhöht. Die Amplitude des SummenEPSP hängt damit von der vorigen Aktivität ab: synaptisches Gedächtnis.

Langzeitpotenzierung (LTP) Langzeitpotenzierung findet v. a. an glutamatergen Synapsen von Pyramidenzellen und Hippokampus statt. Die Menge an präsynaptisch freigesetztem Transmitter steigt mit jedem präsynaptischen Aktionspotenzial bei erhöhter Aktionspotenzialfrequenz. Diese rein präsynaptische Plastizität überdauert den eigentlichen Reiz nur sehr kurz (Sekunden bis Minuten). NMDAKanäle fixieren jedoch »use-dependent« postsynaptisch lang anhaltend (Tage oder Wochen im Hippokampus) die »Erinnerung« an eine starke Reizung oder Reizserie. Das durch geöffnete NMDA-Kanäle vermehrt einströmende Ca2+ und die starke Erhöhung von [Ca2+]i bewirkt intrazellulär auch Phosphorylierungen, Enzymaktivierungen und Änderungen von Transkriptionsraten durch Aktivierungen von Ca2+Calmodulin-Kinase (CaMK) und Proteinkinase C (PKC). CaMK wirkt z. B. über Calcineurin hemmend auf Proteinphosphatase 1. Beispielsweise werden nach vorausgehender starker Reizung vermehrt Glutamatrezeptoren exprimiert und so die Sensitivität erhöht. Durch Aktivierung der NO-Synthase wird vermehrt NO als retrograder Messenger produziert, welcher nach Aufnahme in die präsynaptische Terminale die Transmitterfreisetzung erhöhen kann.

Langzeitdepression (LTD) LTD kann in denselben Synapsen des Hippokampus entstehen, in denen auch LTP entsteht. Das entscheidende Kriterium ist hierbei einfach die Stimulationsfrequenz. In beiden Fällen (LTD, LTP) wird der Effekt über Aktivierung von NMDA-Rezeptoren und Ca2+-Einstrom reguliert. Im Falle der LTP ist der [Ca2+]i-Anstieg sehr hoch, im Falle der LTD eher moderat. Hierdurch wird die Proteinphosphatase aktiviert, welche synaptische Proteine dephosphoryliert und damit abschwächt. LTD kommt ferner in einer anderen Variante auch im Kleinhirn vor. Bei gleichzeitiger Aktivierung (!) von Purkinjezellen durch Kletterfasern (aktivieren AMPA/ Kainat-Rezeptor) und Parallelfasern (aktivieren metabotropen Glutamatrezeptor) wird die Purkinjezelle für Stunden unstimulierbar durch Parallelfasern. Merke LTP: Hippokampus: [Ca2+]innoAktivierung CaMK, PKC, Calcineurin, NO. LTD: Hippokampus: [Ca2+]i (n)oAktivierung Proteinphosphatase; Kleinhirn: Aktivierung mGluro IP3/DAGno[Ca2+]inoNOnocGMPnoAMPA/ Kainat-Desensitisierung.

12.5

Signalverarbeitung im Nervensystem

12.5.1 Elementarmechanismen Zu räumlicher und zeitlicher Summation erregender und hemmender Synapsen: 7 Kap. 12.4.5. Postsynaptische Hemmung

Diese wird nach den o. g. Prinzipien durch inhibitorische Synapsen vermittelt, welche die postsynaptische Membran hyperpolarisieren, es folgen IPSPs. Die komplexe Summe aus IPSPs und EPSPs moduliert dabei letztlich die ausgehende Aktionspotenzialfrequenz. Die Verteilung dieser Synapsen (in Clustern, nahe des Axonhügels) bestimmt auch maßgeblich die Wirkung postsynaptischer Hemmung. Präsynaptische Hemmung

Dieser komplexere Hemmechanismus spielt v. a. eine Rolle für die Hemmung spinaler Motorik (7 Kap. 15.4) und blockiert gezielt einzelne synaptische Eingänge. Die präsynaptische Axonterminale geht dabei eine weitere Synapse mit einem hemmenden Interneuron (IN) ein (so genannte axoaxonale Synapse). Wird dieses

12

1135 12.5 · Signalverarbeitung im Nervensystem

a

Exzitatorische Synapse

Transmitter

Inhibitorische Synapse

Reiz

PSP (mV)

Na+

–50

AP-Schwelle

–60

EPSP EPSP+IPSP

–70 –80 –90

EPSP IPSP

b

1 ms

IPSP Zeit

Em = –75 mV

K+

Exzitatorische Synapsen

AP

Exzitatorische Synapsen

AP

AP

Glutamat

Deblockade Na+ – –

AMPA Rezeptor

+ +

+

Na Ca2+

+

NMDA Rezeptor

– –

Na+

Mg2+ Block

–

AMPA Rezeptor

+

K+ +

+

+

+

+ + NMDA Rezeptor

+

+

Vordepolarisation

K+

. Abb. 12.3a,b. a Summation von EPSPs und IPSPs zu einem Summen-PSP. b Mechanismus der zellulären Plastizität glutamaterger Synapsen. Erklärung im Text

IN erregt, so wird ein hemmender Transmitter (in der Regel GABA) auf die Axonterminale ausgeschüttet und hyperpolarisiert die Membran dort (z. B. über GABAB), sodass ein ankommendes Aktionspotenzial an der Axonterminale abgeblockt wird und die Haupt-Synapse somit stumm bleibt. Als Beispiel wird ein α-Motoneuron (postsynaptisches Neuron) durch eine Ia-Faser erregt (Axonterminale präsynaptisches Neuron). Aktivierung hemmender IN (Transmitter Glycin) hemmt nun die Axonterminale der Ia-Faser und damit präsynaptisch das Motoneuron. Neben Hemmung treten auch Bahnungsmechanismen an Synapsen auf. Verstärkung zweier synaptischer Eingänge an einer Zelle nennt man heterosynaptische Bahnung. Prä- und postsynaptische Formen kommen vor. 12.5.2 Verarbeitung in Neuronen-

populationen Neuronenpopulationen sind im Sinne neuronaler Netze in vielfältiger Weise miteinander verknüpft. Die

einfachste Anordnung mehrerer Neuronen ist die lineare Kette, bei der die Neurone hintereinandergeschaltet sind. Hierbei sind keine retrograden oder lateralen Signalmodulationen möglich (keine Vernetzung). Beispiele sind autonome Ganglien. Kollaterale Vernetzung ist die Regel im ZNS, v. a. Konvergenz und Divergenz: 4 Bei Konvergenz läuft das Signal aus parallelen Ketten in einer oder wenigen zusammen. Signalkonvergenz bedeutet immer Verlust räumlicher Feininformation. 4 Bei Divergenz wird das Signal einer linearen Kette auf weitere parallele übertragen und moduliert deren Signale. Beispiel für retrograde Hemmung über Interneurone ist die Renshaw-Hemmung im Rückenmark, Beispiel für anterograde Hemmung sind intestino-intestinale Reflexe des Magens. Durch laterale Inhibition ist Kontrastverschärfung benachbarter Signalketten möglich (Mind Map).

1136

Kapitel 12 · Funktionsprinzipien des Nervensystems

12.6

Funktionsprinzipien sensorischer Systeme

12.6.1 Allgemeine Aspekte (7 Kap. 16.1)

12.6.2 Rezeptorpotenzial und

12.6.3. Transformation der Reize (7 Kap. 16.1) Sinneszellen und Reizweiterleitung Sinneszellen besitzen eine Rezeptorstruktur, auf die sie für spezifische Reize mit der geringsten Reizenergie reagieren und diese in elektrische Signale (Aktionspotenziale) umwandeln: Signaltransduktion (7 Kap. 16.1). Prinzipiell reagieren Rezeptoren auch auf unspezifische Reize, aber mit höheren Reizenergien (z. B. »mechanischer Druck auf den Augapfel erzeugt auch Lichtempfindungen, Sternchen o. ä.«). Primäre Sinneszellen: Die Sinneszelle enthält neben der rezeptiven Struktur selbst das Axon zur Weiterleitung von Aktionspotenzialen, z. B. Muskelspindeln, Vater-Paccini-Körperchen, Geruchszellen. Sekundäre Sinneszelle: Die Sinneszelle enthält nicht selbst das Axon, sondern Aktionspotenziale werden durch synaptische Übermittlung des Rezeptorpoten-

zials in EPSPs einer postsynaptischen Membran geleitet, welche das Axon enthält; z. B. Photorezeptoren, Haarzellen der Cochlea, Geschmackszellen. Reiztransduktion und -transformation: Der adäquate Reiz aktiviert 4 entweder mechanisch gesteuerte Kationenkanäle (Beispiel: Mechanorezeptoren, Pressorezeptoren, 7 Kap. 16.1) oder 4 durch Second-Messenger gesteuerte Kanäle (Beispiel: Photorezeptoren, Chemorezeptoren, 7 Kap. 17.2, 7 Kap. 19.1).

Abhängig von der Reaktion auf die Reizeigenschaften unterscheidet man: 4 Proportionalsensor (P-Sensor): Die Amplitude des Rezeptorpotenzials korreliert nur mit der absoluten Reizstärke. 4 Differenzialsensor (D-Sensor): das Rezeptorpotenzial korreliert nur mit der zeitlichen Änderung des Reizniveaus. Wenn der Reiz konstant auf einem anderen Niveau bleibt, registriert der D-Sensor nichts. 4 Proportional-Differenzial-Sensor (PD-Sensor): das Rezeptorpotenzial reagiert auf tonische und dynamische Reizkomponente. Dies ist das Prinzip der meisten afferenten Rezeptoren.

Physiologie

Fallbeispiel Nach einem grippalen Infekt entwickelt sich bei einem 30-jährigen Mann innerhalb von 3 Tagen eine Schwäche beider Beine, v. a. der Oberschenkel und Hüftbeuger, sodass er nicht mehr ohne Hilfe aufstehen kann. Im Verlauf zweier weiterer Tage treten auch schmerzhafte Lähmungen an Unterarmen und Händen auf, sodass er nicht mehr greifen kann. Er wird akut in eine neurologische Klinik eingewiesen. Es werden symmetrische, an unterer Extremität proximal, an oberer Extremität distal betonte Paresen bestätigt. Eigenreflexe sind beidseits erloschen. Das Verteilungsmuster erscheint radikulär. Bei der klinisch-neurophysiologischen Untersuchung finden sich verlangsamte motorische und sensible Nervenleitgeschwindigkeiten an N. ulnaris, N. peroneus und N. medianus beidseits. Die transkranielle

Magnetstimulation zur Testung zentraler Bahnen ist unauffällig. Im Liquor findet sich eine mäßige Erhöhung von Proteinen und Zellzahl. Es wird die Diagnose eines Guillain-Barré-Syndroms, einer peripheren Polyneuroradikulitis, gestellt. Bei dieser Erkrankung handelt es sich um eine multifokale radikuläre Entzündung der Spinalwurzeln und proximalen Nervensegmenten mit Verlust von Myelinscheiden. Bei dem Patienten wird eine Plasmapherese eingeleitet, bei der jeden zweiten Tag ein Teil des Serums gegen Humanalbumin ausgestauscht wird. Unter dieser speziellen Therapie verbessert sich der Allgemeinzustand des Patienten innerhalb von einer Woche. Die Paresen sind rückläufig und eine Rehabilitationsmaßnahme kann angeschlossen werden.

Physiologie

1139

13

13 Muskulatur Mind Map Sarkomer: Das Sarkomer ist die kleinste kontraktile Einheit des Skelett- und Herzmuskels. Es besteht aus den kontraktilen Motorproteinfilamenten Myosin und Aktin und etlichen Strukturproteinen, von denen Titin und Nebulin wesentlich die Sarkomerstruktur festigen. Titin ist verantwortlich für die Elastizität bei passiver Dehnung. Normale Ruhesarkomerlängen im Skelettmuskel betragen ca. 2,2 μm. Elektromechanische Kopplung: Aktionspotenziale werden schnell im transversotubulären System (TTS) ins Faserinnere geleitet. Im Bereich der Triaden kommen sich die Membranen von TTS und longitudinalem System (sarkoplasmatisches Retikulum, SR) sehr nahe. Das SR dient als intrazellulärer Ca2+-Speicher. L-Typ Ca2+-Kanäle im TTS (DHPR) sind im Skelettmuskel mechanisch mit SR-Freisetzungskanälen vom Typ RYR1 verbunden. Letztere werden durch Depolarisation geöffnet. Das aus dem SR ausströmende Ca2+ erhöht das myoplasmatische [Ca2+] und initiiert den Querbrückenzyklus. Extrazelluläres Ca2+ ist für die Kontraktion im Skelettmuskel nicht notwendig. Querbrückenzyklus: Durch erhöhtes [Ca2+] wird der Troponin-Tropomyosin-Komplex von der Myosinbindungsstelle am Aktin wegrotiert, sodass Myosinköpfe nun binden können. Nach einer Kontraktion ist Myosin am Aktin fest gebunden und die Nukleotidtasche

des Myosins im Rigorzustand leer. Bindung von ATP löst den Myosinkopf vom Aktin ab. Die Myosin-ATPase-Aktivität des Kopfs spaltet ATP zu ADP und Pi. Der Myosinkopf geht zunächst eine schwache Bindung mit Aktin unter Vorspannung des Kopfs, nach Abspaltung des Pi eine feste Bindung mit Rotation des Kopfs ein, welche das Aktinfilament ca. 5–10 nm Richtung M-Linie zieht. Die willkürliche Kontraktion von Muskeln wird durch asynchrone Aktivität der Myosinköpfe gewährleistet. Kontraktionsformen: Bei isometrischen Kontraktionen verkürzt sich der Muskel nicht, aber erzeugt maximale Kraft. Bei isotonen Kontraktionen ist das Verhalten genau umgekehrt. Die meisten physiologischen Kontraktionen sind Unterstützungskontraktionen aus isometrischer und auxotoner Phase. Glatter Muskel: Im glatten Muskel ist keine strenge Sarkomerstruktur zu sehen. Der Querbrückenzyklus läuft analog zum Skelettmuskel ab, jedoch muss hierzu der Myosinhals durch Myosin-Leichte-Ketten-Kinase (MLCK) phosphoryliert werden. Die MLCK wird durch den Ca2+/Calmodulin-Komplex aktiviert und eine Kontraktion erfolgt. NO und cAMP hemmen die MLCK und es folgt eine Relaxation. Der Antagonist der MLCK, die MLCP, dephosphoryliert das Myosin und erzeugt Relaxation. Sie wird durch Rho/Rho-Kinase gehemmt, durch NO stimuliert.

1140

Kapitel 13 · Muskulatur

13.1

Allgemeine Muskelphysiologie

13.1.1 Myofilamente

Physiologie

Zu den Myofilamenten gehören im Sarkomer des quergestreiften Skelett- und Herzmuskel die filamentösen Motorproteine Aktin und Myosin sowie die nichtkontraktilen Filamente Titin und Nebulin (. Abb. 13.1, . Tab. 13.1). Sarkomer Das Sarkomer ist die kleinste funktionelle Einheit des quergestreiften Muskels. Ein Muskel besteht aus mehreren Tausend Muskelfasern (einzelne Zellen!), welche sich von Sehne zu Sehne spannen und mehr als 10 cm lang sein können. Jede einzelne Muskelfaser hat einen Durchmesser beim Säuger zwischen 20 μm und ~100 μm und besteht aus mehreren hundert Myofibrillen (Durchmesser ~1–2 μm), in denen mehrere hundert Grundeinheiten, das Sarkomer, in Serie geschaltet sind. Jedes Sarkomer hat in Ruhe eine mittlere Länge von ca. 2–2,5 μm und zeichnet sich lichtmikroskopisch durch helle (isotrope Bande, I-Bande) und dunkle (anisotrope Bande, A-Bande) Bereiche aus. Ein Sarkomer erstreckt sich von Z-Linie zu Z-Linie. Im Sarkomer sind die dicken Myosin- (mehrere Hundert) und dünnen Aktinfilamente parallel ausgerichtet, sodass sie sich überlappen und teleskopartig ineinanderschieben können. Neben den Myofilamenten (s. o.) enthält das Sarkomer noch eine Vielzahl (!) von Zytoskelett- und Signalproteinen. Sarkomerabschnitte: An der Z-Linie werden Aktinfilamente zweier benachbarter Sarkomere, welche sich entgegengesetzt ausgerichtet in die Halb-Sarkomere erstrecken, an α-Aktinin verankert (. Abb. 13.1). In der Sarkomermitte werden die Myosinfilamente zweier Halb-Sarkomere ein und desselben Sarkomers an der M-Linie entgegengesetzt ausgerichtet an Myomesin verankert. 4 Die I-Bande enthält die Z-Linie, Aktinfilamente, Nebulin und die elastische Region des Titins. 4 Die A-Bande enthält den Aktomyosinkomplex (Überlappungsbereich), Nebulin, myosinbindende Proteine (z. B. MyoBP-C) und die starre Titinregion. 4 Die H-Bande innerhalb der A-Bande enthält die Myosinfilamente ohne Überlappung mit Aktin. Titin durchzieht das gesamte Sarkomer, Nebulin nur die Länge der Aktinfilamente.

Merke Länge der Aktinfilamente eines Halb-Sarkomers ~1 μm, Durchmesser ~8 nm (!). Länge der Myosinfilamente eines ganzen Sarkomers ~1,6 μm, Durchmesser ~13 nm (!). Die Filamentlängen ändern sich bei Kontraktion nicht! Die Aktin- und Myosinfilamente zeigen eine typische 6:1-Anordnung, d. h. ein Myosinfilament wird hexagonal von sechs Aktinfilamenten umgeben. Faustregel: Pro Muskelfaser gibt es mehrere hundert Myofibrillen mit mehreren hundert Sarkomeren. Pro Sarkomer gibt es mehrere hundert Myosinfilamente und ca. 2,5-mal so viele Aktinfilamente.

Tubuli und Organellen Das sarkoplasmatische Retikulum (SR) durchzieht als longitudinales System die Myofibrille. Es ist intrazellulär gelegen (!) und dient als Ca2+-Speicher. Das transversotubuläre System (TTS) durchzieht als transversales System die Muskelfaser senkrecht zur Faserachse. Es stellt eine Fortführung des Extrazellulärraums in das Muskelinnere durch Invagination des Sarkolemms zur schnellen Ausbreitung des Aktionspotenzials in das Faserinnere dar (»ansonsten würde die Muskelfaser außen viel früher kontrahieren als innen!«). Nach Außen hin beträgt die Öffnung des TTS ca. 50 nm. Die Schnittstelle zwischen SR-Membran und TTSMembran nennt man Triade. Hier findet die elektromechanische Kopplung (s. u.) statt. Im Säugermuskel finden sich 2 Triaden pro Sarkomer nahe der Z-Linien. Adulte Skelettmuskelfasern enthalten viele Zellkerne, welche subsarkolemmal gelegen sind. Herzmuskelzellen enthalten nur einen Zellkern (!). Mitochondrien (Durchmesser ~2 μm) sind zwischen den einzelnen Myofibrillen im Bereich über den dicken Filamenten gelagert, um die Diffusionswege für ATP zu der Myosin-ATPase kurz zu halten. Gleitfilament-Theorie (»sliding-Filament«): Myosinköpfe und Aktin gehen Querbrücken ein, in deren Verlauf bei Anwesenheit von Ca2+ und ATP Kraft erzeugt wird (Querbrückenzyklus, s. u.). Das am Myosinköpfchen induzierte Drehmoment zieht das Aktinfilament pro »Ruderschlag« mit einer »step size« von ca. 5–10 nm in Richtung der M-Linie (also zur Sarkomermitte hin!).

1141 13.1 · Allgemeine Muskelphysiologie

13

. Tab. 13.1. Muskelproteine und ihre Funktion (Ausschnitt aus der Vielzahl von bekannten Sarkomerproteinen)

Protein

Eigenschaften und Funktion

Aktin

G-Protein: 42 kDa, Polymerisierung zu F-Aktin. Hauptbestandteil dünner Filamente. ~20% Gesamtmuskelproteingehalt. F-Aktin besteht aus 2 verdrillten D-Helices. Länge ~1 μm, Dicke ~8 nm. Ganghöhe ~38 nm. Länge wird an Z-Linien-Ende durch CapZ, am anderen Ende durch Tropomodulin reguliert (Kappenproteine). 3 Isoformen: D-Aktin im Muskel, E- und J-Aktin im Zytoskelett anderer Zellen.

Troponin

Kooperativer Regulatorproteinkomplex aus 3 Untereinheiten an dünnen Filamenten. Troponin To30 kDa, verankert den Tn-Komplex am Aktinfilament durch Bindung an TM; postulierter Mediator der Ca2+-Sensitivität der Akto-Myosin-ATPase Troponin Co18 kDa, Calmodulin-ähnliches Protein, kann bis zu 4 Ca2+ binden. »Ca2+-Schalter«, d. h. Bindung an Ca2+ ändert Konformation mit Tn I und TropomyosinoFreigabe der Myosinbindungsstelle Troponin Io20 kDa, hemmende Untereinheit («inhibitory”) des Tn-Komplexes, hemmt Myosin-ATPaseAktivität »in vitro«. Bindung in Ruhe an Aktin. Affinität zu Aktinp, zu Tn Tn durch Ca2+-Aktivierung von Tn C.

Tropomyosin

~37 kDa, Anordnung in Form zweier verdrillter D-Helices entlang der F-Aktin-Furche gelegen. Blockiert in Ruhe die Myosinbindungsstelle am Aktinfilament. Wird bei Ca2+-Aktivierung durch den Tn-Komplex transloziert und gibt Bindungsstelle frei. TM-Aktin-Bindung erhöht die »Steifheit« der dünnen Filamente und verhindert deren Fragmentierungowichtiger Regulator der Aktinstabilität und -filamentlänge

Tropomodulin

~40 kDa, Kappenprotein der Aktinfilamente an den der M-Linie zugewandten Enden; reguliert die Aktinfilamentlänge

D-Aktinin

~100 kDa, Hauptprotein der Z-Linie, verknüpft F-Aktinfilamente an der Z-Linie

Dystrophin

~427 kDa, ca. 5% Gesamtmuskelproteingehalt. Subsarkolemmal gelegen, verknüpft es über den dystrophinassoziierten Glycoproteinkomplex der Membran nach außen die Extrazellulärmatrix mit dem Zytoskelett durch Bindung an Aktin. Verleiht der Muskelzelle mechanische Stabilität und eine Art »mechanisches Gedächtnis« für die Position innerhalb der Extrazellulärmatrix nach der Kontraktion! Verknüpfungen mit Ionenkanälen scheinen zu bestehen. Bei Duchenne-Muskeldystrophie fehlt Dystrophin aufgrund eines genetischen Defekts vollständig.

Myosin

Familie mit mindestens 18 Klassen. Muskelmyosin ist Myosin Typ II mit 490 kDao2 schwere Ketten (Myosin heavy chain MHC II: je 205 kDa) plus 4 leichte Ketten (Myosin light chains MLC: je ~20 kDa). Molekularer Motor. ~40% Gesamtmuskelproteingehalt. MHC: Kopfregion (S1oBindungsstelle für Aktin, ATP, 2 MLC: Hebelarmregion), Halsregion (S2), Schaftregion (leichtes Meromyosin) MLC: 2 Paare pro Myosinfilament, jedes Paar enthält eine »essenzielle« und eine »regulatorische« Kette Myosin ist eine ATPase!

MyoBP-C

~140 kDa; Expression nur im Muskel entlang des zentralen Bereichs der Myosinfilamente; Regulation der Myosinfilamentdicke

Titin

Größtes bisher identifiziertes Protein 3–3,8 MDa (Mega!), durchzieht das gesamte Halb-Sarkomer (von Z- bis M-Linie!) mit Immunglobulin- und Fibronektindomänen (90%). I-Band-Bereich fungiert als molekulare, elastische Federopassive Rückstellkraft bei Muskeldehnung. A-Band-Bereicho»Lineal für Myosinfilamente«

Nebulin

600–900 kDa. Durchzieht das Sarkomer von Z-Linie bis zu den Aktinenden (Abschluss durch Tropomodulin)o»Lineal für Aktinfilamentausrichtung«, nicht dehnbar; Hinweise für Modulation der AktinMyosin-Interaktion

Calmodulin, Caldesmon, Calponin

Regulatorproteine der glatten Muskulatur (dort kein Troponin!). Calmodulin entspricht dem Troponin C der quergestreiften Muskulatur mit Bindung von bis zu 4 Ca2+. Caldesmon ist parallel zu TM den Aktinfilamenten angelagert. Calponin bindet auch an Aktin

Tn: Troponin. TM: Tropomyosin. MHC: Myosin-heavy-chain. MLC: Myosin-light-chain

1142

Kapitel 13 · Muskulatur

Merke nerationszyklen können parallel sogar in derselben Zelle ablaufen. Die Patienten (meist Knaben) fallen im Kleinkindesalter durch Hüftstreckparesen auf. Im Verlauf von Jahren nimmt das funktionelle Muskelgewebe immer mehr ab, sodass Rollstuhlpflicht und Tod durch Atemlähmung resultiert. An Gentherapiekonzepten wird fieberhaft geforscht.

Bei Kontraktion bleibt die A-Bande konstant, die I-Bande nimmt ab, weil die Z-Linie Richtung Sarkomermitte gezogen wird. Die H-Bande nimmt ab, weil sich Aktin Richtung M-Linie schiebt.

KLINIK Duchenne Muskeldystrophie: Nonsense-Mutationen im Bereich des Dystrophin-Gens auf dem X-Chromosom führen zu völligem Fehlen von Dystrophin (Typ Duchenne) oder Teilen des Proteins (Typ Becker mit milderem Verlauf ). Die fehlende Stabilisierung des intrazellulären Zytoskeletts an die äußere Matrix reduziert die mechanische Membranstabilität und verändert womöglich Ionenkanäle und elektromechanische Kopplung. Vermehrt eintretendes Ca2+ verursacht Nekrosen durch Aktivierung von Proteasen. Degenerations- und Rege6

TTS

Mitochondrien

Querbrückenzyklus (Mind Map) Der Querbrückenzyklus ist die molekulare Grundlage der Sarkomerverkürzung und Kraftentwicklung. Er läuft im quergestreiften Muskel nach Erhöhung des myoplasmatischen Ca2+ durch die elektromechanische Kopplung (s. u.) ab, solange [Ca2+]i hoch und ATP vorhanden ist. Im glatten Muskel kann er erst nach Phosphorylierung des Myosinhalses stattfinden (s. u.). Einzelne Myosinköpfe (S1) gehen Bindungen mit je einer Bindungsstelle am Aktin ein und durchlaufen den

~40 nm

SR

Trop C Trop I Trop T

Aktinfilament Myofibrille Muskelfaser

Tropomyosin

Myosinfilament

Ca2+i < 100 nM

Sarkomer (2–2,5 μm)

Tropomyosin Trop T Trop C

Aktin Aktin Trop I

A-Bande (1,6 μm) I-Bande (1 μm) F-Aktin

I-Bande (1 μm) H-Bande

Nebulin

Ca2+i > 1 μM

Myosin II Aktin

Physiologie

Myosin

Titin Troponin

M-Linie Myomesin Calmodulin

Tropomyosin

. Abb. 13.1. Aufbau und Organisation des Skelettmuskels. Myofibrillen enthalten mehrere hundert Sarkomere in Serie, welche die kontraktilen und nichtkontraktilen Filamentsysteme enthalten. Die Banden ergeben sich aus den Aktin-,

Myosin Aktin

Z-Linie α-Aktinin

Myosin und Aktomyosinbereichen. Myosinköpfchen gehen mit Bindungsstellen am Aktin Querbrücken ein, nachdem der Regulatorkomplex aus Troponin-Tropomyosin diese Ca2+abhängig freigegeben hat; Details im Text

1143 13.1 · Allgemeine Muskelphysiologie

Zyklus in mehreren Schritten ausgehend vom Rigorzustand: 1. Rigorzustand: Der Myosinkopf ist von vorheriger Kontraktion noch an Aktin (A) gebunden, Myosin (M) enthält kein ATP, sondern ist Nukleotid-frei. Die Querbrücke ist fest gebunden. Zustand der Querbrücke: M•A (»•« bedeutet hier gebunden). Es handelt sich nur um einen kurzen Zwischenzustand, da sofort ATP gebunden wird. 2. Ablösung des Myosinkopfs: Die Bindung von ATP in die Nukleotidtasche des Myosins verringert die Affinität von Myosin zu Aktin und der Aktomyosinkomplex löst sich. Querbrückenzustand: A+M•ATP (»+« bedeutet hier »separat«). Da ATP die Bindung löst, nennt man dies seine »Weichmacherfunktion«. 3. ATPase-Aktivität des Myosinkopfs: Das katalytische Zentrum des Myosinkopfs spaltet ATP in ADP und Pi, welche beide in der Tasche verweilen! Hierdurch kommt es zu einer Konformationsänderung des Myosinkopfs mit Drehung des Hebelarms in Richtung Z-Linie, bis der Myosinkopf unter einer neuen Bindungsstelle am Aktin zu liegen kommt. Querbrückenzustand: A+M•ADP•Pi. 4. Schwacher Aktomyosinkomplex: Durch die Nähe zu einer neuen Bindungsstelle lagert sich der Myosinkopf ans Aktin an und geht eine schwache Bindung ein (noch keine Kraftentwicklung!). Querbrückenzustand: A•M•ADP•Pi. 5. Hochaffiner Komplex, Phosphatabspaltung und »Power-Stroke«: Der Aktomyosinkomplex geht in eine starke Bindung über. Hierdurch wird die Affinität zum Pi niedriger, es wird abgespalten und diese Konformationsänderung bewirkt eine Hebelrotationsbewegung im S1-Segment des Myosins (30º–40º), welche das Aktin ca. 5–10 nm Richtung M-Linie zieht. Hierbei wird eine Kraft von ca. 5 pN erreicht. Querbrückenzustand: A•M•ADP. 6. ADP-Abgabe: Nach Abgabe von ADP ist der Anfangszustand (Rigor) wieder erreicht, die Bindung des Aktomyosinkomplexes wird dann erst wieder durch ATP-Aufnahme gelöst. Querbrückenzustand: A•M. Merke ATP löst die Querbrücke aus dem Rigorzustando »Weichmacher-Funktion«. ATP-Spaltung durch Myosin-ATPase spannt den Myosinkopf vor. Der Kraftschlag erfolgt durch die Abgabe von Pi, nicht von ADP!

Zyklusfrequenz: Die Geschwindigkeit und Zyklusfre-

quenz im Skelettmuskel hängt von der Myosinisoform

13

ab. Es gibt mehrere Isoformen in Form von schnellen und langsamen Myosinen (7 Kap. 13.2). Eine Querbrücke kann den Zyklus 10- bis 100-mal pro Sekunde durchlaufen. Je höher die Zyklusfrequenz, desto höher die Verkürzungsgeschwindigkeit. KLINIK TotenstarreoRigor mortis. Die Totenstarre resultiert aus der Abnahme von ATP durch die zelluläre Hypoxie des frisch verstorbenen Organismus. Hierdurch verbleiben Querbrücken im Rigorzustand. Die Muskeln und Gelenke erscheinen steif. Nach 30 min bis zu Stunden (Außentemperatur!) setzen autolytische Prozesse ein, welche zur Lösung der Totenstarre führen, da die Muskelproteine sich zersetzen.

Dehnungsabhängigkeit der Kraftentwicklung

Analog zum p-V Arbeitsdiagramm am Herzen kann man beim Muskel ein Kraft-Längen-Diagramm angeben (. Abb. 13.2a). Die Ruhedehnungskurve repräsentiert die passiv elastischen Rückstellkräfte mit zunehmender Dehnung, welche v. a. durch Titin gebildet werden. Die Ruhedehnungskurve (RDK) kann nur am isolierten Muskel erhoben werden, da »in vivo« Muskelspindelreflexe mit der passiven Dehnung interferieren. Die Steigung der RDK gibt auch hier den Elastizitätskoeffizienten an, der Kehrwert die Compliance. Die Kurve der aktiven isometrischen Maximalkraftentwicklung ist die Differenz der isometrischen Maximakurve und der RDK. Sie hat die Form einer Glocke mit einem Maximum bei physiologischen Sarkomerruhelängen 2,2–2,7 μm und nimmt dies- und jenseits davon ab, allerdings nicht so rasch wie beim Myokard. Bei kleinen Sarkomerlängen (SL) schieben sich die Filamente ineinander und behindern sich, bei großen SL wird die Überlappung der Querbrücken immer geringer und die Kraft nimmt ebenfalls ab. Verkürzungsgeschwindigkeit

Zwischen Kraftentwicklung und Verkürzungsgeschwindigkeit besteht ein umgekehrt proportionaler Zusammenhang. Je mehr Kraft erzeugt werden muss, desto langsamer ist die Kontraktion, je weniger Kraft erzeugt werden muss, desto schneller ist sie. Paradebeispiel sind die beiden Extreme: 4 isometrische Kontraktiononur Kraftentwicklung, keine Verkürzung, ergo Verkürzungsgeschwindigkeit Null. 4 Gegenteil: isotone Kontraktionokeine äußere Kraftentwicklung, maximale Geschwindigkeit. Der Zusammenhang wird in der so genannten HillKurve wiedergegeben.

1144

Kapitel 13 · Muskulatur

13.1.2 Sarkolemm Elektromechanische Kopplung Die Membran des Sarkolemms und der Einstülpungen des transversotubulären Systems (TTS) enthält die für die Leitung des Aktionspotenzials notwendigen spannungsgesteuerten Na+- und K+-Kanäle, analog zur Situation am Myokard (. Abb. 3.2). Zusätzlich ist die stabilisierende Cl--Leitfähigkeit im TTS größer als im Bereich der Oberflächenmembran. Im Gegensatz zum Myokard sind die DHP-Rezeptorkanäle (L-Typ spannungsgesteuerte Ca2+-Kanäle) des Skelettmuskels fast ausschließlich im TTS gelegen. Ihre D-Untereinheit ist vom Typ D1S und anders als im Herzen (dort D1C). Im Skelettmuskel agieren die Ca2+-Kanäle unter physiologischen Bedingungen während einer normalen Kontraktion nicht als leitende Kanäle! Vielmehr detektieren sie die Spannung im TTS und machen während der sehr kurzen Depolarisation des normalen Muskelaktionspotenzials (Dauer: 5–10 ms) nur eine kurze Rotationsbewegung durch. Im Skelettmuskel sind die DHPR mechanisch über Proteinschleifen (»the foot«) mit den Ryanodinrezeptoren des SR verbunden (RYR1). Die Rotationsbewegung der DHP-Rezeptorkanäle »zieht« über die Proteinschleife bildlich gesprochen den RYR1-Kanal auf und Ca2+ strömt aus dem SR ins Myoplasma. Diesen Mechanismus nennt man elektromechanische Kopplung (ec-coupling). Im Gegensatz zum Herzen ist dafür kein Ca2+-Einstrom aus dem Extrazellulärraum notwendig (»gibt es auch bei einer Einzelzuckung nicht, da das AP viel zu kurz ist, um die DHPR tatsächlich ganz zu öffnen!«). Das erhöhte myoplasmatische [Ca2+]i triggert dann den Querbrückenzyklus. Ca2+-Ionen binden an Troponin C, wodurch Troponin I vom Aktin wegrotiert wird. Dadurch zieht Troponin T Tropomyosin aus der Bindungsfurche und der Myosinkopf kann nun binden. Der Querbrückenzyklus (s. o.) läuft ab.

Ca2+ von außen reinlassen. Die Regulation der DHPRezeptorkanäle (Cav1: Skelettmuskel, Cav2: Myokard) ist über Phosphorylierung durch Proteinkinase A möglich. KLINIK Myotonie: Myotonien sind Erkrankungen des Skelettmuskels, welche durch vermehrte Steifigkeit der Muskulatur mit reduzierter willentlicher Relaxierung oder episodischen Muskelschwächen gekennzeichnet sein können. Sie gehören zur Gruppe der Kanalerkrankungen und sind genetischer Ursache. Bei manchen Formen liegt eine Störung der Inaktivierung mutierter Natriumkanäle vor (Paramyotonia congenita), sodass eine persistierende Depolarisation bleibt, die häufiger Aktionspotenziale bei noch normalen Kanäle und damit AP-Salven induziert. Bei anderen Formen ist die Leitfähigkeit von Cl–-Kanälen gestört (Myotonia congenita), sodass das Membranruhepotenzial destabilisiert wird und ebenfalls Dauerdepolarisationen resultieren können. Kausale Therapien sind nicht möglich. »Muskelkater«: schmerzhafte Läsionen bei Überbeanspruchung der Muskulatur (v. a. bei exzentrischen Kontraktionen! s. u.) treten nach 1–2 Tagen auf (»Muskelkater«). Ursache sind Mikroläsionen des Sarkolemms, welche zu erhöhtem Ca2+-Einstrom in Muskelzellen mit Aktivierung von Proteasen und Zellschwellungen und evtl. lokalen Nekrosen führen, sowie Z-Linien-Abrisse, welche die Kontraktilität beeinflussen. Hierdurch resultieren ödematöse Schwellungen des entzündeten Muskelgewebes mit Freisetzung von Schmerzmediatoren. Mit Laktatbildung hat der Muskelkater nichts zu tun, zum Zeitpunkt des Auftretens von Muskelkater ist bereits alles Laktat schon lange aus dem Muskel abtransportiert worden.

Merke

Physiologie

Die Kontraktion des Skelettmuskels benötigt kein Ca2+ von außen! DHP-Rezeptorkanäle und RYR sind durch Proteinschleifen direkt im Skelettmuskel miteinander verbunden (im Herzen nicht!). Troponin C bindet Ca2+, Troponin T bindet Tropomyosin, Troponin I bindet Aktin.

Weitere Funktionen der DHP-Rrezeptorkanäle: Den

DHP-Rezeptorkanälen kommt unter gewissen Umständen eine Auffüllfunktion für Ca2+ zu, wenn durch hochfrequente Stimulation DHP-Rezeptorkanäle evtl. kurzzeitig in einen leitenden Zustand übergehen und

13.1.3 Sarkoplasmatisches Retikulum (SR)

13.1.4 Sarkoplasma Ryanodinrezeptoren Das SR (longitudinales System) verläuft parallel zu den Myofibrillen und dient als intrazellulärer Ca2+-Speicher, in dem das SR-[Ca2+]i sub-millimolare Konzentrationen (~0,5 mM) annimmt. Die Freisetzung erfolgt im Myokard rein durch Ca2+ getriggert (»Ca2+-induzierte Ca2+-Freisetzung«, RYR2). Im Skelettmuskel

1145 13.2 · Quergestreifte und glatte Muskulatur

hingegen erfolgt sie initial durch direkte Kopplung von RYR1 an DHPR, wobei auch Ryanodinrezeptoren an der SR-Oberfläche, welche keine Verbindung zu DHPR im TTS haben, durch Ca2+-Ausstrom benachbarter RYR1 geöffnet werden können. Diese so genannten »Ca2+-activation sites« haben eine hohe Affinität zu Ca2+ und verstärken damit die Ca2+-Freisetzung. Beendet wird die Freisetzung durch Ca2+-Ionen selbst, und zwar durch Bindung an die niederaffinen »Ca2+-inactivation sites« bei nun hohem myoplasmatischem [Ca2+]i. Hierdurch werden die RYR1 geschlossen und eine zu hohe Ca2+-Freisetzung verhindert. Mg2+-Ionen hemmen die Freisetzung. Am glatten Muskel wird die Freisetzung durch RYR3 oder IP3-Rezeptoren induziert. Ca2+-Pumpe und Gegenionen-Kanäle Die Kontraktion wird dadurch beendet, dass die Freisetzungskanäle schließen und Ca2+ aus dem Sarkoplasma wieder entfernt wird. Ca2+-Ionen werden durch eine Ca2+-Pumpe im SR, der SERCA, primär-aktiv wieder ins SR zurückgepumpt (1 Ca2+ gegen 1 H+!). Hierbei werden Protonen und vermutlich andere Kationen aus Elektroneutralitätsgründen im Austausch mit Ca2+ oder durch Kanäle aus dem SR ausgeschleust, da sonst der Aufbau eines positiven SR-Potenzials die weitere Aufnahme von Ca2+ behindern würde (so genannte »Gegenionentheorie«). Die Kinetik der SERCA ist zu langsam, um Ca2+Ionen schnell aus dem Sarkoplasma zu entfernen. Daher werden diese zunächst an Ca2+-Pufferproteine zwischengebunden (z. B. Parvalbumin, v. a. bei kleinen Säugern), von denen aus Ca2+ verzögert an die SERCA abgegeben werden kann. Innerhalb des SR binden die Proteine Calsequestrin und Calreticulin einen Großteil des freien Ca2+ ab. Regulation der Erschlaffung: Die SERCA wird durch

Phospholamban gehemmt. Dieses wird durch Proteinkinase A phosphoryliert und gehemmt, sodass die SERCA z. B. durch β-Stimulation im vegetativen NS enthemmt wird (positiv lusitrope Wirkung am Herzen, . Tab. 3.2). KLINIK Maligne Hyperthermie: 7 Kap. 8.2.2.

13.1.5 Energieumwandlung ATP-Bereitstellung: Zur Energiebereitstellung und -umstellung in der Muskulatur bei Arbeit 7 Kap. 6.1.1,

13

7 Kap. 6.1.2. Kreatinphosphat ist der wichtigste intrazelluläre Puffer für ATP. Letzteres wird in der LohmannReaktion durch Phosphatübertrag auf ADP resynthetisiert. In der Erholungsphase wird Kreatin wieder zu Kreatinphosphat resynthetisiert. ATP entsteht ferner aus anaerober und aerober Glycolyse, β-Oxidation von Fettsäuren (v. a. unter Adrenalinwirkung) und direkter Phosphorylierung durch Adenylatzyklase. Durch alle Mechanismen (. Tab. 6.1) wird der ATP-Spiegel selbst unter schwerer Arbeit fast konstant aufrechterhalten.

Merke Die Glucoseaufnahme in Muskelzellen ist im Wesentlichen insulinabhängig (GLUT-4). Im Hungerzustand ist die Glukoseaufnahme gering (Insulinp). Oxidation von Fettsäuren und Ketonkörpern (aus der Leber!) ist dann wichtigster Energieträger.

Prüfungsfallstricke Insulin stimuliert in Muskulatur und Fettgewebe die Lipidsynthese (antilipolytische anabole Wirkung, . Tab. 10.4).

13.2

Quergestreifte und glatte Muskulatur

13.2.1 Allgemeine Grundlagen Kontraktionsaktivierung Durch die elektromechanische Kopplung wird das myoplasmatische Ca2+ erhöht (s. o.). Die Latenz zwischen AP und Kontraktion beträgt ca. 20 ms (Dauer der Kopplung!). In Skelett- und Herzmuskel agiert der Troponinkomplex (Troponin C) als Ca2+-Schalter zur Freigabe der Myosinbindungsstelle am Aktin. In der glatten Muskulatur ist dies Calmodulin, welches als Ca2+Calmodulin-Komplex (CaM) die Bindungsstelle freischaltet. Ferner muss der Querbrückenzyklus im glatten Muskel (nicht in Skelett- und Herzmuskel!) durch Phosphorylierung des Myosinhalses »erlaubt« werden. Dies geschieht dort über Aktivierung der MyosinLeichte-Ketten-Kinase (MLCK), die mit ihrem Antagonisten, der Myosin-Leichte-Ketten-Phosphatase (MLCP) im Gleichgewicht steht (s. u.). Steuerung der Kraftentwicklung (Twitch und Tetanus) Bei der Einzelzuckung (Twitch) wird das myoplasmatische Ca2+ zwischen APs wieder vollständig ins SR

1146

Kapitel 13 · Muskulatur

zurückgepumpt. Eine Verstärkung der Muskelkraft erfolgt über mehrere Mechanismen: 4 zeitliche Summation (Superposition): Erhöhung der AP-Frequenz einer motorischen Einheit (ADMotoaxon plus seine innervierenden Muskelzellen)oKraftsteigerung. 4 Räumliche Summation: Rekrutierung von D-Motoneuronen und damit zusätzlicher motorischer EinheitenoKraftsteigerung.  α-γ-Koaktivierung (7 Kap. 15.4.3): J-Aktivierung der Muskelspindeln bei willkürlicher Kontraktion zieht die Spindel auseinander und erhöht die Aktivität in den Ia-Spindelafferenzen, welche im Rückenmark monosynaptisch erregend auf den Agonisten schaltenoKraftsteigerung. 4 Vordehnung und Ca2+-Sensibilisierung: die Überlappung der Filamente bestimmt den Grad der maximalen Kraftentwicklung (bei ca. 2,2–2,7 μm, . Abb.13.2a). Durch die Ruhedehnung wird auch die Sensitivität der Troponine gegenüber Ca2+ moduliert. 4 Muskelquerschnitt: längerfristige Regulation der Muskelkraft durch Muskelfaserhypertrophie und Querschnittszunahme. Bei Säugermuskeln besteht eine Maximalkraft von ca. 40–100 N/cm2. Tetanus: Wird bei zeitlicher Summation die AP-Fre-

quenz immer höher, hat die SERCA nicht genügend Zeit, zwischen den Reizen Ca2+ zurückzupumpen, sodass [Ca2+] länger erhöht bleibt und mit den Reizen auch weiter zunimmt. Die Krafttransienten addieren sich zunächst zum unvollständigen und schließlich vollständigen Tetanus auf, bei dem die Kraft ein maximales Plateau aufweist (. Abb. 13.2b). Bei dieser willkürlichen Dauerkontraktion ist die Kraft 2- bis 10-mal höher als bei der Einzelzuckung. Merke

Physiologie

Vollständiger Tetanus ist nur beim Skelettmuskel möglich, da hier das AP um einen Faktor 20–50 kürzer ist als der Krafttransient (5–10 ms vs. ~200 ms). Durch die asynchrone Tätigkeit der Querbrücken fällt die Kraft nicht ab. Beim glatten Muskel wird durch die lang anhaltenden Ca2+-Aktionspotenziale ein hoher Dauertonus erreicht.

Prüfungsfallstricke Durch Erhöhung der ACh-Menge an der neuromuskulären Endplatte wird die Kraft nicht gesteigert, lediglich die Auslösung eines Muskel-APs wird 6

gefördert (»ein AP macht noch keine Superkräfte!«). Vollständiger Tetanus ist im Myokard nicht möglich, da das AP fast genauso lang dauert wie die Kontraktion.

Tetanische Fusionsfrequenz ist die Aktionspotenzialfrequenz, ab der die hervorgerufenen Kontraktionen zu einem Tetanus verschmelzen. Für einen Tetanus muss das Intervall zwischen aufeinander folgenden Aktionspotenzialen kürzer als ~30% der Kontraktionsdauer sein. Bei schnellen Muskelfasern (Typ IIB) ist die tetanische Fusionsfrequenz deshalb höher als bei langsamen Fasern (Typ I), man muss also schneller hintereinander reizen. Kontraktionsformen Im Skelettmuskel sind mehrere Kontraktionsformen möglich (. Abb. 13.2a): 4 Isometrische Kontraktion: Kraftentwicklung ohne Verkürzung. Jegliche Form der reinen Haltearbeit. Senkrechte Linie im Kraft-Längen-Diagramm. 4 Isotonische Kontraktion: Verkürzung des Muskels bei konstanter Spannung bzw. Kraft. Die isotonische Kontraktion ist eigentlich nur am isolierten Muskel ohne Vorlast möglich (im Organismus hängt am Muskel meist ein Gelenk mit einer Last dran, sodass Gewichtskraft der Last und Muskelkraft entlang der Muskellängsachse quasi nie zusammenfallen!). Waagrechte Linie im Kraft-LängenDiagramm. 4 Auxotone Kontraktion: Verkürzung des Muskels bei sich ändernder Spannung. Physiologischerweise sind eigentlich die meisten Kontraktionen auxoton, bei denen eine Last durch einen Muskel um ein Gelenk gedreht wird (z. B. Hantelgewicht stemmen!). Nach der isometrischen Phase zur Aufnahme der Gewichtskraft ändert sich die Komponente der Last in Richtung der Muskelkraft mit zunehmender Drehung. Positiv auxotonischoLast nimmt während Kontraktion zu. Negativ auxotonischoLast nimmt während Kontraktion ab. 4 Unterstützungskontraktion: Kombination aus isometrischer Kontraktion bis zur Aufnahme des Gewichts und anschließender isotoner (bei kleinen Winkeländerungen im Gelenk) oder auxotoner Phase (bei großen Winkeländerungen). 4 Anschlagszuckung: Zunächst rein isotone Kontraktion ohne Kraftentwicklung bis zum Muskelanschlag, danach rein isometrische Kontraktion, z. B. Kauen, Aufeinanderbeißen der Zähne.

13

1147 13.2 · Quergestreifte und glatte Muskulatur

4 Exzentrische Kontraktion: Verkürzt sich der Muskel unter Kontraktion, so ist diese konzentrisch. Bei exzentrischer Kontraktion ist die Gegenkraft so groß, dass der Muskel trotz Kontraktion gedehnt wird. Tägliches Beispiel ist treppab oder bergab gehen. Hierbei ist die abzufedernde Gewichtskraft so groß, dass die Muskulatur v. a. der Kniegelenke besonders stark beansprucht wird. Exzentrische Kontraktionen sind belastend für den Muskel und führen unter Umständen zu Rissen und Schmerzen.

Prüfungsfallstricke Der Muskelinnendruck wird mit zunehmender Kraft bei Haltearbeit immer größer und die Durchblutung wird stark gedrosselt und sistiert bei 30–40% Maximalkraft quasi (kann nur ca. 4 min aufrechterhalten werden). Bei 10% Maximalkraft kann bei Haltearbeit der O2-Bedarf des Muskels nicht mehr gedeckt werden. Bei Haltearbeit erzeugte Energie wird vollständig in Wärme umgewandelt, keine äußere Arbeit! Bei rein isometrischer Arbeit ist daher der Wirkungsgrad Null!

a Isometrische Maxima

Unterstützungszuckung Anschlagszuckung

rel. Kraft

RDK aktive MaximalKraft

1,6 1,8 2,0 2,2 2,4 2,6 2,8 3,0 Sarkomer-Länge (μm)

b

Isotone Kontraktion

Auxotone Kontraktion

1,6

AP

Exzentrische Kontraktion

2,0 2,2 2,4 2,6 Sarkomer-Länge (μm)

Ca2+Transient

Em Kraft Ca2+i

2,8

Ruhe-Ca2+: 100nM Kontraktion: ~10μM KraftTransient

Ca2+

SR

RyR1

1,8

AP

DHP-R ΔV

U-Kurve Isometrische Kontraktion

0

50

SERCA

100 150 Zeit (ms)

200

TTS APs Kraft F Kraft

Ca2+i

Skelettmuskel: vollständiger Tetanus . Abb. 13.2a,b. a Links: Ruhedehnungskurve (RDK), isometrische Maxima-Kurve und aktive Maximalkraft (Differenz beider Kurven). Rechts: verschiedene Kontraktionsformen im Kraft-Längen-Diagramm. b Mechanismus der elektro-

mechanischen Kopplung im Skelettmuskel (links), Zeitabfolge von AP, Ca2+- und Kraft-Transient sowie Superposition zum Tetanus bei repetitiver Reizung. Erklärung im Text

1148

Kapitel 13 · Muskulatur

13.2.2 Skelettmuskel

(7 Kap. 6.3.2, 7 Kap. 13.1) Fasertypen Abhängig von der Expresion von Isoformen der Myosin-schwere-Ketten (MHC) unterscheidet man langsame »rote« (MHC I) und schnelle »weiße« Muskelfasern (MHC II, »hat nichts mit dem MHC aus Kap. 2 zu tun!«). Die Geschwindigkeit bezieht sich auf deren Myosin-ATPase-Aktivität und ist ein Maß dafür, wie schnell der Querbrückenzyklus durchlaufen werden kann. . Tabelle 13.2 fasst u. a. die wichtigsten Unterschiede der Fasertypen im Skelettmuskel zusammen.

4 Langsame Muskelfasern sind rot (Myoglobinn), oxidativ, ermüden nur sehr langsam und sind deshalb wichtig für Ausdauer- und Haltearbeit. Sie werden von kleinen Motoneuronen über dünne Axone versorgt. Ihre motorischen Einheiten sind klein. 4 Schnelle Fasern sind weiß (Myoglobinp), glycolytisch (Typ IIB) oder gemischt glycolytisch-oxidativ (Typ IIA), anfälliger für Ermüdung (v. a. Typ IIB) und eher geeignet für Schnellkraft. Sie werden von großen Motoneuronen mit dicken Axonen versorgt. Ihre motorischen Einheiten sind groß (bis ~1000 Muskelfasern pro Axon).

. Tab. 13.2. Unterschiede zwischen Skelett-, Herz- und glatter Muskulatur

Physiologie

Parameter

Skelettmuskel

Herzmuskel

Glatter Muskel

ermüdbar

resistent

resistent

glycolytisch

oxidativ

oxidativ

Typ I »slow-twitch«

Typ IIA »fast twitch oxidative«

Typ IIB »fast twitch fatiguable«

Ermüdung

resistent

weniger resistent

Metabolismus

oxidativ

gemischt oxidativ/ glycolytisch

Glycogen

niedrig

ausreichend

viel

normal

normal

Myoglobin

n (rot)

l bis n (rot/pink)

p (weiß)

n (rot)

l bis n (rot/pink)

Mitochondrien

viele

viele

wenig

mittel/viele

viele

Tetanische Fusionsfrequenz

10–20 Hz

50–150 Hz

50–200 Hz

keine tetanische Fusion

Kapillarisierung

hoch

mittel/hoch

niedrig

hoch

lokalisationsabhängig, keine eigenen Kapilllaren bei Gefäßmuskulatur

Typische Funktion

Haltearbeit (Ausdauer)

schnelle Bewegung (Schnellkraft)

Ausdauer

Ausdauer

Dauertonus langsame Tonusänderungen

Beispiel

M. soleus

M. quadriceps

Mm. interossei

Ventrikelmyozyt

Myometrium, Gefäßmuskel

Phospholamban

vorhanden

fehlt

fehlt

vorhanden

vorhanden

Ca2+-release

RYR1

RYR1

RYR1

RYR2

IP3R, RYR3

»Ca2+-Schalter«

Tn C1

Tn C2

Tn C2

Tn C1

Calmodulin

Kontraktion

100–200 ms

20–100 ms

20–100 ms

200–400 ms

200 ms bis Dauertonus

Erregung

Aktionspotenzialtransienten durch neuromuskuläre Erregung

AP-Plateau durch Schrittmacher, Gap junction Kopplung

AP-Transienten, Plateaus, Membranpotenzialwellen Ca2+-AP’s (!)

ec-coupling

DHPR-Kopplung (TTS) an RYR1 (SR)

Ca2+ Influx via DHPR triggert RYR2-Öffnung

Ca2+-Influx via DHPR und »store-operated« channels, Ca2+-Freisetzung aus ER durch IP3.

Tn: Troponin

1149 13.2 · Quergestreifte und glatte Muskulatur

Merke In vielen Muskeln kommen beide Fasertypen nebeneinander vor, es gibt auch Zwischentypen (so genannter embryonaler Typ).

13.2.3 Herzmuskel (7 Kap. 3.1)

13.2.4 Glatter Muskel Der Querbrückenzyklus selbst läuft im glatten Muskel analog zum Skelettmuskel ab. Die Steuerung und Struktur im glatten Muskel sind jedoch verschieden. Kontraktionsvielfalt: Organspezifisch muss glatter Muskel phasisch-rhythmische (z. B. Peristaltik) sowie tonische Dauerkontraktionen (z. B. Sphinkteren, Gefäße) und Mischformen bewerkstelligen können. In den verschiedenen Organen ist glatter Muskel deshalb unterschiedlich spezialisiert. Die ATPase-Aktivität des Myosins ist sehr niedrig (bis 1000-mal langsamer als im Skelettmuskel). Daher ist glatter Muskel sehr langsam. Struktur: Glatter Muskel besitzt keine transversalen und longitudinalen Tubuli in der Form der Skelettmuskelzelle, daher auch keine Triaden und keine Kopplung zwischen DHP-Rezeptorkanälen und RYR. Das SR im glatten Muskel (ER) durchzieht die Zelle irregulär mit Kaliberschwankungen von subsarkolemmal bis tief in die Zelle hinein. Membrankaveolae (»Membranbuchten«) scheinen eine Rolle bei der elektromechanischen Kopplung zu spielen. Neben Aktin- und Myosinfilamenten enthält glatter Muskel intermediäre Filamente, welche an den so genannten »Dense Bodies« zu einem mechanischen Zytoskelettnetzwerk verknüpft sind. Hier sind auch die Aktinfilamente angeheftet, sodass die Aktinmyosininteraktion bei Kontraktion wie der Bewegung eines Scherengitters mit Angelpunkten an den »Dense Bodies« gleicht.

Merke Endplatten gibt es nicht im glatten Muskel. Aktinfilamente enthalten Tropomyosin, aber kein Troponin, welches evtl. durch Caldesmon und Calponin am Filament substituiert wird. Myosin ist geringer, Aktin reichlicher vorhanden als im Skelettmuskel.

Single/Multi-Unit Typen: Man unterscheidet funktionell 2 Typen von glatten Muskeln:

13

4 Beim Single-Unit-Typ sind viele Muskelzellen durch Gap junctions mit geringem Widerstand gekoppelt, sodass viele Zellen schnell in einen funktionell gleichen Zustand geschaltet werden können (ähnlich beim Myokard!). Vorkommen in phasisch-rhythmischen Muskeln von Darm, Uterus, Gallengang und Harnleiter. Sie besitzen eine myogene Spontanaktivität, welche durch sympathische Synapsen, lokale (mechanische Dehnung, NO, Endothelin, Thromboxan u. v. m.) und humorale (Noradrenalin, Adrenalin, ADH, Angiotensin II usw.) Mediatoren moduliert werden. 4 Muskelzellen vom Multi-Unit-Typ kontrahieren im Verband unabhängig voneinander. Vorkommen z. B. in M. ciliaris, Irismuskeln. Sie sind nur wenig (oder gar nicht) spontan-aktiv und unterliegen einem neurogenen Tonus durch vegetative Innervation. 4 Mischformen: In den meisten makroskopisch glatten Muskeln finden sich Mischformen. Elektromechanische Kopplung: Das zytosolische Ruhe[Ca2+] liegt bei 10–100 nM und kann bei den unter Umständen sehr langen Kontraktionen Werte bis in den Bereich von 10–4–10–3 M annehmen. Das Membranpotenzial kann langsam oszillieren und Membranerregung ist eher von langsameren Ca2+-Aktionspotenzialen getragen, welche sich über Gap junctions ausbreiten. Ca2+Einstrom durch L-Typ-Ca2+-Kanäle sowie »store-operated channels« induziert Ca2+-Freisetzung aus dem SR über RYR3. Zusätzlich sind Signalkaskaden sehr wichtig: Gq-Protein-vermittelte IP3-Bildung setzt Ca2+ aus dem SR durch »IP3-release«-Kanäle frei (z. B. Noradrenalinwirkung über D1-Rezeptoren, . Abb. 14.2). Myosinphosphorylierung: Der Querbrückenzyklus

muss im glatten Muskel durch Phosphorylierung des Myosins erst freigegeben werden. Vier Ca2+-Ionen binden an Calmodulin (CaM), der Komplex Ca2+/CaM aktiviert dann die Myosin-light-Chain-kinase MLCK (Holoenzymkomplex), welche dann die leichte Kette des Myosins phosphoryliert (ATP-Verbrauch!) und den Querbrückenzyklus aktiviert. Als Gegenspieler zur MLCK fungiert die Myosinphosphatase MLCP, welche Myosin desphosphoryliert und die Kontraktion beendet. Im intermediären Spannungszustand vieler glatter Muskeln herrscht ein Gleichgewicht zwischen MLCK und MLCP. Bei Beendigung der Kontraktion wird Ca2+ ins SR zurückgepumpt oder aus der Zelle transportiert (Na/ Ca-Exchanger, PMCA), die abfallende Ca2+-Konzentration führt zu einem Überwiegen der MLCP und Dephosphorylierung des Myosins mit Beendigung des Querbrückenzyklus.

1150

Kapitel 13 · Muskulatur

. Tab. 13.3. Regulation der Kontraktion glatter Muskulatur über MLCK und MLCP

Enzym

Muskeltonus

Regulation

MLCK

+: Kontraktion

ATP, Adenosin, Angiotensin II, Endothelin, Depolarisation, Dehnung, Noradrenalin (D1-Wirkung): o[Ca2+]inoCa2+/CaM-Komplex aktiviert MLCK

–: Relaxation

Adrenalin, NA (β2-Wirkung), cAMP, Proteinkinase A, NO, Proteinkinase G oPhosphorylierung MLCK inaktiviert diese

+: Ca2+-Desensitivierung, Myosin-Dephosphorylierungn (Relaxation)

NOocGMPnoProteinkinase G

–: Ca2+-Sensitivierung, Myosin-Dephosphorylierungp (Kontraktion)

NA (D1-Wirkung), Angiotensin II, ADH, Oxytocin, Serotonin: 1. Rho/Rho-Kinase-Aktivierung (s. a. 4.1.5.) oder 2. Proteinkinase C (über D1-WirkungoPLC, DAGn) oMLCP-PhosphorylierungoMLCP-Inaktivierung

MLCP

Prüfungsfallstricke

Merke

cAMP senkt die MLCK-Aktivität und führt zu Relaxation.

Phosphorylierung von MLCK oder MLCP bedeutet Inaktivierung des Enzyms! MLCK-Phosphorylierungn (z. B. cAMP, β2, VIP)oMLCK-AktivitätpoCa2+-Desensitivierungo Relaxation. MLCP-Phosphorylierungn (z. B. Proteinkinase C, Rho/Rho-Kinase)oCa2+-Sensitivierungo Kontraktion. cAMP erhöht ferner die Rückaufnahme von Ca2+ ins SR und senkt damit den zytosolischen Ca2+-Spiegel.

Vegetative Regulation und Ca2+-Sensitivierung

(. Abb. 14.2): MLCK und MLCP unterliegen der Regulation durch das vegetative NS. Aktivierung der MLCK erhöht den Muskeltonus, Hemmung erniedrigt ihn (Relaxation). Den Einfluss der MLCP auf die Kontraktilität bezeichnet man als Ca2+-Sensitivierung. Hemmung der MLCP führt zu vermehrter Myosinphosphorylierung (MLCK überwiegt nun!) und erhöhter Ca2+-Sensitivität. Die wesentlichen Regulationen sind in . Tabelle 13.3 zusammengefasst.

Physiologie

Fallbeispiel Ein 3-jähriger Junge wird dem Kinderneurologen vorgestellt, da er zusehends Probleme beim Aufrichten aus der Hocke und Aufstehen zeige. Der Junge war nach Angaben der Mutter »immer ein Leichtgewicht« gewesen, sei in der Entwicklung gegenüber anderen Kleinkindern etwas zurückgeblieben, aber sonst nicht weiter auffällig gewesen. Der Junge hat jedoch auffällig dicke Waden, welche sich innerhalb von Monaten gebildet haben. Klinisch zeigen sich proximal betonte Paresen der Beckengürtelmuskulatur und der Schultern, beim Aufstehen aus der Hocke zeigt der Junge das typische »Gowers«-Phänomen, indem er sich an sich selbst nach oben in den Stand abstützt. Aufstehen mit vorgehaltenen Armen ist nicht möglich. Die Reflexe sind beidseits symmetrisch in allen Etagen auslösbar. Im Serum finden sich stark erhöhte CK-Werte.

Bei Verdacht auf Muskelsdystrophie und zum Ausschluss anderer Myopathien wird eine Muskelbiopsie veranlasst. In der Immunfluoreszenzdarstellung zeigt sich völliges Fehlen von dystrophinpositiven Fasern. Bei dem Jungen wird die Diagnose einer progressiven Muskeldystrophie vom Typ Duchenne gestellt. Die genetische Analyse der Mutter zeigt im X-Chromosom keinen auffälligen Befund und schließt diese als Konduktorin aus. Auch die Familienanamnese ist blande. Es handelt sich hierbei wahrscheinlich um eine neu aufgetretene Mutation im X-Chromosom des Kindes, welche die Expression von Dystrophin unterbindet. Die Erkrankung hat eine infauste Prognose. Eine kausale Therapie ist noch nicht verfügbar. Der Junge wird symptomatisch begleitend in den Folgejahren versorgt.

Physiologie

1153

14

14 Vegetatives (autonomes) Nervensystem Mind Map Komponenten des vegetativen Nervensystems (VNS): Das vegetative (autonome) Nervensystem (VNS) kontrolliert im Zusammenspiel von Sympathikus (leistungsfördernd), Parasympathikus (erholungsfördernd) und enterischem Nervensystem (gastrointestinal) die unwillkürliche innere Homöostase des Körpers. Temperaturregulation, Chemoregulation, Verdauung, Kreislauf etc. werden hierbei durch übergeordnete Zentren in Hypothalamus und limbischem System gesteuert. Der Parasympathikus bildet den kraniosakralen, der Sympathikus den thorakolumbalen Bereich des peripheren VNS. Bahnen und Transmitter: Die peripher verlaufenden efferenten Fasern beider Systeme werden in einem peripheren Ganglion umgeschaltet, dessen Transmitter Acetylcholin (ACh) ist. Die postganglionären Fasern ziehen zum Zielorgan, wo sie den Transmitter Noradrenalin (NA, Sympathikus) oder Acetylcholin (Parasympathikus) freisetzen. Die sympathische Innervation von Schweißdrüsen und Nebennierenmark (NNM) nimmt eine Sonderstellung ein. Enterisches Nervensystem (ENS): Das ENS ist nicht streng organisiert, enthält viele Peptidtransmitter und nimmt funktionell die Rolle eines komplexen Ganglions ein. Reflexe im ENS laufen meist lokal im Plexus myentericus und submucosus ab, können aber durch Sympathikus und Parasympathikus moduliert werden. Rezeptoren: Die spezifische Transmitterwirkung von NA und ACh wird über prä- und postsynaptische Rezeptoren vermittelt. Cholinerge Rezeptoren im VNS sind entweder nikotinerg (nAChR) oder muskarinerg (m1–m5). Nikotinerge Rezeptoren sind Kationenkanäle (ionotrop), muskarinerge Rezeptoren G-Protein gekoppelt (metabotrop). nAChR im VNS (N2) sind

nicht identisch mit nAChR an der neuromuskulären Endplatte (N1). Adrenerge Rezeptoren unterteilen sich in D und β-Rezeptoren, welche alle metabotrop sind. D-Rezeptoren haben eine höhere Affinität zu NA, β-Rezeptoren zum Nebennierenmarkshormon Adrenalin. Cholinerge und adrenerge Wirkungen: In vielen Organen haben Sympathikus und Parasympathikus antagonistische Wirkung. Organe, welche nicht parasympathisch innerviert werden, können durch adrenerge Rezeptoren antagonistisch gesteuert werden (DWirkung vs. β-Wirkung). Die Aktivierung der einzelnen Rezeptoren führt nicht überall zur gleichen Effektorreaktion. Diese hängt in den verschiedenen Organen von der G-Protein-Kaskade und den nachgeschalteten Enzym- und Kanalreaktionen ab. Vegetative Reflexe: Über afferente Fasern bilden sich vegetative spinale und supraspinale Reflexbögen aus, welche schnelle Anpassungsreaktionen ermöglichen, z. B. Kreislaufreflexe bei Orthostase oder Pupillenreflex. Übergeordnete Zentren: Wichtiger Integrator der vegetativen Funktionen ist die Medulla oblongata und die Pons, insbesondere Nucleus tractus solitarii und ventrolaterale Medulla, welche den zentralen Grundsympathikotonus vorgeben. Die Barorezeptoren bilden hier einen inhibitorischen Eingang (Barorezeptorenreflex). Homöostase: Die übergeordneten Zentren Hypothalamus und limbisches System üben durch Vorgabe von Sollwerten für Parameter des inneren Milieus (z. B. Temperatur, Osmolalität) und resultierende Handlungsantriebe Einfluss auf die zielgerichtete Korrektur von Homöostaseabweichungen aus. Sollwertverschiebungen (z. B. bei Fieber) können zu vegetativen Korrekturanpassungen führen (Schüttelfrost vs. Schwitzen).

1154

Kapitel 14 · Vegetatives (autonomes) Nervensystem

14.1

Morphologische Grundlagen, Entwicklung und funktionelle Komponenten des VNS

Das vegetative Nervensystem (VNS), manchmal auch autonomes Nervensystem (ANS) genannt, kontrolliert die viszerale Homöostase (metabolisch, kardiopulmonal, sekretorisch, thermisch etc.) ohne direkte willkürliche Kontrolle (im Gegensatz zum somatomotorischen System). Das VNS entsteht embryonal aus dem Neuroektoderm und besteht efferent aus den klassischen Anteilen: 4 Sympathikus (Transmitter: Noradrenalin [NA]; Ausnahme: Schweißdrüsen, dort Acetylcholin, ACh), 4 Parasympathikus (Transmitter: Acetylcholin) und 4 dem enterischen Nervensystem des Magendarmtrakts (ENS). Die Synapsen des ENS setzen nichtklassische Transmitter, so genannte NCNA-Transmitter (non-cholinergnon-adrenerg) frei (z. B. VIP, vasoaktives intestinales Peptid, 7 Kap. 7). Daneben existieren auch viele cholinerge Neurone im ENS. Merke Funktionen des ENS laufen autonom ab und bleiben auch nach Durchtrennung sympathischer und parasympathischer Fasern erhalten (olokales Nervensystem). Sympathikus und Parasympathikus besitzen modulierende Eigenschaften auf Synapsen des ENS (z. B. Hemmung der Peristaltik bei Sympathikusaktivierung). Sympathikusoergotrope Wirkung (leistungsfördernd) Parasympathikusotrophotrope Wirkung (erholungsfördernd)

Physiologie

Zentrale und periphere Organisation

Das letzte zentrale Neuron, dessen Axon zum peripher gelegenen Ganglion zieht, ist das präganglionäre Neuron. Die Lage von Neuron und Ganglion sind bei Sympathikus und Parasympathikus verschieden (s. u.). Im peripheren Ganglion erfolgt die synaptische Umschaltung auf das postganglionäre Neuron (»dieses liegt im Ganglion«). Der Transmitter hier ist immer ACh, der postganglionäre Rezeptor ein nAChR (nikotinerger Kationenkanal). Das postganglionäre Axon zieht in peripheren autonomen Nerven zum Zielorgan, hier erfolgt die synaptische Umschaltung auf die Zielzelle. Transmitter bei sympathischen Nerven ist hier stets NA (»Ausnahme Schweißdrüsen: ACh!), bei parasympathischen Nerven ACh.

Organisation im ENS

Das ENS besteht aus einer Ansammlung von Nervenplexus im Gastrointestinaltrakt. Es ist rein peripher organisiert mit modulierenden Eingängen von Sympathikus und Parasympathikus. Hierbei ist jedoch zu beachten, dass die Plexus sowohl von präganglionären als auch postganglionären sympathischen/parasympathischen Fasern synaptisch versorgt werden. Die Plexus des ENS fungieren somit sowohl als riesige periphere Ganglien als auch als Ziel-»Zellen« im Sinne des klassischen VNS. In den Plexus des ENS (Plexus myentericus, submucosus) finden sich afferente, efferente und Interneurone mit einer Vielzahl von Transmittern (7 Kap. 14.2.3). Merke Zum VNS gehören neben efferenten Fasern auch afferente Fasern. Diese verlaufen in der Regel zusammen mit somatosensiblen Afferenzen im Spinalnerv zum Rückenmark (Sympathikus, sakraler Parasympathikus) oder in den Hirnnerven (kranialer Parasympathikus) zu Eingängen in den entsprechenden Kerngebieten (z. B. Pressorezeptoreno N. X; periphere ChemorezeptorenoNn. IX, X). Die afferente Organisation entspricht der somatosensiblen, d. h. das afferente Neuron ist im Spinalganglion oder in den Hirnnervenkernen gelegen.

14.1.1 Funktionelle anatomische

Organisation des VNS . Abbildung 14.1 zeigt den Aufbau des klassischen VNS

in Sympathikus (thorakolumbaler Bereich) und Parasympathikus (kraniosakraler Bereich) sowie periphere Umschaltstationen und Faserverläufe einiger Organe. . Tabelle 14.1 fasst die sympathische und parasympathische efferente Innervation, die Ganglien und die wesentlichen Organwirkungen zusammen. Merke Wesentliche Ausnahmen des allgemeinen Schemas sind: 4 Schweißdrüsen: sympathische Innervation, aber Transmitter ist ACh (muskarinerge Rezeptoren). 4 Nebennierenmark: sympathische Innervation chromaffiner Zellen des NNM setzt (Nor-)Adrenalin frei. Transmitter ist hier ACh, der Rezeptor ein nACHR. Das NNM nimmt die Rolle des peripheren Ganglions ein!

14

1155 14.1 · Morphologische Grundlagen

Kranial HN III, VII, IX, X (parasympath.)

Auge Gl. lacrimalis Gl. Parotis, submandibularis sublingualis

Thorako-lumbal Th1-L3 (sympath.)

Organe in Thorax & Abdomen Grenzstrang

NNM Gefäße

Sakral S2-S4 (parasympath.)

Schweißdrüse Noradrenalin Rektum, Sigmoid, Urogenitaltrakt

ACh

. Abb. 14.1. Zentrale und periphere Organisation von Sympathikus (thorakolumbaler Bereich) und Parasympathikus (kraniosakraler Bereich). Die präganglionären sympathischen Fasern werden entweder in paravertebralen Grenzstrangganglien oder prävertebralen (mesenteriale, hypogastrische,

pelvine) Ganglien organfern auf postganglionäre Neurone umgeschaltet. Die parasympathische Umschaltung erfolgt organnah entweder in pelvinen intramuralen oder kranialen parasympathischen Ganglien (detaillierte Auflistung . Tab. 14.1)

Verlauf efferenter sympathischer peripherer Fasern Präganglionäre sympathische Neurone liegen im Seitenhorn (intermediolaterale Kolumne) des Rückenmarks (Th 1‒L3). Die Axone der sympathischen Neurone treten aus der Vorderwurzel aus und verlaufen zunächst zusammen mit somatomotorischen Fasern der D- und J-Motoneurone im Spinalnerven als Ramus communicans albus (myelinisierte B-Fasern, ~10 m/s, weiß!) zum nächsten paravertebralen Ganglion. Paravertebrale Ganglien bilden den sympathischen Grenzstrang über Th 1‒L3 hinaus (z. B. Gg. cervicale superior). Die ankommenden präganglionären sympathischen Axone haben im Ganglion genau eine von drei Möglichkeiten: 4 synaptische Umschaltung auf postganglionär im selben segmentalen paravertebralen Ganglion. 4 Durchzug zu anderen Segmenten und Verschaltung dort im paravertebralen Ganglion. 4 Durchzug zu prävertebralen Ganglien der Aorta und im Splanchnikusgebiet (z. B. Mesenterialganglien) und Verschaltung dort.

Prävertebrale Ganglien: vor der Aorta und den großen

Arterien gelegen. Sie wirken allgemein modulatorisch auf das ENS ein. Postganglionäre sympathische Neurone: Austritt der

postganglionären Axone aus den paravertebralen Ganglien als Ramus communicans griseus (nichtmyelinisiert, grau!). Der weitere Verlauf erfolgt im Spinalnerv. Bei Austritt aus prävertebralem Ganglion erfolgt der Verlauf in Splanchnikusnerven. Merke Die sympathische Umschaltung von prä- auf postganglionär erfolgt organfern im Grenzstrang oder prävertebralem Ganglionopostganglionäre sympathische Axone sind lang!

Verlauf efferenter parasympathischer peripherer Fasern Präganglionäre parasympathische Neurone liegen in den Kerngebieten von Medulla, Pons, Mittelhirn und Sakralmark (S2–S4). Die zugehörigen Axone verlaufen

1156

Kapitel 14 · Vegetatives (autonomes) Nervensystem

. Tab. 14.1. Vegetatives Nervensystem: efferente Innervation durch Sympathikus und Parasympathikus, deren Ganglien und Wirkungen am Organ

Sympathikus

Organ

Parasympathikus

Auge Th1

Ggl. cervicale sup.

M. dilatator pupillae (Mydriasis) M. ciliaris (Merke: schwache sympathische Innervation vorhanden!) M. levator papebrae (Lidheber)

M. constrictor pupillae (Miosis) M. ciliaris (Akkomodation)

Ggl. ciliare

N. III (Nc. EdingerWestphal)

–

Gl. lacrimalis (Tränensekretion)

Ggl. pterygopalatinum

N. VII

Salivationn (m1-Cholinozeptoren: wässriger Speichel)

Ggl. submand. Ggl. oticum

N. VII N. IX

neg. chronotrop, dromotrop (m2o GiβJoGIRK K+-AktivierungoEm hyperpolarisiert),

Intrakardiale Ganglien

N. X

–

Speicheldrüsen Th1

Ggl. cervicale sup.

Salivationn (β2-Adrenozeptoren: visköser Speichel) Herz

Th1–Th5

Physiologie

Th1–L3

Paravertebrale Grenzstrangganglien und Ggl. stellatum

Para- und prävertebrale sympathische Ganglien

pos. chronotrop, dromotrop (β1oGDs ocAMPn) pos. inotrop (cAMPn und L-Typ Ca2+-Kanäleo[Ca2+]in), pos. lusitrop (cAMPn oPhospholambanInaktivierungoSERCAAktivitätn)

leicht neg. Inotrop (nur Atria) (m2o GDiocAMPpo [Ca2+]ip)

Gefäße Vasokonstriktion

Vasodilatation

Noradrenalin (D1oGDqoIP3/DAGn o[Ca2+]in) (D2oGDioACpo cAMPpoMLC-Kinasen) oKontraktion glatter Muskelzellen der meisten Gefäße

Acetylcholin (m2-Rezeptor präsynaptisch noradrenerge NeuroneoGDioACp ocAMPp) (m3-Rezeptor EndotheloGDq oIP3/DAGn o[Ca2+]in,PLCno NO-SynthesenoRelaxation Myozyt) oVasodilatation erektiler, intestinaler, rektaler und einiger zerebraler Blutgefäße bei intaktem Endothel

Pelvine Nn. splanchnici

S2–S4

–

–

–

Niere und Nebenniere Th9–Th10

Ggl. aortico-renale

Niere: Reninfreisetzungn, Na+-Resorpt.n, arterioläre Konstriktion (efferent>afferent), RPFp, GFR (p)

14

1157 14.1 · Morphologische Grundlagen

. Tab. 14.1 (Fortsetzung)

Sympathikus

Organ

Th11

NNM: Sekretion Adrenalin und Nordarenalin enterochromaffine Zellen

Präganglionäre Fasern

Parasympathikus –

–

–

Darmmotilitätn Vasodilatation intestinal und rektal, Magensaftsekretionn, Gallensekretionn

Plexus coeliacus Nn. splanchnici pelvici

N. X

Nn. splanchnici pelvici

S2–S4

Gastrointestinaltrakt ~Th5–L2

Ggl. mesent. sup./inf. Ggl. coeliacum

Darmmotilitätp

S1–S3

Urogenitaltrakt L1, L2 (L3)

Plexus pelvicus

Ggl. mesent. inf.

Blase: Relaxation M. detrusor (β2) Kontraktion innerer Sphinkter (D1-Rezeptor)oKontinenz

Blase: Kontraktion M. detrusor (m-Rezeptoren, direkt!) Relaxation innerer Sphinkter (indirekt: ACh hemmt NA-Ausschüttung postganglionärer adrenerger Neurone!)oMiktion

Genital: Mann: Ejakulation

Genital: Mann: Erektion, Sekretion Frau: Klitorale Vergrößerung, Sekretion

Frau: Kontraktionen

Nn. splanchnici pelvici

β1/2: β-adrenerge Rezeptoren. α1/2: α-adrenerge Rezeptoren. m1–5: muskarinerge Rezeptoren (ACh). Gαs,i,q: α-Untereinheit Gs,i,q-Protein. Gi,s,qβγ: βγ-Untereinheit Gs,i,q-Protein. cAMP: zyklisches AMP. GIRK: G-Protein vermittelte ›inward rectifier‹ K+ Kanäle. Em: Membranpotenzial. [Ca2+]i: intrazelluläre Ca2+-Konzentration. MLC: Myosin-Leicht-Kette. PLC/DAG: Phospholipase-C/Diacylglycerol. NNM: Nebennierenmark. Ggl. Ganglion. SERCA: sarko-endoplasmatisch-retikuläre Ca2+-ATPase.

im N. III, N. VII, N. IX, N. X und in pelvinen Splanchnikusnerven. Die Umschaltung auf postganglionäre Neurone erfolgt in terminalen Ganglien. Organverteilung . Tabelle 14.1. Merke Parasympathische Umschaltung erfolgt organnahoparasympathische postganglionäre Axone sind kurz!

Afferenzen verlaufen entweder zusammen mit Spinalnerven (z. B. sympathische Afferenzen) oder pelvinen Nerven (sakraler Parasympathikus) zur Hinterwuzel des Rückenmarks (RM) oder mit Hirnnerven (v. a. N. IX, X) zu kranialen Hirnstammkerngebieten. Die zugehörigen Neurone liegen im ersten Fall im Spinalganglion, im letzteren in Hirnnervenganglien (z. B. Ggl. nodosum, petrosum). Merke

Verlauf afferenter sympathischer und parasympathischer Fasern Afferenzen

Der prinzipielle Aufbau der afferenten vegetativen Fasern für das klassische VNS entspricht dem der somatischen Afferenzen (7 Kap. 16). Die Axone vegetativer

Der überwiegende Teil der vegetativen Afferenzen ist marklos. Für die Afferenzen existiert keine streng fixe Anordnung vergleichbar der efferenten Bahnen bzgl. Anzahl der Umschaltungen und Transmitter.

1158

Kapitel 14 · Vegetatives (autonomes) Nervensystem

Afferent vegetative Qualitäten lassen sich grob einteilen in: 4 »Klassisch vegetative« physiologische Organafferenzen: Physiologische, vegetative Reize der Presso-, Baro- (Dehnungszustand innerer Organe), Osmo- (Osmolarität), Chemo- (pO2,pCO2, pH) oder Temperaturrezeptoren werden in der Regel in parasympathischen Nerven geleitet. 4 »Unphysiologische« nozizeptive Organafferenzen: Starke Organreizungen äußern sich in Schmerzreizen. Afferenzen der meisten viszeralen Nozizeptoren verlaufen zusammen mit sympathischen Nerven und werden im Hinterhorn des Rückenmarks umgeschaltet. Merke Die meisten viszeral afferenten Fasern verlaufen im N. X und überwachen den Zustand der inneren Organe von Thorax und Abdomen. Der N. vagus besitzt mehr afferente als parasympathisch efferente Fasern. Viszerotopische Anordnung viszeraler Schmerzen besteht auf spinaler und Hirnstammebene, nicht jedoch im Cortex. Die spinale Topik sorgt dafür, dass der viszerale Schmerz zentral mit einem Hautareal (Spinalnerv) assoziiert wird (übertragener Schmerz).

14.2

Zelluläre und molekulare Mechanismen der Signaltransduktion im VNS

sche Transmitter- bzw. Rezeptorantagonisten werden als -lytika bezeichnet. Prüfungsfallstricke Neuromuskuläre nAChR-Antagonisten (z. B. Curare) sind keine Parasympatholytika, da die somatomotorische Innervation nicht über den Parasympathikus erfolgt!

Organwirkungen

Die Organwirkungen des klassischen VNS werden postganglionär durch die Transmitter Acetylcholin (Parasympathikus) und Noradrenalin (Sympathikus) bestimmt. Zusätzlich sympathisch auf postganglionäre Adrenozeptoren wirkt der humorale Transmitter Adrenalin, der durch Sympathikusaktivierung aus enterochromaffinen Zellen des NNM freigesetzt wird. Merke Im vegetativen Ganglion ist der Neurotransmitter immer ACh, sowohl für den Sympathikus als auch für den Parasympathikus (präganglionärer Transmitter). Der Rezeptor ist ein nAChR vom Typ N2, welcher sich in der Substruktur von dem der neuromuskulären Endplatte unterscheidet (N1).

. Tabelle 14.2 fasst die Charakteristika der sympathi-

schen/parasympathischen efferenten Innervation und Transmitter zusammen. Merke

14.2.1 Synaptische Übertragung Pharmakologische Transmitter- bzw. Rezeptoragonisten werden als -mimetika bezeichnet, pharmakologi-

ACh wirkt postsynaptisch an cholinergen, NA und Adrenalin an adrenergen Rezeptoren.

Physiologie

. Tab. 14.2. Zusammenfassung von Lokalisation, Myelinisierung, Transmitter und Rezeptoren des parasympathischen und sympathischen VNS

Sympathisch präganglionär

Sympathisch postganglionär

Parasympathisch präganglionär

Parasympathisch postganglionär

Zellkörper

Seitenhorn, RM Th1– L3

Prä- und paravertebrale Ganglien

Hirnstamm, Sakralmark

terminale Ganglien, organnah

Myelinisierung

Ja

nein

ja

nein

Neurotransmitter

ACh

NA (cave: Schweißdrüse!)

ACh

ACh

Postsynapt. Rezeptor

nAChR (N2) (ionotroper Kationkanal)

adrenerg (D1, D 2, β1, β2, β3)

nAChR (N2) (ionotroper Kationkanal)

mAChR (metabotrop, G-Protein vermittelt)

1159 14.2 · Zelluläre und molekulare Mechanismen der Signaltransduktion im VNS

14.2.2 Informationsübertragung von post-

ganglionären Axonen auf Zielorgane Cholinerge Rezeptoren Nikotinerge cholinerge Rezeptoren: nAChR, z. B. neuromuskuläre Endplatte (N1), postsynaptische Membran des peripheren Neurons in den parasympathischen und sympathischen Ganglien (Umschaltung prä- auf postganglionär, N2), haben eine ionotrope Wirkung, d. h. sie aktivieren unspezifische Kationenkanäle mit Membrandepolarisation.

14

zellen. Die meisten Gewebe exprimieren mehrere Rezeptortypen gleichzeitig, »Down- und Up«-Regulation (dynamische Abnahme/Zunahme der Rezeptorkonzentration) sind möglich und beeinflussen den Transmittereffekt. Merke Viele parasympathisch innervierte glatte Muskelzellen (oBronchien, Blutgefäße, Schwellkörper) besitzen hohe Dichten an m1/m3-AChR, deren Aktivierung zu Erhöhung von [Ca2+]i führt (z. B. Bronchokonstriktion (oAtemwegswiderstandn).

Merke Ganglionäre nAChR (N2) werden durch ACh, Nikotin, Tetra-Methyl-Ammonium stimuliert, durch Hexamethonium (»Ganglienblocker«) blockiert. Es gibt klinisch keine Indikation für ganglionäre nAChR-mimetika/-lytika, da diese unspezifisch das VNS beeinflussen!

Muskarinerge cholinerge Rezeptoren: m1‒m5-AChR

KLINIK Atropin: Unspezifischer m1–m5-Antagonist (Parasympatholytikum); systemische Applikation wirkt anticholinerg mit Mundtrockenheit, »Sicca«Symptomatik (= trockene Augen), Tachykardie, Aufhebung einer Bradykardie. Atropin ist wichtiges Notfallmedikament bei bradykarden Rhythmusstörungen und bei Reanimation!

haben eine metabotrope Wirkung (. Tab. 14.3). Merke Die Organverteilung der muskarinergen Rezeptoren ist sehr heterogen (. Tab. 14.1) mit post- und präsynaptischem Vorkommen im VNS. Präsynaptische m-Cholinozeptoren hemmen in der Regel als so genannte »Autorezeptoren« die weitere Transmitterfreisetzung (= negatives Transmitter-Feedback).

Prüfungsfallstricke muskarinergometabotrop, nikotinergoionotrop.

Cholinerge Wirkung: Der Effekt von ACh ergibt sich aus der Rezeptorexpression in den verschiedenen Ziel-

. Tab. 14.3. Bevorzugt ablaufende Signalkaskaden und zelluläre Wirkung der metabotropen muskarinergen Rezeptoren m1/m3/m5oGDqoPLCoIP3/DAG no[Ca2+]i n m2/m4oGDioACpocAMPp; oder βJ-Aktivierung (. Tab. 14.1) PLC: Phospholipase C. [Ca2+]i: intrazelluläre Ca2+-Konzentration. AC: Adenylatzyklase. cAMP: zyklisches AMP. G: G-Protein. IP3: Inositoltriphosphat. DAG: Diacylglycerol. βγ: modulatorische Untereinheit G-Protein-Komplex.

Alkylphosphatvergiftung: Atropin ist absolute Indikation bei Vergiftungen mit indirekten Parasympathomimetika, z. B. Alkylphosphaten, Eserin, da hier eine maximal vegetativ parasympathikotone Stoffwechsellage mit Bradykardie, Herzrhythmusstörungen, Hypersalivation, Magendarmkrämpfen und Miosis vorliegt (oDiagnostik: stecknadelkopfgroße Pupillen!). Asthma bronchiale: Asthma bronchiale ist primär eine entzündliche Erkrankung mit sekundären Bronchospasmen, welche durch inflammatorische Mediatoren (z. B. Zytokine, Leukotriene, Histamin) ausgelöst werden (intrazelluläres [Ca2+]in) und nicht durch erhöhte ACh-Wirkung an m-Cholinozeptoren! Daher werden bei der Therapie des Asthma bronchiale auch keine Parasympathikolytika angewandt (osystemische Nebenwirkungen!), sondern β2-Sympathomimetika (s. u.) bzw. Phosphodiesterasehemmer (diese erhöhen cAMPoBronchodilatation, . Tab. 14.1). Jedoch sind inhalative Anticholinergika indiziert bei nichtentzündlich chronisch erhöhtem Atemwegswiderstand (z. B. bei COPD = chronic obstructive pulmonary disease).

Adrenerge Rezeptoren Rezeptorenklassen: Adrenerge postsynaptische Rezeptoren der Erfolgsorgane gliedern sich in D- und

1160

Kapitel 14 · Vegetatives (autonomes) Nervensystem

β-Rezeptoren. Aufgrund pharmakologischer Wirkungen erfolgt Untergliederung in D1-, D2-, β1-, β2- und β3-Rezeptoren. Merke D2-Rezeptoren kommen auch präsynaptisch als »Autorezeptoren« vor. Sie hemmen die weitere Transmitterfreisetzung sowohl aus den eigenen, postganglionär sympathischen Nervenendigungen, als auch die ACh-Freisetzung evtl. benachbarter postganglionärer parasympathischer Nervenendigungen (negativer Transmitterfeedback, s. u.). Präsynaptische β2-Rezeptoren steigern die NA-Freisetzung.

Alle adrenergen Rezeptoren entfalten ihre Wirkung metabotrop über G-Proteine (. Tab. 14.4). Merke Aktivierung aller β-Rezeptoren führt immer zu Erhöhung von cAMP!

Aktiviert werden adrenerge Rezeptoren endogen durch die Sympathomimetika Noradrenalin (Neurotransmitter des Sympathikus) und Adrenalin (Hormon des NNM). Prüfungsfallstricke Adrenalin ist kein Neurotransmitter des Sympathikus, wohl aber medullärer Effektor der Sympathikusaktivierung des NNM. Als sympathikusvermitteltes Hormon wirkt es dann auf dem Blutweg auf adrenerge Rezeptoren.

Die Affinitäten beider Agonisten auf die Rezeptoren ist unterschiedlich (. Abb. 14.2).

Merke Noradrenalinohöhere Affinität zu D-Rezeptoren als zu β-Rezeptoren. Adrenalinohöhere Affinität zu E-Rezeptoren als zu D-Rezeptoren (zu merken: ND$E «Naß«).  D1- und β1-Rezeptoren kommen nur auf der postsynaptischen, D2- und β2-Rezeptoren sowohl auf der postsynaptischen als auch auf der präsynaptischen Membran vor (. Tab. 14.5)

Wirkungsmuster: Die adrenerge Wirkung von NA oder

Adrenalin hängt letztlich von der Rezeptordichte, der Rezeptordynamik (s. u.) und der organspezifischen Verteilung der verschiedenen Rezeptoren ab. Es ist falsch zu sagen, Adrenalin wirke in niedrigen Konzentrationen nur auf β-Rezeptoren und in hohen nur auf D-Rezeptoren, da ein einzelner Rezeptor nicht »weiß«, wie hoch die Konzentration von Adrenalin im Extrazellulärraum ist! Es ist vielmehr so, dass bei niedrigen Adrenalinkonzentrationen zunächst die β-Rezeptoren gesättigt werden (höhere Affinität) und Adrenalin in physiologischen Dosen vasodilatatorisch wirkt (β2), gleichzeitig aber über β1-Rezeptoren den kardialen Output erhöht (Schlagvolumen×Herzfrequenz [SV×HF]). Erst, wenn β-Rezeptoren überwiegend abgesättigt sind, wirkt Adrenalin vermehrt über D1-Rezeptoren (Vasokonstriktion). KLINIK Warum ist Adrenalin ein Notfallmedikament zur Reanimation? Die applizierte Dosis ist um Größenordnungen höher als die physiologische und führt zu Vasokonstriktion! Die Vasokonstriktion ist hier wichtiger als die β-Wirkung am Herzen bei niedriger Dosis, da dem Schockpatienten der periphere Perfusionsdruck fehlt. Es hat keinen Sinn, das Herzzeitvolumen (HZV) zu stimulieren (SVxHF), wenn dieses in einem TPR von Null »versiegt«.

. Tab. 14.4. Signalkaskade und zelluläre Wirkung der metabotropen adrenergen Rezeptoren D1oGDqoPLCoIP3/DAGno[Ca2+]in

14.2.3 Synthese und Abbau der cholinergen

und adrenergen Überträgerstoffe

Physiologie

D2oGDioACpocAMPp oder βJ-Aktivierung βoGDsACnocAMPnoPKAn

Acetylcholin

βoGDsoACnocAMPnoPKAn

Synthese und vesikuläre Verpackung von ACh findet in terminalen Nervenendigungen statt. Die vesikuläre ACh-Konzentration beträgt ~150 mM (6000–10.000 Moleküle pro Vesikel). Die Synthese erfolgt außerhalb des Vesikels aus Cholin und Acetyl-CoA durch Cholinacetyltransferase. Der Transport in die Vesikel geschieht

βoGDsoACnocAMPnoPKAn PLC: Phospholipase C. [Ca2+]i: intrazelluläre Ca2+-Konzentration. AC: Adenylatzyklase. cAMP: zyklisches AMP. PKA: Proteinkinase A.

1161 14.2 · Zelluläre und molekulare Mechanismen der Signaltransduktion im VNS

14

Symp. NE Adrenalin (aus Blut)

–

α2

NA

Membran

α1

+

PLC

–

Gi

H+ IP3

PIP2

α2

PMCA Gq

Präsynapt. Autohemmung

Ca2+

β2

+

Gs

AC

+

ATP cAMP +

PKA

PKA * ATP

CaM MLCK

Ca2+

+

ADP

MLCK

ER

Pi

MLCK inaktiv → Dilatation Ca2+-CaM

MLCK ATP ADP

Pi

MLC-Pi Kontraktion

. Abb. 14.2. Adrenerge Rezeptorwirkungen an der glatten Muskulatur. D1-Rezeptoren erhöhen [Ca2+]i. Ca2+ aktiviert über den Ca2+-CaM (Calmodulin) Komplex die MLCK (Myosin-LightChain-Kinase). Die Phosphorylierung der MLC initiiert den Querbrückenzyklus im glatten Muskel. β2-Rezeptoren führen über cAMP-Erhöhung und Proteinkinase A (PKA)-Aktivierung zu Phosphorylierung und Inaktivierung der MLCKoRelaxation. Ferner wird eine PMCA (plasmalemmale Ca-ATPase)

aktiviert, welche [Ca2+]i erniedrigt. D2-Rezeptoren wirken an der Muskelzelle nicht direkt dilatatorisch, da sie cAMP erniedrigen und die Inaktivierung der MLCK gehemmt wird. Der dilatatorische Effekt kommt durch Autohemmung (präsynaptische D2-Rezeptoren hemmen NA-Freisetzung und damit D1-Wirkung) sowie zentrale Wirkung (Hemmung Sympathikotonus im Nc. Tractus solitarii) zustande. NE: Nervenendigung. PKA*: aktivierte PKA

durch einen ACh-H+-Austauscher, nachdem Protonen vorher primär-aktiv durch eine ATPase in die Vesikel gepumpt wurden. Nach der Freisetzung (7 Kap. 12) erfolgt die AChInaktivierung durch ACh-Esterase im synaptischen Spalt.

erfolgt dann postsynaptisch und präsynaptisch (D2-negatives Feedback >β2-positives Feedback; Affinität beachten!). Die Inaktivierung erfolgt durch aktive Wiederaufnahme (~90%) in Varikosität und Vesikel. Nichtvesikuläres NA wird durch Monoaminooxidase desaminiert (odurch MAO-Hemmer blockierbar! [MAO: Monoaminooxidase]). 10% des NA werden ins Blut aufgenommen und in der Leber durch Katechol-OMethyl-Transferase (COMT) methyliert und weiter zu Vanillinmandelsäure abgebaut.

Noradrenalin

Synthese und Inaktivierung von NA findet in noradrenergen Neuronen statt. Die Synthese von Adrenalin aus NA findet nur im NNM statt. Tyrosin wird aus dem Blut in das Terminalretikulum der sympathischen Nervenendigung aufgenommen und zu NA umgewandelt. Der Transport in Speichervesikel erfolgt durch ATP und benötigt Mg2+. Freisetzung (Exozytose) erfolgt durch Depolarisation, die Transmitterwirkung

1162

Kapitel 14 · Vegetatives (autonomes) Nervensystem

. Tab. 14.5. Organspezifische prä- und postsynaptische Adrenozeptorenverteilung, Rezeptorwirkung sowie Agonisten- und Antagonistenwirkungen

Adrenozeptor

Vorkommen

Agonisten

Antagonisten

α1

Postsynaptische Membran: v. a. glatter Muskel (Gefäße, Uterus, Ureter, Sphinkteren) oKontraktion

NA>Adrenalin: Notfallmedikament im Schock, Hypotonie, Reanimation. oRR-Anstieg, Tachykardie, Arrhythmie. Phenylephrin (lokale Anwendung zum Abschwellen der Schleimhaut durch Vasokonstriktion, z. B. Nasentropfen), Mydriatikum.

z. B. Prazosin, Phentolamin oAntihypertensivum oVasodilatation, Nachlastsenkung, z. T auch Vorlastsenkung Notfallmedikament bei hypertoner Krise (z. B. Katecholaminexzess, Phäochromozytom = katecholaminproduzierender Tumor)

Präsynaptische Membran: sympathische und parasympathische Nervenendigung (Autohemmung)

Clonidin: präsynaptisch wirkendes Antisympathotonikum oStimulation präsynaptischer D2-R. hemmt NA-Freisetzung (Autohemmung) oantihypertensive Wirkung v. a. zentralnervös: Stimulation postsynaptischer D2-R. (NTS) hemmt peripheren Sympathikotonus

Manche Alkaloide, z. B. Yohimbin. Klinisch nicht gebräuchlich.

α2

Postsynaptische Membran: Pankreas (Insulinp), Darmlängsmuskulatur (Erschlaffung), Fettgewebe (Lipolysep) β1

Postsynaptische Membran: Herz (positiv inotrop), JGA Niere (Reninn)

Adrenalin>NA, »kardioselektive β-Mimetika« (Dobutamin, Isoproterenol), Medikamente der Intensivstation (akute Herzinsuffizienz, Pumpversagen).

Kardioselektive β-Blocker: Metoprolol, AtenololoSympathikuswirkungp Indikation: Tachyarrhythmien, Sekundärprophylaxe nach Herzinfarkt (kardialer O2-Verbrauchp)

β2

Präsynaptische Membran: sympathisch (nur!) Nervenendigung (NA-Freisetzungn)

Adrenalin > NA, so genannte »bronchoselektive E-Mimetika« (klassische Asthmamedikamente, Sprays!): Terbutalin, Fenoterol, Salbutamol. Indikationen: Asthma bronchiale (Bronchodilatation), Tokolytika ( Wehenhemmer)

z. B. Butoxamin klinisch nicht eingesetzte Stoffe

Adrenalin>NA

klinisch nicht eingesetzte Stoffe

Postsynaptische Membran: Pankreas (Insulinn), Darmlängs-, Bronchialmuskulatur (Erschlaffung), Sphinkteren (Erschlaffung), Fettgewebe (Lipolysen) β3

Postsynaptische Membran: Fettzellen (Lipolysen)

NA: Noradrenalin, JGA: Juxtaglomerulärer Apparat, NTS: Nc. tractus solitarii.

Physiologie

Anwendung

Indirekte Sympathomimetika/-lytika beeinflussen die Synthese- und Inaktivierungswege von NA. 4 Indirekte Sympatholytika: zentralnervös und präsynaptische Angriffspunkte (Synthese, Speicherung, Freisetzung). Antisympathotonika haben antihypertensive Wirkung! 5 Reserpin hemmt die vesikuläre NA-Aufnahme durch ATPase-Hemmung der Protonenpumpe ozentraler NA-Mangel mit Nebenwirkungen: Sedation, Depression, Appetitsteigerung. 5 Clonidin stimuliert präsynaptisch D2-Rezeptoren und hemmt dadurch die NA-Freisetzung.

Stimulation postsynaptischer D2-Rezeptoren im Nc. tractus solitarii senkt den peripheren Sympathikotonus. 4 Indirekte Sympathomimetika: prä- und postsynaptischer Angriff durch Aufnahme-, MAO- und COMT-Hemmung. Damit erfolgt eine Erhöhung der NA-Wirkung! 5 Die periphere Wirkung entspricht erhöhter Sympathikuswirkung. 5 Zentralnervöse Wirkung: psychische Veränderung, Aufmerksamkeitn, Konzentrationsfähigkeitn, Appetitzügler (klassische Wirkung der Amphetamine!).

1163 14.3 · Funktionelle Organisation des VNS

– MAO-Hemmer und Wiederaufnahmehemmer (z. B. Imipramin) sind als Antidepressiva (zentraler NA-Mangelzustand) oder Antiparkinson-Medikamente einsetzbar (denn bei der Parkinson-Krankheit überwiegen zentrale cholinerge Transmitter). – COMT-Hemmer haben klinisch keine Bedeutung. Praxis: angewandte Aufnahmehemmung. Amphetamine wurden im 2.Weltkrieg bei Piloten eingesetzt (so genannte »Fliegerschokolade«!). Amphetamine wirken als zentrale Psychostimulanzien durch Abnahme der NA-Konzentration in Vesikeln; sie verfügen über ein hohes Abhängigkeitspotenzial und führen rasch zu Toleranzentwicklung.

Kolokalisation von Transmittern, Nichtklassische Transmitter im VNS Im vegetativen Nervensystem sind neben den klassischen Transmittern NA und ACh noch weitere nichtklassische Transmitter in den Nervenendigungen kolokalisiert, welche zusammen ausgeschüttet werden. Die wichtigsten sind in . Tab. 14.6 zusammengefasst. Transmittermodulation

Kolokalisation und Kotransmission modulieren die Wirkung der klassischen Transmitter. Als Beispiel bewirkt ATP eine Kontraktion glatter Muskelzellen über purinerge Rezeptoren (Purinozeptoren: P2Xoligandengesteuerter Ionenkanal; P2Y und P2UoG-Protein-gekoppelt)o[Ca2+]in). Ferner bewirkt NO Relaxation an glatten Muskelzellen. Seine Bildung erfolgt in Endothelzellen durch Stimulierung der NO-Synthase. Nach Diffusion in Myozyten erfolgt Aktivierung der Guanylylzyklase mit cGMPn. VIP (vasoaktives intestinales Peptid) bewirkt verzögerte Relaxation an glatten Muskelzellen über cAMPn oder [Ca2+]ip. . Tab. 14.6. Mit NA und ACh kolokalisierte nichtklassische Transmitter im VNS

Klassische Transmitter

Kolokalisierte Transmitter

NA

ACh, NO, ATP, VIP, Neuropeptid Y, Opioid Peptide

ACh

Substanz P, CGRP

VIP: vasoaktives intestinales Peptid. CGRP: calcitonin-gene related peptide.

14.3

14

Funktionelle Organisation des VNS

14.3.1 Vegetative Steuerung Efferent somatomotorische Innervation

Die somatomotorisch efferente Innervation von Skelettmuskulatur ist rein exzitatorisch (»jawohl!«). Der Transmitter ist ACh und bewirkt postsynaptisch durch Bindung an nACh-Rezeptoren ein exzitatorisches postsynaptisches Potenzial (EPSP; 7 Kap. 12.4.5). nAChR des Skelettmuskels werden durch Muskelrelaxanzien blockiert. Efferent vegetative Innervation

Im Gegensatz zur somatomotorischen finden sich bei der efferenten Innervation der Organe im vegetativen NS (. Tab. 14.1): 4 antagonistische Wirkungen Sympathikus/Parasympathikus, z. B. Pupille, Lunge, Herz, Gastrointestinaltrakt. 4 synergistische Wirkungen Sympathikus/Parasympathikus, z. B. in Speicheldrüsen. 4 alleinige Innervation durch Sympathikus: z. B. Schweißdrüsen (postganglionär ACh), Leber (postganglionär Noradrenalin: Glycogenstoffwechsel, Gluconeogenese), NNM (präganglionär sympathischonAChR!), Niere (sympathischer Einfluss auf GFR, RBF, prä- und postglomerulärer Widerstand, 7 Kap. 9), Blutgefäße (Vasokonstriktion). 4 alleinige Innervation durch Parasympathikus: z. B. Tränendrüse. KLINIK Nebenwirkung vieler Anticholinergika: trockener Mund, z. B. bei Therapie von Koliken mit N-ButylScopolamin (Buscopan£).

Merke Ausnahme der sympathischen Gefäßinnervation sind erektile Gefäße des Schwellkörpers, Speicheldrüsengefäße sowie regionale Gefäße im Gehirn. Hier wird über muskarinerge Cholinozeptoren parasympathisch eine Vasodilatation bewirkt!

Rezeptordynamik

Die Rezeptordichte/-sensitivität kann durch das Transmitterangebot erhöht (Up-Regulation) oder erniedrigt (Down-Regulation) werden.

1164

Kapitel 14 · Vegetatives (autonomes) Nervensystem

Merke Hohes TransmitterangebotoDown-Regulationo Begrenzung der TransmitterwirkungoAdaptation. Niedriges TransmitterangebotoUp-RegulationoErhaltung der Sensitivität.

Adrenerge Organwirkung ist nicht gleich adrenerge Organwirkung

Die adrenergen Organwirkungen des Katecholamins Adrenalin und des Neurotransmitters NA hängen von der spezifischen Rezeptorverteilung ab und sind an vielen Organen antagonistisch (. Tab. 14.7). Ist keine antagonistisch adrenerge Innervation vorhanden, wird die antagonistische Wirkung in der Regel (aber nicht immer: z. B. Speicheldrüsen!) durch den Parasympathikus vermittelt (z. B. Herz, Pupillenreaktion, . Tab. 14.1). Es gilt also: D- und β-Wirkungen können antagonistisch, synergistisch oder isoliert (ohne adrenerges

Pendant) sein. In isoliert adrenergen Fällen liefert zumeist der Parasympathikus die antagonistische Wirkung (. Tab. 14.1). Notfallreaktion: Adrenalin (v. a. β-Wirkung) bewirkt

eine Notfallreaktion des Körpers (»Fight-or-flightresponse«). Die Wirkungen können daraus abgeleitet werden, dass der Körper maximal auf Glucoseverfügbarkeit eingerichtet wirdodiabetogene (Glycogenolysen, Gluconeogenesen), katabole und lipolytische Wirkung. Zusätzlich wird bei dieser Notfallreaktion durch Sympathikusaktivierung lokal die β-Wirkung durch Adrenalin auf den Pankreas (Insulinsekretionn) durch NA-Ausschüttung (D-WirkungoInsulinsekretionp) aufgehoben, sodass netto keine Hypoglykämie, sondern eine Hyperglykämie resultiert. Eine Hypoglykämie würde sonst das Gehirn beeinträchtigeno(»der fliehende Körper muss nicht nur fliehen können, sondern sein Gehirn muss auch wissen, wohin!«).

. Tab. 14.7. Organspezifität D- und β-mimetischer Wirkungen

Organ

α-Wirkung

β-Wirkung

Gefäße: Koronarien Meiste Gefäße (Arteriolen)

Kontraktion (α1, spärlich vorhanden) Kontraktion (α1), v. a. Haut

Dilatation (β2>β1)! Dilatation (β2>β1), auch Gefäße in Skelettmuskulatur

Uterus

Kontraktion (α1)

Relaxation (β2>β1)

Bronchialmuskulatur

Kontraktion (α1)

Relaxation (β2>β1)

–Kontraktion (α1) –Relaxation (α2), Hemmung ACh Freisetzung cholinerger NE Kontraktion (α1)

Relaxation (β2>β1)

Magendarmtrakt: Längsmuskulatur

Physiologie

Sphinkteren

Relaxation (β2>β1)

Fettgewebe (Lipolyse)

Hemmung (α2)oantilipolytisch

Erhöhung (β2>β1)olipolytisch

Pankreas (Insulin Betazellen)

Hemmung (α2) odiabetogen, Hyperglykämie

Erhöhung (β2>β1) oantidiabetogen, Hypoglykämie

Leber (Glycogenolyse, Gluconeogenese)

Erhöhung (α1) oHyperglykämie, katabol

Erhöhung (β2>β1) oHyperglykämie, katabol

Skelettmuskel (Gluconeogenese)

–

Erhöhung (β2>β1) overmehrte Laktatbildung!

Speicheldrüsen

Erhöhung HCO3 –-Sekretion (nur α1)

Erhöhung Amylasesekretion (nur β1)

Niere (Reninsekretion)

–

Erhöhung (β2>β1)

M. dilatator pupillae

Kontraktion (α1)

–

Mastzellen (Histaminsekretion)

Erhöhung (α2)

Hemmung (β2>β1)oMastzellstabilisatoren!

Herz

–

β1: pos. inotrop, chronotrop, dromotrop

NE: Nervenendigung-

1165 14.3 · Funktionelle Organisation des VNS

Sympathikus und Parasympathikus modulieren das enterische NS (7 Kap. 7.6) Enterisches NS umfasst Ganglienzellen im Plexus myentericus (Auerbach) und submucosus (Meißner). ParasympathikusoMuskeltonusn, Peristaltikn, Drüsensekretionn(m-Cholinozeptoren). SympathikusoMuskeltonusp, Peristaltikp, Drüsensekretionp, Vasokonstriktion, Durchblutungp Merke An Sphinkteren im Magendarmtrakt wird der Sphinktertonus konstriktorisch vom Sympathikus über D1-Rezeptoren bestimmt.

14

Pupillenreflex Regelgröße ist die auf die Retina einfallende Lichtmenge. Der Pupillenreflex besteht aus afferentem (7 Kap. 17.4) und efferentem Schenkel (. Tab. 14.8). Die Pupillengröße wird efferent durch Sympathikus (Mydriasis) und Parasympathikus (Miosis) geregelt. Vom afferenten Teil der Sehbahn bestehen Verbindungen zum Hypothalamus und zum Nc. Edinger-Westphal. Diese sind efferente Ausgangsstationen für sympathische und parasympathische Regulation (. Tab. 14.8). Merke Schreckgeweitete Pupillen sind Teil einer emotionalen Angstreaktion mit starker Smpathikusaktivierung (z. B. bei »fight-or-flight« Syndrom).

14.3.2 Vegetative Reflexe KLINIK

Gemäß der Innervationsmuster von Sympathikus und Parasympathikus gibt es rein spinal-vegetative, (z. B. Defäkations-, Miktionsreflex, genitale Reflexe) und pontine/mesencephale Reflexe (z. B. Vagusreflexe, Barorezeptoren-, Chemorezeptorenreflex). Die spinalen Reflexe können unter supraspinaler Kontrolle stehen. Prüfungsfallstricke Sympathische Reflexe werden primär spinal (thorakolumbal), parasympathische Reflexe primär pontin oder sakral geschaltet.

Wichtige vegetative Reflexe sind im Folgenden dargestellt: der Pupillenreflex, Baroreflex, gastrointestinale Reflexe, Defäkationsreflex, Miktionsreflex, viszerokutane Reflexe.

Horner-Syndrome: Ptosis, Miosis, Anhidrosis (trockene Haut der Stirn). Der häufig zitierte Enophthalmus ist ein Symptom bei manchen Primaten (eher nicht beim Menschen!) Diagnostik mithilfe von Pupillenreflexen: Beleuchtung des Auges führt zu Miosis (direkte und indirekte Reaktion). Pupillenreaktion ist wichtig in der Hirntoddiagnostik und bei Verdacht auf raumfordernde Prozesse, da N. III bei Hirndrucksteigerung lange vor Beeinträchtigung höherer zerebraler oder vegetativer Funktionen betroffen ist. Häufige Nebenwirkungen von Halluzinogenen (LSD, Ecstasy) ist eine Pupillenerweiterung. »Stecknadelkopfgroße Pupillen« (maximale Miosis) müssen an Opiatvergiftung denken lassen! Ver6

. Tab. 14.8. Effektoren und Verschaltung der für den Pupillenreflex benötigten sympathischen und parasympathischen Reflexbögen

Effektor

System

Efferente Schaltung

Adäquater Reiz

M. dilatator pupillae (Pupille groß) Mydriasis

Sympathikus

1. Neuron Hypothalamus (Axon zieht zu intermediolateraler spinaler Kolumne) oUmschaltung auf 2. Neuron (= prä-ganglionär; Axon zieht durch Ggl. stellatum zu Ggl. cervicale sup.) oUmschaltung auf 3. Neuron (= post-ganglionär; Axon zieht entlang A. carotis int.) oInnervation von Müller Lidheber, M. dilatator pupillae, Schweißdrüsen der Stirn

Abnahme retinaler Lichtmenge

M. constrictor pupillae (Pupille klein) Miosis

Parasympathikus

1. Neuron Nc. Edinger-Westphal (präganglionär) oHirnnerv III (Occulomotorius) oUmschaltung auf 2. Neuron im Ggl. ciliare (postganglionär) opostganglionäre Fasern zum M. constrictor pupillae

Zunahme retinaler Lichtmenge

1166

Kapitel 14 · Vegetatives (autonomes) Nervensystem

giftungen mit Insektiziden (Alkylphosphaten) rufen neben starker Miosis auch immer Reaktionen einer generalisierten Parasympathikusaktivierung hervor, z. B. Hypersalivation, Magendarmkrämpfe, Erbrechen, Herzrhythmusstörungen.

pathikusaktivierung und Relaxation der DarmmuskulaturoExner-Reflex (»Die sympathischere Darmwand gibt nach«). Defäkationsreflex Muskuläre Komponenten . Tab. 14.9. Miktionsreflex

Baroreflex Hirnstammreflex; Barorezeptorenafferenzen von Aorten- und Karotissinus verlaufen mit dem N. vagus zum Hirnstamm und bilden im Nc. tractus solitarii (NTS) den im Wesentlichen einzigen hemmenden Input für sympathikotone Neurone. Akuter Blutdruckabfall (z. B. Orthostase, Blutverlust) wird mit verminderter Hemmung des sympathischen Grundtonus beantwortet. Dies entspricht einer Sympathikusaktivierung. Merke Der Grundtonus des Sympathikus wird supraspinal in Kerngebieten der Pons aufrechterhalten. Ohne diesen sind sympathisch präganglionäre Neurone des Rückenmarks nicht oder nur gering aktiv.

Gastrointestinale Reflexe Diese Reflexe verlaufen auf verschiedenen Ebenen; lokale und spinale Reflexeointestinointestinal, intestinokolonisch, kolokolonisch. Sie wirken als Schutzreflexe. Sympathische Schutzreflexe laufen z. B. bei Darmwanddehnung ab. Es kommt zu spinaler Sym-

Ablauf des Miktionsreflexes

Corticale und suprapontine Zentren inhibieren den Miktionsreflex durch Hemmung der präganglionären parasympathischen Neurone zum M. detrusor (muskuläre Komponenten . Tab. 14.9)! Durch intravesikulären Druckanstieg wird das Blasenvolumen akkomodativ vergrößert und der Druck durch die sympathische Relaxation des M. detrusor wieder gesenkt auf Werte um 5‒10 cm H2O (gleichzeitig steigt der Tonus des inneren Sphinkters und gewährleistet Kontinenz). Die pelvinen Splanchnikusnerven enthalten die wichtigsten Afferenzen zur Auslösung des Miktionsreflexes. Bis zu einem variablen Schwellenvolumen speichert die Blase. Bei weiterer Volumenzunahme erfolgt steiler Druckanstieg. Übersteigt dieser eine sehr variable Schwelle (interindividuell und intraindividuell verschieden), aktivieren Dehnungsrezeptoren Afferenzen zur ventrolateralen Formatio reticularis. Signalisiert das ZNS »okay« (Toilette da?), erfolgt der supraspinale Reflexbogen: Umschaltung auf absteigende spinale Efferenzen und Enthemmung der Parasympathikuswirkung führt zu Kontraktion des

. Tab. 14.9. Muskuläre Komponenten von Rektum und Blase, vegetative Innervation und Zuordnung für Kontinenz und Entleerung

Funktion

Physiologie

Kontinenz Füllphase

Entleerung

Muskeln Rektum und Anus

Muskeln Blase und Sphinkter

Sympathikus (Kontinenz)

Sympathikus (Kontinenz)

Rektummuskulatur (glatt) L1–L2oHemmung, Relaxation

Sphinkter ani internus (glatt) L1–L2otonisch kontrahiert (D1-Rez.)

M. detrusor vesicae (glatt) L1–L2–Hemmung, Relaxation

Sphinkter vesicae internus (glatt) L1–L2otonisch kontrahiert (D1-Rez.)

Somatomotorisch

Somatomotorisch

Sphinkter ani ext. (Skelettmuskel) S2–S4oN. pudendusoKontraktion (neuromuskulär: ACh, gehört nicht zum VNS !)

Sphinkter vesicae ext. (Skelettmuskel) S2-S4oN. pudendusoKontraktion (Neuromuskulär: ACh, gehört nicht zum VNS !)

Parasympathikus (Defäkation)

Parasympathikus (Miktion)

Rektummuskulatur S2–S4oKontraktion

Sphinkter ani internus S2–S4oRelaxation

Detrusormuskulatur S2–S4oKontraktion

Sphinkter vesic. int. S2–S4oRelaxation

Somatomotorisch

Somatomotorisch

Sphinkter ani ext.owillkürliche Dilatation durch suprapontine Hemmung N. pudendus

Sphinkter vesicae ext.owillkürliche Dilatation, suprapontine Hemmung N. pudendus

1167 14.3 · Funktionelle Organisation des VNS

M. detrusor und steilem intravesikalen Druckanstieg. Corticale Zentren hemmen Efferenzen im N. pudendus zu Sphincter externusoErschlaffung. Öffnung des inneren Sphinkters erfolgt hauptsächlich druckpassiv. Willkürliche Kontraktion der Bauchmuskeln unterstützt Miktion (und Defäkation) durch Erhöhung des intraabdominellen Drucks.

Es existieren auch Umkehrungen dieser Reflexe als kutanoviszerale Reflexe, z. B. Beeinflussung innerer Organe bei Akkupunktur, Akkupressur. KLINIK Head-Zonen für Myokardinfarkt sind linker Arm, Schulter, Unterkiefer (vgl. Cholezystitiso rechte Schulter). Die viszeralen Reflexe sind an die Intaktheit der peripheren Nerven geknüpft. Bei Polyneuropathien können die Reflexe abgeschwächt sein oder fehlen. Daher gilt bei diabetischer Polyneuropathie: möglich ist ein »stummer Herzinfarkt«: Schmerzen und sympathische Reaktionen können völlig fehlen!

Merke Volle Blase und kein Ausweg?oSympathikusaktivierung schafft Abhilfe (Relaxation des M. detrusor, Kontraktion des M. sphincter internus), z. B. durch Herumlaufen, »Hibbeln«.

Viszerokutane Reflexe (viszerosympathisch, viszerosensibel, . Abb. 14.3) Viszerale Afferenzen von inneren Organen können spinal umgeschaltet werden auf 4 sympathisch-vasokonstriktorische Neurone desselben Segments mit Beeinflussung von Vaso-, Pilomotorik und Sudation des entsprechenden Dermatoms. 4 Neurone der kutanen Sensibilität im zugehörigen Dermatom mit Hyperästhesie und Hyperalgesie (7 Kap. 16). 4 Neurone, die nozizeptive Afferenzen aus dem entsprechenden Dermatom ins ZNS leiten (übertragener Schmerz). Diese Dermatome für nozizeptive viszerale Organafferenzen nennt man HeadZonen (7 Kap. 16). . Abb. 14.3. Schematisch vereinfachte Darstellung viszerosympathischer und viszerosensibler spinaler Reflexe. Der Einfachheit halber sind nicht alle polysynaptischen Verknüpfungen gezeigt

Merke Spinale vegetative Reflexe sind polysynaptisch!

Querschnittsyndrom Für das Verständnis der Querschnittsymptomatik ist wichtig, dass die spinalen somatischen und vegetativen Reflexe unter tonisch inhibitorischer Kontrolle des unteren Hirnstamms stehen! Man unterteilt zeitlich nach Querschnitt 2 Phasen: 4 akutes Querschnittsyndrom (spinaler Schock): Unterbrechung aller Afferenzen vegetativer Reflexe, die unter pontiner und höherer Kontrolle stehen und für den koordinativen Reflex benötigt werden. Ab der Höhe des Querschnitts kaudal besteht eine schlaffe Lähmung mit Areflexie (Eigen- und Fremd-

Takt. Sensibilität Symp. Grenzstrang

(Hinterstrangbahn)

Schmerzbahn (Trct. Spino-thalam.)

Spinalgangl.

Symp. Ganglion Prägangl. Symp. Faser

Spinalnerv

14

Postgangl. adrenerg Viszerale Afferenz Somatosensible Afferenz

1168

Kapitel 14 · Vegetatives (autonomes) Nervensystem

reflexe!), keine Kontrolle über Miktion, Defäkation (Inkontinenz): Harnretention mit Überlaufblase. In Läsionshöhe bandförmige Hyperalgesie (Reizhyperästhesie, -algesie), kaudal Aufhebung der Sensibilität. 4 chronisches Querschnittsyndrom: Reaktivierung spinaler Reflexzentren mit fehlenden supraspinal inhibitorischen Einflüssenospastische Parese/Plegie, Hyperreflexie, Reflexblase und -darm (sakrale Reflexzentren reaktiviert, reflektorische Entleerung bei Füllung, Restharn!).

zerale Afferenzen, v. a. vom N. X, sind viszerotopisch angeordnet (respiratorisch, kardiovaskulär, gastrointestinal). Der NTS steht integrativ auch mit vielen zentralen und pontinen Kerngebieten in Kontakt. Wichtigstes sympathisches Ausgangsgebiet ist die ventrolaterale Medulla (VLM), deren Kerne die sympathische Grundaktivität des Sympathikotonus in den Hinterseitenstrangbahnen zu den präganglionären sympathischen Neuronen der intermediolateralen Kolumne vermitteln. KLINIK

14.3.3 Supraspinale pontine Kontrolle

des VNS Neben den präganglionären parasympathischen Kernen sind in der Pons viele weitere Kerngebiete an der Kontrolle des Vegetativums beteiligt. Diese umfassen den Nc. tractus solitarii (NTS), medulläre Raphekerne, Formatio reticularis, Nc. parabrachialis, ventrolaterale Medulla und Locus coeruleus. Eines der wichtigsten Kerngebiete ist der NTS, der Eingänge aller peripheren Chemorezeptoren, Barorezeptoren und nichtnozizeptive Afferenzen der Thorakal- und Abdominalorgane erhält (. Abb. 14.4). Vis-

Respirator. Motor-Kerne

Bei Sinustachyarrhythmien kann eine (behutsame!) Karotis-Druckmassage indiziert sein und schnell die Herzfrequenz normalisieren. Anwendung des Barorezeptorenreflex: Druck auf die Karotis erhöht die Impulsrate der Barorezeptoren, welche negativ auf NTS und den Sympathikotonus im VLM wirken oweitere Inhibition des peripheren Sympathikotonus mit negativ chronotroper Wirkung. Aber beachte: Karotis-Druckmassage niemals (!) beidseits durchführen, da plötzlicher Blutdruckabfall und evtl. Asystolie resultieren kann (z. B. Synkopen bei zu engen Hemdkragen!). Dies 6

Spinales Seitenhorn Prägangl. Symp. Neurone sakrale parasymp. Neurone Formatio ret.

Cortex

VLM

N. trigeminus NTS

N. facialis

Nc. ambiguus N. vagus

–

Physiologie

Pressorezeptoren

Area postrema

N. Glossopharyngeus (Chemo-, Barorezeptoren)

Raphekerne Hypothalamus

. Abb. 14.4. Projektionen von und zum Nc. tractus solitarii (NTS) zur Regulation der vegetativen Homöostase. Die Eingänge aus den verschiedenen Kerngebieten werden integrativ

Periaquäduktales Grau

verrechnet und bestimmen so den sympathischen Grundtonus in den Kernen der ventrolateralen Medulla (VLM)

1169 14.3 · Funktionelle Organisation des VNS

ist übrigens auch die Wirkung von »Handkantenschlägen« bei Selbstverteidigungstechniken. Eingänge der Chemorezeptoren (v. a. PCO2n, pHp) wirken stark aktivierend auf den Sympathikotonus. Klinisch korreliert eine Hyperkapnie und Azidose mit Atemantrieb, Tachykardie, Überleitungsstörungen, Schwitzen, Angst (»Atemnot«).

Hirnstammsyndrome (-infarkte)

Durch die spezielle Anatomie der Gefäßversorgung der Hirnstammbereiche ist die Symptomatik der Infarkte stark von der Lokalisation und dem Vorhandensein von Kollateralen abhängig und daher nicht einheitlich. Grob teilt man in Mittelhirn-, Pons- und Medulla-oblongata-Syndrome ein. Wichtig ist die Hirnnervendiagnostik zur topologischen Eingrenzung. Beispielhaft seien erwähnt: 4 Wallenberg-Syndrom (dorsolaterales Medullaobongata-Syndrom): ipsilaterale Ausfälle der N. V, IX, X, Horner-Syndrom, Hemiataxie, 4 »Locked-in«-Syndrom: A. basilaris-Syndrom mit spastischer Tetraplegie, Bulbärparalyse (Unfähigkeit zu sprechen, zu schlucken), Strecksynergismen, aufgehobener Kornealreflex. KLINIK Beim »Locked-in«-Syndrom sind Bewusstsein, Hören, Sehen und Sensibilität intakt. Es bestehen keine Einschränkungen der kognitiven Fähigkeiten! Der Patient ist gefangen (locked-in) in seinem Körper, bekommt alles mit und kann sich nicht bemerkbar machen! (»schrecklich, schrecklich!« DD zu appallischem Syndrom: dort sind Bewusst6

14

sein und kognitive Funktion erloschen!). Vegetative Reflexe sind stets intakt. Appallisches Syndrom (persistierend vegetativer Zustand, »Wachkoma«). Chronische Dezerebration nach schwerer Schädigung des Neocortex oder Mittelhirnsyndrom mit erhaltener Hirnstammfunktion (Hirnstamm-Organismus). Nach Phase des Komas erwacht der Patient scheinbar wieder, ist jedoch nicht mehr fähig, zur Umwelt Kontakt aufzunehmen. Symptome: Schlaf-Wach-Rhythmus normalisiert, erhaltene Kreislauf-, Atem- und sonstige vegetative Hirnstammreflexe, leerer Blick, geöffnete Augen (bei Koma: geschlossene Augen!) ohne Fixation. Optokinetischer Nystagmus evtl. erhalten. Streckspasmen, Kontrakturen, Pyramidenbahnzeichen. Der Zustand kann über Jahre stabil sein!

14.3.4 Hypothalamische und limbische

Steuerung des VNS Vegetative Homöostase

Die suprapontine Kontrolle der vegetativen Homöostase wird im Wesentlichen vom Hypothalamus (v. a. Nc. paraventricularis) und dem limbischen System (Gyrus cinguli, parahippocampalis, paraterminalis) bewerkstelligt. . Tabelle 14.10. stellt die wichtigsten Unterschiede beider Systeme gegenüber. Merke Nahrungsmangel signalisiert »Hunger« (kephale Phase), schon vor dem Essen wird Magensäure6

. Tab. 14.10. Hypothalamische und limbische Steuerung vegetativ-homöostatischer Funktionen

Hypothalamus

Limbisches System

Projektionen zu

Raphekerne, NTS, zentrales Höhlengrau, locus coereleus, dorsale Vaguskerne, Nc. ambiguus, spinales Seitenhorn, limbisches System

Hypothalamus, Amygdala, Septumkerne, Hippokampus, Frontalhirn (wenige)

Funktion

Koordination und Integration autonomer Afferenzen: Sollwerte für Wasserhaushalt, Temperatur, Sexualität, Appetenz, Vigilanz, Motivation, zirkadiane Rhythmik oAktivierung vegetativer Regulationsmuster und Empfindungsbildung

Steuerung emotionaler Verhaltensweisen, Orientierung, Aufmerksamkeit, Lernprozesse

Hauptwirkung

Homöostatische Regulation und subjektive Empfindung (Hunger, Durst, kalt, heiß)

Aktivierung der Verhaltensmuster zur Homöostase (motorische Reaktion)

1170

Kapitel 14 · Vegetatives (autonomes) Nervensystem

sekretion und Magenmotilität aktiviert und die Durchblutung im Gastrointestinaltrakt erhöht. Wassermangel (Zunahme der Plasmaosmolalität) signalisiert Durst und aktiviert Trinkverhalten durch ADH-Ausschüttung. Wut, emotionale Erregung, Angst und Stress führt hypothalamisch gesteuert zu allgemeiner Sympathikusaktivierung mit »fight-or-flight response« (Mydriasis, RR-Anstieg, Tachykardie, Glycogenolyse etc.).

Übergeordnete Regulation des Essverhaltens

Im Hypothalamus befindet sich das »Sattheitszentrum« (ventromedialer Hypothalamus) und das »Hunger-

zentrum« (lateraler Hypothalamus). Das Essverhalten wird reguliert durch: 4 orexigene (Orexin A und B, Neuropeptid Y, Noradrenalin, GABAoHungerzentrum) und 4 anorexigene Faktoren (Cholezystokinin CCK, Corticotropin CRHoSattheitszentrum). Kurzfristige Feedbackmediatoren sind z. B. CCK (orexigene Faktorenp, anorexigene Faktorenno hemmt den Hunger) und Insulin (oGlucosepoorexigene Faktorennoverursacht Hunger). Langfristig wird das Essverhalten z. B. von Leptin aus Adipozyten reguliert, welches den Fettgehalt des Körpers widerspiegelt. Leptin reguliert orexigene Faktoren herunter und anorexigene herauf (oviel Leptin hemmt den Hunger).

Fallbeispiel

Physiologie

Ein 79-jähriger Patient klagt über zunehmende Beschwerden beim Wasserlassen. Er berichtet über schwachen Strahl, häufiges Wasserlassen kleiner Portionen (Pollakisurie). Der Urin ist stark konzentriert, der Patient berichtet, »er trinke wenig, damit er nicht häufig Wasserlassen muss«. Bei der rektalen Untersuchung fällt eine vergrößerte Prostata auf. Der Patient bekommt einen α1-Blocker, um den Tonus des inneren Blasensphinkters zu senken. Nach einem Kaffeekränzchen an einem heißen Sommertag wenige Tage später kollabiert er beim Aufstehen.

Er wird in die Notaufnahme der Inneren Medizin aufgenommen. Er zeigt stehende Hautfalten und einen Hämatokrit von 0,64. Leukos, Erys, Serum Na+ und K+ sind erhöht. Der Patient erhält eine intravenöse Infusionstherapie, unter welcher sich das Blutbild normalisiert. Er wird angehalten, eine Mindestflüssigkeitsmenge von 2 l/Tag zu sich zu nehmen, nachdem die linksventrikuläre Pumpfunktion kontrolliert wurde. In der Folgezeit stabilisiert sich der Hauttugor, Wasserlassen ist unter Fortführung der Medikation verbessert.

Physiologie

1173

15

15 Motorik Mind Map Corticale Aktivierungsschleifen: Zielgerichtete Willkür- und unwillkürliche Reflexmotorik sind auf verschiedenen Ebenen konzeptionell organisiert. Willkürmotorik setzt bestimmte Programmschleifen im Neocortex in Gang, welche in Gebieten des limbischen Systems und des Assoziationscortex ihren Ausgangspunkt nehmen und über Einbeziehung von Basalganglien und Kleinhirn Informationen bzgl. Bewegungsplan und Koordination einholen. Aktivierung der Basalganglien (Striatum) disinhibiert den motorischen Thalamus und ermöglicht das Bewegungsprogramm. Störungen der Basalganglien führen zu Erkrankungen wie Parkinson-Krankheit oder Chorea Huntington. Kleinhirn: Die Kleinhirnrinde ist wesentlich einfacher strukturiert als der Neocortex und erhält nur erregende Zuflüsse, gibt dafür aber nur hemmende Signale von den Purkinje-Zellen weiter. Dementsprechend hemmt das Kleinhirn den motorischen Thalamus. Das Resultat aus beiden Instanzen wird über Thalamus und motorischen Cortex an deszendierende Bahnen des corticospinalen Trakts übermittelt, in dem Bewegungen somatotrop organisiert sind. Störungen des Kleinhirns führen zu Ataxien oder Nystagmen. Motorische Bahnen: Der Verlauf der Bahnen in der Capsula interna prädisponiert für Halbseitenlähmungen der Gegenseite bei ischämischen Prozessen, da die in der Pyramide kreuzenden Bahnen dadurch ausfallen. Neben den Pyramidenbahnfasern entspringen auch Fasern aus Kerngebieten der Pons, welche im Rückenmark zunächst ipsilateral deszendieren. Fasern der Zielmotorik verlaufen bevorzugt im dorsolateralen System, die der Stützmotorik im ventrome-

dialen System des Rückenmarks. Synaptische Verbindungen im Rückenmark sind in der Regel polysynaptisch über Interneurone, im Falle der Feinmotorik sogar monosynaptisch zu spinalmotorischen Neuronen geschaltet. Muskelsensoren: Änderungen der Muskellänge und -spannung durch Aktivierung der Motoneurone oder passiv durch Zug werden durch die propriozeptiven Sensoren, Muskelspindel (Länge) und Golgi-Organ (Spannung), registriert. Muskeleigenreflex: Der Muskeleigenreflex ist ein monosynaptischer Dehnungsreflex, bei dem die Muskellänge des Agonisten stabilisiert werden soll. Passive Dehnung des Muskels aktiviert monosynaptisch Agonistenmotoneurone und hemmt disynaptisch Antagonistenmotoneurone. Fremdreflexe: Fremdreflexe hingegen sind immer polysynaptisch und müssen nicht segmental begrenzt bleiben. Beim Beuge- und gekreuzten Streckreflex werden z. B. durch nozizeptive Reize ipsilaterale Flexoren und kontralaterale Extensoren erregt und die jeweiligen Antagonisten gehemmt. Sinn und Zweck ist es, die Extremität durch Beugung von der Gefahr weg zu entfernen. Lokomotion ist beispielhaft eine alternierende Anwendung des Beugereflexes. Lähmungen: Ausfälle des ersten zentralen Motoneurons führen immer zu Hyperreflexie und spastischer Lähmung, Ausfälle des zweiten (spinal-peripheren) Motoneurons zu Areflexie und schlaffer Lähmung. Reflex- und Kraftprüfung sind wichtige diagnostische Maßnahmen in der Neurologie.

1174

Kapitel 15 · Motorik

15.1

Programmierung der Willkürmotorik

Programmentwurf Planung und Ablauf der Willkürmotorik ist ein komplexes Zusammenspiel neuronaler Bewegungsprogramme. Diese werden zentral durch corticale Schleifen induziert und schließlich in die peripher deszendierenden Bahnen eingespeist, um fokussiert eine oder mehrere Endmuskelgruppen zu aktivieren. Das motorische Programm wird kontinuierlich durch FeedbackMechanismen neu modifiziert, um adäquat auf Änderungen der Körper- und Gelenkstellung im Raum, mit dem Ziel erfolgsgerichteter Bewegung, zu reagieren (z. B. erfolgreiches Spielen eines Musikinstruments). Am Anfang des motorischen Programms (z. B. Spielen eines Schlagzeug-Solos) steht der Entschluss, eine zielgerichtete Bewegung durchzuführen (Motivation). Prüfungsfallstricke

Physiologie

Motivation entsteht u. a. in subcorticalen Gebieten von zentralem Höhlengrau, limbischem System, nicht im Assoziationscortex oder prämotorischen Cortex!

Corticale Motorik-Schleifen Die Umsetzung des Bewegungsantriebs (»ich spiele jetzt ein Drum-Solo«) in einen Bewegungsplan (»wie spiele ich eigentlich?«) erfolgt in Rindenfeldern des Assoziationscortex, v. a. dem posterioren parietalen Cortex (Area 5, 7) und präfrontalen Cortex. Hier werden auch somato-sensorische Informationen komplex mitverarbeitet (»wo ist eigentlich meine Hand gerade?; Wie weit zur Trommel?; Wie schwer ist der Stock?«). Der präfrontale Cortex erstellt insbesondere mögliche Bewegungsmuster, Alternativpläne und Strategien, aufgrund derer eine Bewegungsentscheidung getroffen wird (»zuerst schlage ich die Basstrommel und dann die kleine Trommel an. Klingt gut…«). Die Entscheidung wird an den prämotorischen Cortex (Area 6) weitergereicht, der das eigentliche Bewegungsprogramm (»zuerst Handgelenkflexoren, dann Extensoren aktivieren«) erstellt. Die Koordination, Aktivierung und Hemmung von cortical repräsentierten Bewegungsmustern wird von hier aus über Basalganglien- und Kleinhirnschleifen (s. u.) verarbeitet und erreicht über den motorischen Thalamus den eigentlichen motorischen Cortex (Area 4). Die hier entspringenden ersten zentralen Motorneurone machen nur ca. ein Drittel der deszendierenden Pyramidenbahnfasern aus, welche die spinalen Motoneurone ansteuern. Die restlichen Pyramiden-

bahnfasern erhalten Eingänge auch aus Area 6 (prämotorischer = supplementär-motorischer Cortex) und sensorischem Gyrus postcentralis (Area 1, 3). Die Motoneurone im Rückenmark (RM) werden z. T. direkt monosynaptisch, z. T. polysnyaptisch über Interneurone innerviert. Zusätzlich zu den beabsichtigten Muskelgruppen werden in der Regel noch eine Vielzahl weiterer Muskelgruppen aktiviert, z. B. Augenfolgebewegungen bei Änderungen der Körperorientierung, etc. Merke Die motorische Schleife verläuft wie folgt: subcorticale KerngebieteoAssoziationscortexoprämotorischer Cortex (A6)oBasalganglien, Kleinhirn (Neocerebellum!)oThalamusoMotorcortex (A4)o spinalmotorische BahnoMuskel. Basalganglien und Kleinhirn werden nicht hintereinander, sondern parallel efferent aktiviert und projizieren getrennt in den motorischen Thalamus!

Die zeitliche Abfolge von zentralmotorischen Aktivierungsmustern lässt sich durch cortical abgeleitete Potenziale nachvollziehenoPrämotorisch corticale Potenziale: 1. Bereitschaftspotenzial: ~1 s vor Willkürbewegung auftretend. Negatives corticales Potenzial, ohne deutlich regionalen Schwerpunkt. Maximum über posteriorem parietalem Cortex. 2. Prämotorpotenzial: ~100 ms vor Willkürbewegung Abklingen des bilateralen Bereitschaftspotenzials (prämotorische Positivierung). Maximum über präzentralem Cortex (Area 4/6). 3. Motorpotenzial: ~50 ms vor Willkürbewegung mit Maximum über dem Projektionsort der zu aktivierenden Muskelgruppe (kontralateraler Gyrus präcentralis!)oPyramidenbahnaktivierung. 15.2

Motorische Repräsentation auf dem Cortex

15.2.1 Primärer Motorischer Cortex (Area 4) Organisation Synonym für den primären motorischen Cortex: M1-Region. Lokalisation im Gyrus präcentralis. Es besteht enge Nachbarschaft zum prämotorischen (= supplementär-motorischen) Cortex A6 und zum somatosensorischen Cortex S1 (= Gyrus postcentralis, . Abb. 15.1). Die zentrale Repräsentation der Körpermuskulatur (eigentlich der zugeordneten Bewegun-

1175 15.2 · Motorische Repräsentation auf dem Cortex

gen!) ist auf der Area 4 somatotop. Elektrische Reizung des zentral somatomotorischen Rindenfeldes führt in den meisten Fällen zu Muskelzuckungen der Gegenseite (!). Prüfungsfallstricke Im Cortex sind nicht individuelle Muskeln, sondern Bewegungen und Bewegungsmuster repräsentiert! Die Pyramidenbahnfasern zu den spinalen Motoneuronen erhalten nicht die meisten Zugänge aus dem primärmotorischen Cortex (nur ~30%), sondern aus Area 1, 2, 3, 6 (sensorischer Cortex und motorischer Assoziationscortex!).

. Abbildung 15.1 zeigt die sensomotorischen Rinden-

felder des Neocortex, die mikroskopische 6er-Schichtung sowie die zentrale Repräsentation der Bewegungen durch kontralaterale Muskelgruppen auf Area 4. Gezeigt sind auch die deszendierend pyramidalen Bahnsysteme (Pyramidenbahn, genauer: corticospinaler Trakt). Die meisten Fasern des dorsolateralen corticospinalen Trakts (CST) kreuzen in Höhe der Pyramide zur Gegenseite, die meisten Fasern des ventromedialen CST deszendieren ipsilateral und kreuzen dann zum größten Teil im Spinalsegment. Fasern des in pontinen Kernen entspringenden extrapyramidalen Systems deszendieren ipsi- oder kontralateral. Merke Feinmotorische Muskelbewegungen sind im Humunculus überproportional groß repräsentiert (»Riesen-Hände«, großer Mund und Zunge), stammnahe Muskulatur ist sehr klein repräsentiert. Die distalen Muskelgruppen sind nahe der Falx cerebri, die Füße im Sulcus centralis, Gesicht und Hände im Bereich des temporoparietalen Cortex.

15

KLINIK Mantelkantensyndrom: meist durch gutartige Tumoren (Meningeome) im Bereich der Falx cerebri verursachte Lähmungssyndrome, einseitig (kontralateral!), beidseitig, symmetrisch oder asymmetrisch, je nach Lokalisation. Typisch sind gesteigerte Eigenreflexe (Affektion des ersten Motoneurons). Nach Tumorsanierung Rückbildung möglich.

Zytoarchitektonischer Aufbau Der motorische Cortex ist wie der restliche Neocortex in 6 Schichten aufgebaut (. Abb. 15.1). . Tabelle 15.1 fasst die wichtigsten Zellen und Eigenschaften der Schichten zusammen. Merke Ein Großteil der Fasern des corticospinalen Trakts ist unmyelinisiert (90%) und leitet langsam.

Plastizität Die Neurone des primärmotorischen Cortex sind etwa 50–100 ms vor einer intendierten Bewegung aktiv. Die Neurone kodieren hier nicht nur die Kraft einer Bewegung, sondern auch Richtung und Geschwindigkeit. Bei Hirnläsionen nimmt daher nicht nur die Kraft, sondern auch die Dynamik von Bewegungen ab. Hierbei ist dem motorischen Cortex aber eine gewisse Plastizität zuzuschreiben, welche auch beim Erwachsenen noch vorhanden ist. Bei umschriebenen Hirnläsionen im motorischen Cortexbereich können benachbarte Neurone die z. T. fehlende Motorfunktion übernehmen, indem Verbindungen zu bestehenden Fasertrakten der ausgefallenen Pyramidenzellen aussprossen. Die Plastizität des Motorcortex ist eine

. Tab. 15.1. Schichten des motorischen Cortex, Zellen und wesentliche Eigenschaften

Schicht

Zellen

Wesentliche Eigenschaften

I

Molekularschicht, kaum Zellen

i. W. Dendritenschicht (Eingänge)

II, III

Äußere Körnerschicht, Pyramidenzellen (klein), äußere Pyramidenschicht

Assoziationsfasern (ipsilateraler Cortex), Komissurenfasern (kontralateraler Cortex)

IV

Körnerzellen, Sternzellen, innere Körnerschicht

Hemmende Interneurone, Sternzellen erregend, hauptsächlich laterale Synapsen

V

Pyramidenzellen (groß), innere Pyramidenschicht

Projektion zu subcorticalen Kernen (Thalamus, Nc. ruber, Pons) und corticospinaler Trakt.

VI

Fasertrakte, Korbzellen, Spindelzellen

Hauptsächlich Fasertrakte aus oberen Schichten, nur geringe Zelldichte

1176

Kapitel 15 · Motorik

Prim. motor. Kortex A4, M1 Sulcus centralis

Prämotor. Kortex A6

Prim. Somato-sens. Kortex (S1, A1–3) Motor. AssoziationsKortex A5, 7

. Temp

x Korte

Präfront. Kortex A9, 10 Kortikobulbärer Tr. → bilat. zentrale Innervation !

Mittelhirn I II III

Pyramidenzelle (klein)

Dorsolateraler CST → kreuzen kontralateral !

Interneuron

IV

Ventromedialer CST → bleiben ispsilateral !

Pyramidenzelle (groß)

V VI Thalamus Thalamus Neokortex

Rückenmark

außerhalb Neokortex

. Abb. 15.1. Lokalisation der sensomotorischen Rindenfelder (oben links), Zytoarchitektur des sensomotorischen Neocortex (unten links) sowie zentralmotorisch somatotope Repräsentation in Area 4 (rechts). Ebenfalls gezeigt ist der Verlauf der Pyramidenbahnen im dorsolateralen corticospinalen Trakt (CST), welche im Bereich der Medulla oblon-

gata primär zur Gegenseite kreuzen, sowie des ventromedialen CST, dessen Fasern primär ungekreuzt ipsilateral deszendieren, um dann auf spinaler Ebene zu kreuzen (Betonung auf primär! Abweichungen sind möglich!). Die zentrale Innervation der Hirnnervenkerne (Trigeminus, Hypoglossus, Facialis) erfolgt bilateral durch die Fasern des corticobulbären Trakts

wesentliche Voraussetzung der Rehabilitation nach Schlaganfall oder Tumorsanierung.

Ablaufs komplexer Willkürbewegung sowie komplex koordinierter beidhändiger Bewegungen. Afferenzen kommen vom Thalamus, Basalganglien und Kommisurenfasern. Efferenzen bestehen zum primärmotorischen Cortex und direkt zu Pyramidenbahnen sowie über Komissurenfasern zur kontralateralen Cortexhälfte.

15.2.2 Prä- und supplementärmotorischer

Cortex

Physiologie

Medulla obl.

Die Lokalisation des prä- und supplementärmotorischen Cortex (PSMK, Area 6) zeigt . Abbildung 15.1. Seine Aktivierung bei Bewegungssequenzen erfolgt zeitlich vor dem Motorcortex. Allerdings entspringen auch ca. 30% der Pyramidenbahnfasern in Neuronen dieses Cortexareals, v. a. distal betonte Rumpf- und Extremitätenabschnitte, welche direkt durch Stimulation der Area 6 kontrahieren können. Die eigentlich integrative Aufgabe des PSMK liegt in der Planung des zeitlichen

15.2.3 Motorischer Assoziationscortex Die Lokalisation des motorischen Assoziationscortex (MAK, Area 8) zeigt . Abbildung 15.1. Wesentliche Aufgaben bestehen im Bereich von Strategiefindung und -änderung sowie Planung der zeitlichen Anordnung der Bewegung im Gesamtkontext (Beginn und Ende).

1177 15.3 · Efferente Projektion der motorischen Cortices

Die Verschaltungen des MAK sind diffus und reziprok. Es bestehen z. B. Verbindungen zum limbischen System, Amygdala, Komissur, parietalen und temporalen Cortex sowie medialen Thalamus. KLINIK Ausfallsymptome MAK äußern sich in unterschiedlichen Formen von Apraxie, d. h. Störung der zeitlichen Ausführung von Bewegungsmustern oder zweckgerichtetem Umgang mit Objekten (z. B. Ohrputzen mit Zahnbürste). Perseveration: Wiederholen und Verhaften an Bewegungssequenzen.

15.3

Efferente Projektion der motorischen Cortices

15.3.1 Prinzipielle Verschaltungsmuster Die wichtigsten Verschaltungen des motorischen Cortex sind in . Tabelle 15.2 aufgeführt. Prinzipiell lassen sich unterscheiden: 4 Assoziationssysteme, 4 Komissurensysteme, 4 subcorticale Schleifen und 4 subcortical deszendierende Projektionen. 15.3.2 Projektion in subcorticale Gebiete Bahnen

Efferente Fasern des motorischen Cortex projizieren ausgehend von den Pyramidenzellen (Lamina V) sowohl direkt hinab ins Rückenmark als corticospinaler Trakt (CSTodirekte Bahnen) als auch zu Thalamus (corticothalamischer Trakt), Formatio reticularis (corticoretikulärer Trakt), Hirnstammkernen (corticobulbärer Trakt) und Pons (corticopontiner Trakt)oindirekte Bahnen.

. Tab. 15.2. Afferenzen und Efferenzen der motorischen Cortices

15

Merke Der Begriff Pyramidenbahn für den CST ist physiologisch eigentlich nicht korrekt, da er die Projektionsfasern beschreibt, welche durch die Pyramide verlaufen. Hierzu gehören aber auch Teile des corticopontinen und corticobulbären Systems.

Verlauf des corticospinalen Trakts Die Pyramidenbahnfasern und der corticobulbäre Trakt verlaufen in der Capsula interna zum Mesencephalon zwischen Thalamus, lateralem Ventrikel und Basalganglien. Die somatotope Gliederung bleibt in der Capsula interna erhalten. Die ventralen Bahnen (Teil des ventromedialen Systems) enthalten bevorzugt Fasern, welche die Rumpf- und proximale Extremitätenmuskulatur innervieren (v. a. Extensorentonus!), die lateralen Bahnen (Teil des dorsolateralen Systems) bevorzugt Fasern zu distal-feinmotorischen Muskelgruppen (v. a. Flexorentonus!) (. Tab. 15.3). Der Hauptanteil der CST-Fasern kreuzt in Höhe der Pyramide zur Gegenseite. Die Lokalisation und Somatotopie ist wichtig bei der Diagnostik von Schlaganfällen, welche häufig die Fasern innerhalb der Capsula interna betreffen. Die corticobulbären Bahnen liegen am weitesten lateral in der Capsula interna. Die bilateralen Äste vereinigen sich und innervieren zusammen die oberen motorischen Hirnstammkerne (bilaterale zentrale Innervation!). Merke Der direkte corticospinale Weg über den CST ermöglicht die direkte monosynaptische Ansteuerung von peripheren Muskelgruppen, welche möglichst nicht durch indirekte Schleifen modifiziert werden sollen, z. B. individuelle schnelle Fingerbewegungen, Präzisionsbewegungen, während der indirekte Weg über Pons und Vestibulariskerne mehr das grobmotorische Gesamtbewegungsprogramm repräsentiert. Die meisten Fasern des CST sind unmyelinisiert. Fasern für distale Feinmotorik sind jedoch myelinisiert, da hier schnelle Leitung notwendig ist!

Afferenzen aus

Efferenzen zu

Spinale Umschaltung: Die corticalen Neurone der Py-

Assoziationscortex

Pyramidenbahnfasern

Kontralaterale Hemisphäre (Komissurenfasern)

PonsoKleinhirn

Kleinhirn (über ventrolateraler Thalamus) und Basalganglien

Ventrolateraler Thalamus, Basalganglien

ramidenbahn (Pyramidenzellen) bilden das »erste Motoneuron« der motorischen Efferenz. Im Rückenmark absteigend schalten einige dieser Pyramidenbahnfasern auf das spinale D-Motoneuron (»zweites Motoneuron«) um, welches peripher eine motorische Einheit innerviert. Die meisten absteigenden Bahnen

1178

Kapitel 15 · Motorik

enden jedoch vorher an prämotorisch hemmenden Interneuronen (7 Kap. 15.4), bevor diese auf die D-Motoneurone umgeschaltet werden. Anhand der Klinik können Läsionen des ersten oder »zweiten Motoneurons« gut unterschieden werden. KLINIK Läsion des ersten corticalen Motoneurons oder Pyramidenbahnospastische Parese. Läsion des »zweiten Motoneurons« (D-MN) oder peripher motorischen Nervsoschlaffe Parese.

Praxis. Der dorsolaterale CST ist bei Geburt noch nicht voll ausgebildet, z. B. kann ein Säugling keine Fingerpräzisionsbewegungen durchführen. Die Myelinisierung des Tractus corticospinalis erfolgt postpartal! KLINIK Schlaganfall: »Apoplex«; Infarkt einer Gehirnarterie, meistens A. cerebri media (Mediainfarkt). Pathophysiologisch liegt ein ischämischer Infarkt (Verschluss) oder hämorrhagischer Infarkt (Blutung) vor. Den Apoplex gibt es nicht! Es handelt sich um verschiedene intrakranielle Ischämien unterschiedlichster Ätiologie, Infarktmuster, Zeitdauer und Pathogenese. 6

Capsula-interna-Syndrom: In den allermeisten Fällen sind v. a. mediale Anteile der Kapsel betroffen und führen zu kontralateraler Lähmung von Rumpf- und proximaler Extremitätenmuskulatur (spastische Hemiparese). Durch den Ausfall des distalen Extensorentonus überwiegen die Flexoren mit allmählichen Kontrakturen (Spitzfuß! Angewinkelte Arme!). Da die Bahn des ersten Motoneurons betroffen ist, resultiert eine spastische Lähmung mit erhöhtem Muskeltonus. Proximal ist eher der Extensorentonus erhöht, distal eher der Flexorentonus. Hyperreflexie resultiert durch das Wegfallen der zentral deszendierenden Fasern, welche spinal auf (zumeist hemmende) prämotorische Interneurone schalten. Bei ausgedehnteren Infarkten sind auch die Flexoren der distalen Muskulatur betroffen. Ist auch der corticobulbäre Trakt betroffen, so ist z. B. Stirnrunzeln durch die zentrale Restinnervation von Fasern der Gegenseite noch möglich (bilaterale zentrale Innervation!).

Läsionssyndrome Symptomatik bei Unterbrechung der corticalen efferenten Projektion auf verschiedenen Höhen. Hier wird grob unterschieden zwischen: 4 Hemisphärenläsion: distal betonte Paresen mit Störung von Feinmotorik. 4 Hirnstammläsion: proximale Paresen mit Haltestörung, distale Feinmotorik wenig gestört.

Physiologie

. Tab. 15.3. Einteilung der supraspinal deszendierenden Bahnen in ventromediales System und dorsolaterales System. Beide Systeme enthalten sowohl Anteile des direkten deszendierenden Wegs (CST, Pyramidenbahnen) als auch des indirekten Wegs (extrapyramidales System)

Bahnsystem

Kerngebiete

Bahnen & Funktion

Ventromediales System

Vestibulariskerne, Formatio reticularis, Cortex Im RM ventromediale Anordnung: Regulation von Körperhaltung u. Bewegung, Feedback-Kontrolle durch vestibulo- u. reticulospinale Verbindungen

1. Lat. Tractus vestibulospinalis (Nc. Deiters): Extensorentonus, Stützmotorik 2. Tractus reticulospinalis (Formatio reticularis): Modulation der Haltemotorik 3. Ventraler Tractus corticospinalis: Extensorentonus für Rumpf, proximale Extremität, Stand-, Gangmotorik 4. Medialer Tractus vestibulospinalis: Kopfhaltung, Halsreflexe, vestibuläre Kontrolle, Koordination von Auge-Kopf

Dorsolaterales System

Motorischer Cortex, Nc. ruber, Formatio reticularis. Im RM dorsolaterale Anordnung: Regulation von Zielmotorik, v. a. distale Extremitätenmuskeln

1. Tractus rubrospinalis (Nc. ruber): zielmotorische Aktivierung distaler Flexoren 2. Tractus reticulospinalis: Hemmung interneuraler Reflexe 3. lateraler Tractus corticospinalis: polysynapt. Aktivierung Flexoren, distale Feinmotorik, monosynapt. Verbindungen für hohe Präzision einzelner Fingerbewegungen (Greifbewegungen! = Flexionen)

Tr.: Tractus. Nc.: Nucleus. RM: Rückenmark.

15

1179 15.4 · Neuronale Systeme des Rückenmarks

Läsionshöhe:

Merke

4 corticale Monoparese: Umschriebene Läsion des motorischen Cortex. 4 kapsuläre Hemiparese: Läsion auf Höhe der Capsula interna. 4 Dezerebration: 7 Kap. 15.5.3. 4 Tetraparese, gekreuzte Hirnnervenläsion bei Hirnstammläsion. 4 Tetraparese bei hoher Halsmarkläsion (Unterbrechung deszendierender Bahnen beider Seiten). 15.4

Lage der α-Motoneurone: je medialer das Motoneuron, desto proximaler der Erfolgsmuskel. Extensoren werden medialer als Flexoren innerviert. Das D-MN und seine innervierten Muskelfasern bilden die so genannte Motorische Einheit. Das Innervationsverhältnis (= Zahl der Muskelfasern pro Neuron) ist ein Maß für die Feinjustierbarkeit eines Muskels (kleines Verhältnisohohe Feinjustierung, z. B. Augenmuskeln 5–10, M. glutaeus ~ 1000).

Neuronale Systeme des Rückenmarks Nichtmotorische spinale Neurone

15.4.1 Neuronentypen und ihre Lage Spinale Motoneurone . Abbildung 15.2 zeigt die spinale Topologie wichti-

ger motorischer Neurone (z. B. D-Motoneurone) und prämotorischer Interneurone sowie beispielhafte Verschaltungen mono- und disynaptischer Reflexbögen (7 Kap. 15.4.2). Die D-Motoneurone liegen im Vorderhorn und sind hier somatotop gegliedert. Sie sind die Zielneurone der Willkürmotorik und der unwillkürlich ablaufenden Eigen-/Fremdreflexe (s. u.).

Präganglionäre Neurone des VNS (7 Kap. 14) befinden sich im Seitenhorn, Interneurone in der medialen Kolumne. Interneurone sind meist hemmender Natur und werden zwischen eine Afferenz und das motorische Erfolgsneuron geschaltet, um die zugehörige motorische Einheit zu hemmen (s. u.). Ihr Transmitter ist in vielen Fällen das inhibitorische GABA und im Sonderfall der Renshaw-Zellen Glycin (7 Kap. 15.4.5). Neurone aszendierender Bahnen (z. B. spinozerebellärer Trakt) liegen im seitlichen Hinterhorn.

Spinozerebelläre Bahnen

Cervical-Segment

Zielmotorik

α-MN Monosynapt. Reflex distal Flexoren axial α-Motoneurone

Interneurone Stützmotorik

Disynapt. Reflex

. Abb. 15.2. Neuronentypen und ihre Lage im Rückenmark. Gezeigt sind die Motoneurone des Vorderhorns und die prinzipielle Verschaltung einfacher mono- und disynaptischer Reflexbögen. Hemmende Interneurone befinden sich in der

Extensoren

proximal

axial Muskulatur

medialen Kolumne. Deszendierende Bahnen der Stützmotorik verlaufen im ventromedialen, Fasern der Zielmotorik im dorsolateralen System auf spinaler Ebene. Gezeigt ist ebenso die spinal somatotop motorische Anordnung der D-Motoneurone

1180

Kapitel 15 · Motorik

Merke Die innervierenden Motoneurone sind nicht einheitlich:  α-Motoneurone sind dick (~10 μm), leiten schnell (60–100 m/s) und versorgen die Arbeitsmuskulatur (= extrafusale Muskulatur)oSkelettomotoneurone.  γ-Motoneurone sind dünn (~5 μm), leiten langsamer (~30–40 m/s) und innervieren die intrafusale Muskulatur der Muskelspindel. Sie sind wichtig für die Einstellung des LängensensorsoFusimotoneurone.

KLINIK Läsionen des α-Motoneurons führen immer zu einer schlaffen Lähmung mit Areflexie und Muskelatrophie. EMG (Elektromyogramm): Ableitung der Aktivität motorischer Einheiten mit in den Muskel eingestochenen Nadelelektroden (Summen-Muskelaktionspotenziale ~200 μV, ~10 ms). Normal: In Ruhe keine Aktivität, mit steigender Willkürinnervation zeigt sich eine zunehmende Entladungszahl bis zu einem anschwellenden Interferenzmuster (Lehrbücher der Neurologie).

15.4.2 Reflexsysteme des Rückenmarks »Spinaler Reflex«

Stereotype efferente Reaktion, welche durch eine Afferenz ausgelöst wird. Je nach Anzahl der synaptischen Umschaltungen (afferent auf efferent) gibt es monosynaptische, di- und polysynaptische Reflexe (Interneurone als integrierende, in der Regel hemmende, Zentren). Interneurone sind viel häufiger im Rückenmark als Motoneurone (~30- bis 40-mal). Allgemein besteht ein Reflex aus Sensor, Afferenz, Reflexzentrum, Efferenz und Effektor.

Physiologie

Merke Muskeldehnungsreflexe sind Eigenreflexe und monosynaptisch verschaltet. Afferenter Sensor der Muskellänge (Spindel, s. u.) und efferenter Effektor der Muskellänge (extrafusale Fasern) liegen im selben Muskel (z. B. Patellarreflex). Die enge Beschränkung auf ein spinales Segment ermöglicht 6

eine Höhenlokalisation spinaler Schäden durch Eigenreflextestung (. Tab. 15.4). Muskelfremdreflexe sind in der Regel polysynaptisch verschaltet und verlaufen häufig über mehrere Segmente. Sensor und Effektor liegen nicht im selben Muskel (z. B. Bauchhautreflex)!

Reflexverarbeitung in interneuronalen Systemen (propriospinale Neurone)

Das spinale Reflexzentrum erhält die Afferenzen aus der Hinterwurzel oder zusätzlich von zentral deszendierenden Bahnen. Die Signale werden vor Ausgabe an Motoneurone der Vorderwurzel in propriospinalen Interneuronenzentren verarbeitet (Ausnahme: monosynaptischer Dehnungsreflex, Eigenreflex, s. u.). Sinn und Zweck ist das ›Feintuning‹ des spinalen Output durch negatives Feedback (. Abb. 15.2). Propriospinale Neurone sind Neurone, denen spinale Eigenfunktionen zugrunde liegen, wie z. B. Lokomotionsrhythmusgeneratoren oder Neurone vegetativer und somatischer Reflexe. Zum Eigenapparat zählen ferner Bahn- und Komissurenneurone aus der anderen Rückenmarkshälfte oder anderen Segmenten. Hemmungen

Nach dem Hemmprinzip unterscheidet man präsynaptische und postsynaptische Hemmung (. Abb. 15.3, . Tab. 15.5). Diese werden durch unterschiedliche Interneuronentypen und Transmitter vermittelt. Wichtig ist die durch Renshaw-Zellen vermittelte rekurrente Hemmung, welche durch Aktivierung von Kollateralen eines Motoneurons hemmend auf dieses und agonistische Motoneurone zurückwirkt. Dadurch wird eine überschießende Aktivierung des Motoneurons verhindert. Zentral deszendierende Bahnen wirken modulierend auf den Kraft-Output ein, wobei die Mehrheit der zentralen Bahnen inhibitorisch wirkt (zentrale Hemmung). Merke Das Toxin Strychnin ist ein Glycinantagonist und hemmt v. a. die rekurrente Renshaw-Hemmung. Daher leitet sich seine Wirkung als Krampfgift ab: bei der Intoxikation führt eine überschießende Agonistenaktivierung zu Muskelkrämpfen.

1181 15.4 · Neuronale Systeme des Rückenmarks

15

. Tab. 15.4. Spinale Topik und Beschreibung wichtiger Muskeleigenreflexe, Fremdreflexe und pathologischer Reflexe

Reflexsystem

Eigenschaften

Wichtige Reflexe

Spinale Topik

Eigenreflexe

Auslöse- und Erfolgsorgan sind gleicher Muskel. Reflexweg monosynapatisch. Reflexweg eng spinal segmental. Durch zentrale Bahnung verstärkbar (Jendrassik-Handgriff, Zähnebeißen). Keine Habituation (nicht erschöpfbar)

Radius-Periost-Reflex (Schlag auf RadiusoEllbogenflexion)

C5/C6oN. radialis

Biceps-brachii-Reflex

C5/C6oN. musculocutaneus

Fremdreflexe

Pathologische Reflexe

Auslöse- und Erfolgsorgan sind verschieden. Reflexweg polysynaptisch verschaltet. Reflexweg kann über mehrere RM-Segmente verlaufen. Summation unterschwelliger Reize. Habituation (Abschwächen der Reflexantwort bei fortlaufender Reizungo Schwellenveränderungen)

Tricepsreflex

C7/C8oN. radialis

Patellarreflex

L3/L4oN. femoralis

Achillesreflex

S1/S2oN. tibialis

Beugereflex (7 Kap. 15.4.5) Bauchhautreflex (Kontraktion Bauchmuskeln bei Bestreichen der Haut)

Th6–Th12oNn. Intercostales, ilioinguinalis

Hustenreflex, Niesreflex

Medulla obl.oN. X

Schluckreflex, Saugreflex

Pons, Medulla obl.oN. IX

somatovegetative Reflexe (z. B. Schmerztachykardie)

Medulla obl.oSympathikusn

Lidschlusscorneal-Reflex

PonsoN. VII

Analreflex

S3–S5oN. pudendus

So genannte »Pyramidenbahnzeichen« weisen auf Schädigung der deszendierend hemmenden Bahnen hin.

Babinski-Reflex (patholog. Reflex, beim Säugling vorhanden): Dorsalflexion große Zehe bei Bestreichen der Fußsohle

Pyramidenbahnläsion

Automatismen und Primitivreflexe bei supranucleärer Läsion, corticopontine Bahnen, Basalganglien.

Saugreflex bei Bestreichen der Mundspalte

Ausgeprägte, diffuse Cortexschädigung (z. B. appallisches Syndrom) Diffuse Frontalhirnschädigung

Greifreflex bei Bestreichen Handinnenfläche

. Tab. 15.5. Prä- und postsynaptische Vorwärts- und Rückwärtshemmung im propriospinalen Neuronennetzwerk, Interneuronentypen (IN) und Transmitter Präsynaptische Hemmung

Rückwärtshemmung: betrifft die gleiche Afferenz (z. B. IboIb) und dient der Kontrastanhebung. Interneurone der präsynaptischen Hemmung benutzen GABA Vorwärtshemmung: Unterdrückung störender segmentaler Eingangssignale (z. B. Ib hemmt Ia)

Postsynaptische Hemmung

Rückwärtshemmung: v. a. rekurrente Renshaw-Hemmung zwischen agonist. und synergist. Motoneuronen (Agonistenhemmung, v. a. Stützmotorik) oder Hemmung inhibitorischer Interneuronen der Antagonisten (Antagonistenaktivierung!). Transmitter: Glycin Vorwärtshemmung: Antagonistenhemmung über Aktivierung inhibitorischer Interneurone der Antagonisten durch Ia-Afferenzen, welche auch die Agonisten direkt aktivieren (s. monosynapt. Eigenreflex). Zentrale Agonistenhemmung über zentral deszendierende Bahnen, welche agonistenhemmende Renshaw-Zellen aktivieren

1182

Kapitel 15 · Motorik

Zentral deszendierende Modulation

+ –

+ – Ia

Ib Ia Ia

+ Inhib. IN

α-MN

–

2

– +

–

+

Renshaw Zelle

–

+

+ 5

–

GABA

Glycin

1

–

Glycin

3

+

6

ACh

+

– 4

+

ACh

+

Renshaw Zelle

α-MN

–

+

+

Präsynaptische

Flexor

+ ACh

Extensor

Postsynaptische Hemmung

. Abb. 15.3. Spinale Verarbeitung in propriospinalen Neuronensystemen verschiedener hemmender Interneurone (IN) für präsynaptische (1, 2) und postsynaptische (3–6) Hemmung. Hemmung kann in Vorwärtsrichtung (2, 3, 6) oder Rückwärtsrichtung auftreten (1, 4, 5). Inhibitorische Interneurone benutzen in der Regel den Transmitter GABA. Ausnahme bildet die zahlenmäßig überwiegende Population der Renshaw-Neurone, welche den inhibitorischen Transmitter

Glycin ausschütten. Die Renshaw-Hemmung ist v. a. wichtig für die rekurrente Hemmung agonistischer und synergistischer Motoneurone (rechte Vergrößerung) sowie Hemmung von inhibitorischen Interneuronen der reziproken Hemmung und damit Antagonistenaktivierung. Zentral deszendierende Bahnen wirken modulierend sowohl exzitatorisch als auch inhibitorisch ein

15.4.3 Reflexsystem

zu regeln. Innerhalb der Arbeitsmuskelfasern (willkürlich innerviert durch AD-Fasern) gibt es spindelförmige Bindegewebskapseln, bestehend aus einem sensiblen Zentrum (freie Nervenendigungen) und 3–10 modifizierten Muskelfasern an den Polen der Kapsel. Diese Spindelfasern (intrafusale Muskelfasern) sind parallel zur Arbeitsmuskulatur (extrafusale Fasern) angeordnet (. Abb. 15.4). Bei Kontraktion des Muskels wird die Muskelspindel gestaucht, bei Dehnung wird sie gedehnt.

Physiologie

der Muskelspindelafferenzen Muskelspindeln Skelettmuskulatur kann aktiv verkürzt oder passiv (bzw. durch aktive Verkürzung des Antagonistenmuskels) verlängert werden (7 Kap. 13). Es gilt: 4 Unter isometrischen Bedingungen ändert sich die Muskellänge nicht, die Kraftentwicklung (Spannungsentwicklung an den Sehnenendigungen) ist maximal. 4 Bei rein isotoner Kontraktion wird keine Kraft entwickelt, der Muskel verkürzt sich maximal bei gleich bleibender Spannung. Physiologische Kontraktionen (und auch passive Dehnungen) stellen eine Mischform dar, unter der sich Länge und Spannung am Muskel ändern! Diese beiden Parameter werden gemessen und spinal verarbeitet, um Information über den Muskelzustand zu erhalten und

Merke Die Muskelspindel ist der Sensor der Muskellänge. Dehnung der Spindel (= Zunahme der Muskellänge) ist der adäquate Reiz für die Erregung der Spindelafferenzen.

Die Spindel besitzt 2 Typen von Intrafusalfasern: Kernkettenfasern und Kernsackfasern.

1183 15.4 · Neuronale Systeme des Rückenmarks

15

α-γ-Koaktivierung

Merke Kernkettenfasern: v. a. statischer Längensensor (P-, Proportionalsensor), registriert Muskeldehnung. Sie enthalten schnelle Ia-Afferenzen (dick) und langsamere II-Afferenzen (dünn). Kernsackfasern: statischer und phasischer Längensensor (dynamischer PD-, Proportional-Differenzialsensor), registriert Muskeldehnung und Geschwindigkeit der Dehnung, v. a. schnelle Ia-Afferenzen.

Muskeleigenreflex: Dehnung des Muskels führt über

eine Aktivierung der Ia-Muskelspindel-Afferenzen zu monosynaptischer, über Typ-II-Afferenzen zu polysynaptischer Aktivierung der D-Motoneurons des gleichen Muskels (autogene Aktivierung, Eigenreflex, . Abb. 15.4) und zu disynaptischer Hemmung des Antagonisten (Ia-Afferenz, nicht gezeigt in . Abb. 15.4, . Tab. 15.6). Merke Muskeleigenreflexodirekte monosynaptische α-Agonisten-Aktivierung und disynaptische reziproke Antagonisten-Hemmung. Ziel ist die Längenstabilisierung. Aufrechter Gang als Anwendung des monosynaptischen Eigenreflexes: im Stand werden Extensoren der großen Gelenke gravitationsbedingt gedehnt (v. a. M. quadriceps femoris, M. glutaeus)o monosynaptische Kontraktion der Strecker mit reziprok-antagonistischer Hemmung der Beuger wirkt der Gravitation entgegen und stabilisiert den aufrechten Gang! In Extensoren findet man relativ viele Typ I-Muskelfasern (tonisch, niedrige Schwelle) und hohe Ia-D-Synapsendichte! Der gravitationsbedingte Grundtonus ist in Extensoren höher als in Flexoren.

Bei Kontraktion des Muskels wird die Muskelspindel gestaucht. Dabei nimmt die Impulsfrequenz der Muskelspindel-Ia-Afferenzen ab (adäquater Reiz ist Dehnung!). Daher würde bei Muskelverkürzung eine so genannte »Spindel-Pause« resultieren. Um eine Längenmessung auch bei Verkürzung zu gewährleisten, sind die Pole der Muskelspindeln motorisch durch γ-Motoneurone innerviert (dünne Fasern, 30–40 m/s). Bei willkürlicher Aktivierung der D-Motoneurone und Muskelverkürzung werden auch die J-Motoneurone zentral durch deszendierende Bahnen mitaktiviert (o α-γ-Koaktivierung, . Abb. 15.4). Hierdurch wird die Stauchung der Muskelspindel durch Dehnung des aktiven Zentrums ausgeglichen und die Längensensitivität bleibt bei aktiver Kontraktion erhalten (oSollwertverstellung)! Prüfungsfallstricke Die D-J-Koaktivierung erfolgt in der Regel parallel deszendierend bei Willkürmotorik. Eher nicht erfolgt J-Aktivierung bei Reflex-D-Aktivierung, jedoch besteht eine große Variabilitätobeim monosynaptischen Reflex erfolgt keine strikte D-J-Kopplung!

Bei der isotonen Kontraktion wäre die Ia-AfferenzFrequenz konstant (keine Spindelpause!), da durch D-J-Koaktivierung die Sensitivität erhalten bleibt (doch kommen isotone Kontraktionen der Skelettmuskulatur quasi nicht vor, 7 Kap. 13.2.1). Bei der isometrischen Kontraktion erfolgt keine Verkürzung des Muskels, aber eine zunehmende Dehnung der Spindel durch D-J-Koaktivierung mit Zunahme der Aktivität v. a. in den statischen Kernsackund Kernkettenfasern. Klinische Reflextestung und -registrierung Klinisch werden Muskeldehnungsreflexe durch Reizung der Ia-Rezeptoren (Spindeln = adäquater Reiz)

. Tab. 15.6. Wirkungen der Muskelreflexafferenzen

Afferenz

Eigenschaften

Ia

Intrafusale Kernketten- und v. a. Kernsackfasern, Erregung bei phasischer und statischer Muskeldehnungomonosynaptische Agonistenaktivierung, disynaptische AntagonistenhemmungoVerkürzung des gedehnten Muskels, servomotorische Afferenz des Muskeleigenreflexes

II

Intrafusale Kernkettenfasern, Erregung bei statischer Muskeldehnung (registriert Muskellänge, aber nicht zeitliche Längenänderung!), polysynaptische Erregung des Agonistenotonischer Dehnungsreflex, Flexorreflex, Propriozeption

Ib

Golgi-Sehnenorgan, serielle Anordnung zum Muskel, Erregung bei Muskelspannung (aktive Verkürzung), phasisch und statische Reizeodisynaptische Hemmung des Agonisten, disynaptische Aktivierung des Antagonisten

1184

Kapitel 15 · Motorik

α–γ-Co-Aktivierung

IbAfferenz

IaAfferenz

+ + –

+ AγFaser

SpindelOrgan

Ia

(Längenmesser)

+

Aα-Faser

Intrafusale Fasern (Spindel)

+

+ –

+

+

+

F Golgi-Sehnen-Organ

Extrafusale Fasern

(Spannungsmesser)

Physiologie

. Abb. 15.4. Sensoren, Verschaltung und Effektoren spinaler Motorik und Muskeleigenreflexe. Links, Anordnung der Längen- und Spannungssensoren in Muskelspindel und GolgiOrgan im Verhältnis zu extrafusaler Muskulatur und Verschaltung der Afferenzen. Ia-Spindel-Afferenzen aktivieren den Agonisten bei Muskeldehnung und hemmen den Antagonis-

oder isolierter Reizung der Ia-Fasern (elektrisch) ausgelöst (z. B. Patellarsehnenreflex). Man unterscheidet: 1. T-Reflex: Phasische Reflexantwort nach Muskeldehnung (Hammerschlag dehnt Muskel und aktiviert Muskelspindel!). Klinische Beobachtung: Kontraktion des M. quadriceps. Elektrische Registrierung des T-Reflexpotenzials mit einer Latenz von 20–40 ms erfolgt mittels Hautelektroden (Afferenzlänge, Temperaturabhängigkeit beachten!). Latenzzeitverlängerungen finden sich bei Demyelinisierung oder synaptischer Störung. Die Amplitude korreliert mit der ReizstärkeoRekrutierung von Einheiten! 2. H-Reflex (Hoffmann-Reflex): Der H-Reflex testet die Intaktheit des monosynaptischen Reflexbogens relativ unabhängig von Rezeptoreinflüssen (. Abb. 15.5). Die elektrische Reizung des N. tibialis und EMG-Ableitung über dem Agonisten führt oberhalb einer Schwellenreizstärke zu einer motorischen H-Welle als Ausdruck des intakten Reflexbogens (orthodrome synaptische Reflexantwort). Die Latenz setzt sich zusammen aus Nervenleitgeschwindigkeit

Eigenreflex: Agonisten-Aktivierung, reziproke Antagonisten-Hemmung

ten (reziproke Antagonistenhemmung, rechts). Bei willkürlicher Innervation wird durch zentrale D-J-Koaktivierung die Längenrezeptorsensibilität durch J-Motoneuronaktivierung intrafusaler Muskelfasern erhalten. Rechts, Reflexablauf des monosynaptischen Muskeldehnungsreflex (Eigenreflex)

(Ia und AD) und Transmitterzeit (~1 ms) und ist verlängert bei demyelinisierenden Erkrankungen und synaptischen Störungen. Bei zunehmenden Reizstärken werden die AD-Fasern direkt gereizt und eine frühere M-Welle erscheint (Reiz über afferenten Schenkel braucht länger als über den direkt efferenten Schenkel). Zusätzlich breitet sich der Reiz entlang der AD-Fasern auch antidrom aus und interferiert destruktiv mit dem ankommenden afferenten Signal der Ia-Fasern. Daher nimmt die H-Welle mit der Reizstärke wieder ab. Die M-Welle nimmt mit der Reizstärke durch Faserrekrutierung zu. Merke Der Patellarsehnenreflex ist ein Muskeldehnungsreflex und kein Sehnenreflex. Es erfolgt idealerweise keine Antwort der Golgi-Organe auf den Hammerschlag! Die Antwort resultiert aus der Erregung der Spindelafferenzen bei Dehnung des Muskels.

15

1185 15.4 · Neuronale Systeme des Rückenmarks

Reizantwort (mV)

N. tibialis

H-Reflex

Reizstärke ↓ Rel. Ampl.

Reizstärke ↑ H

0

30

M-Welle

Zeit (ms)

Rel. Ampl.

M 0

H 30

Zeit (ms)

Reizstärke (V)

. Abb. 15.5. Klinische Testung des Eigenreflexbogens mittels direkter elektrischer Nervenreizung und Neurographie (Hoffmann-Reflex). Erklärung im Text

KLINIK Neuronale Einstellung des Muskeltonus: Bei Abfall der D-Motoneuronaktivität resultiert muskulärer Hypotonus mit Paresen. Muskulärer Hypertonus resultiert hingegen bei Ausfall hemmender Mechanismen v. a. der zentral deszendierenden Bahneno Spastik, gesteigerte Eigenreflexe (7 Kap. 15.9).

15.4.4 Reflexsystem

der Golgi-Sehnenorgane Die Golgi-Sehnenorgane bestehen aus freien Nervenendigungen in einer Bindegewebskapsel, welche seriell zu ~25 extrafusalen Muskelfasern aus ~10 motorischen Einheiten geschaltet sind. Hierdurch ist auch eine Messung von Rekrutierung möglich. Der adäquate Reiz für ihre Erregung ist ein Anstieg der Muskelspannung bei Kraftentwicklung des Gesamtmuskels und wird über Ib-Fasern afferent geleitet. Merke Golgi-Sehnenorgane liegen in Serie mit der extrafusalen Muskulatur. Reizung erfolgt bei zunehmender Dehnung und Kontraktion (Schwelle ist sehr viel höher als bei Muskelspindelafferenzen). Reizung ist maximal bei isometrischer Kontraktion, keine Reaktion erfolgt dagegen auf isotone Kontraktion bei gleichbleibender Spannungo Golgi-Sehnenorgane sind Kraftrezeptoren.

Zentrale Reflexverschaltung: Da Golgi-Sehnenorgane aktiviert werden, wenn die mechanische Spannung im

Agonisten zunimmt, ist es sinnvoll, den Agonisten als Reaktion zu hemmen und den Antagonisten zu aktivierenoautogene Hemmung als spannungsstabilisierende Funktion. Die autogene Hemmung über Ib-Afferenzen verläuft mindestens disynaptisch! (Es gibt vermutlich keine monosynaptischen Verbindungen der Ib-Afferenzen!). Gleichzeitig werden die Antagonisten über mehrere Interneurone aktiviert. Merke Vergleich Ia-, Ib-Reflexe: Muskelspindeln (Ia-Afferenzen) hemmen die Antagonistenoreziproke Hemmung. Golgi-Organe (Ib-Afferenzen) hemmen die Agonistenoautogene Hemmung.

15.4.5 Reflexsystem der Beugereflexe Fremdreflexe Beugereflexe sind die bekanntesten Vertreter der polysynaptischen Fremdreflexe (. Tab. 15.4), deren Verschaltung sich über mehrere Rückenmarksegmente erstrecken kann. Der Beugereflex ist im Sinne eines Schutzreflexes (Fluchtreflex, Schmerzreflex) zu verstehen, da bei seiner Auslösung eine ganze Extremität von einer Gefahrenquelle »weggezogen« (gebeugt) wird. Gleichzeitig wird die kontralaterale Extremität zur Stabilisierung gestreckt (gekreuzter Streckreflex). . Abbildung 15.6 zeigt die zentrale Verschaltung des Beugereflexes. Die Reflexzeit liegt mit 20–30 ms deutlich höher als die des monosynaptischen Eigenreflexes!

1186

Kapitel 15 · Motorik

Beispiel: Ein Tritt auf einen Nagel führt zum Wegziehen

des BeinsoFlexion im ipsilateralen Fußgelenk, Kniegelenk, Hüftgelenk und Streckung des kontralateralen StandbeinsoKniegelenkstrecker, Hüfstrecker. Anfassen einer heißen Herdplatte führt zum Wegziehen des betroffenen Armes (Weg-Beugen!) und zur Streckung des anderen. Die kontralaterale Streckung wirkt hier im Sinne einer Gleichgewichtsstabilisierung. Merke Ipsilateral: Beugeraktivierung, StreckerhemmungoEntfernen von der Noxe. Kontralateral: Beugerhemmung, StreckeraktivierungoRumpfstabilisierung.

vergenz). Die Rezeptoren sind daher sehr vielfältig und entsprechen dem Spektrum der somatoviszeralen Sensorik (7 Kap. 16). KLINIK Der Flexorreflex ist rein spinal und läuft auch ohne supraspinale Kontrolle ab, z. B. im Koma. Bei komatösen Patienten wird das Komastadium u. a. durch den Flexorreflex auf Schmerzreize beurteilt (Komastadium I–II). In tiefen Komastadien (IV) mit Zeichen irreversibler zentraler Schädigungen erlischt auch der Flexorreflex. Auch bei der Anästhesie wird der Flexorreflex zur Beurteilung der Tiefe der Anästhesie genutzt.

KLINIK

Der Beugereflex wird durch Mechanoafferenzen der Gruppe III und IV sowie über nozizeptive Afferenzen auf Rückenmarkebene ausgelöst (multimodale Kon-

–

+ –

+

AδFaser +

Physiologie

+

. Abb. 15.6. Beuge- und gekreuzter Streckreflex als Beispiel eines Fremdreflexes. Die Afferenzen von Mechano- oder Nozizeptoren werden spinal über mehrere Interneurone ipsilateral hemmend auf Strecker und aktivierend auf Beuger sowie über Komissurenfasern kontralateral hemmend auf Beuger und aktivierend auf Strecker übertragen. Die Rückenmark-Komissurenfasern müssen nicht im gleichen Segment bleiben, sondern können aszendierend oder deszendierend andere Rückenmarksegmente mit einbeziehen

Lokomotion, d. h. aufrechter Gang, ist in seiner einfachsten Ausführung eine wiederholt wechselseitige Anwendung des Beuge- und gekreuzten Streckreflexes. Man stelle sich vor, erst rechts, dann links usw. auf einen spitzen Gegenstand zu treten. Auf der ipsilateralen Seite resultiert jeweils die Schwung-, auf der kontralateralen die Standphase. Ohne supraspinale Kontrolle ist somit ein rudimentäres Gehen möglich. Dies macht man sich bei spastischer Lähmung nach Pyramidenbahnläsion zunutze, bei welcher der Patient lernen kann, durch Ausnutzung der spinalen Beugerreflexe auf seiner »Spastik zu gehen«. Der spastische Extensorentonus ermöglicht dabei eine Standphase. Der spastische Gang ist sehr charakteristisch und zeichnet sich durch relativ steifes Gehen aus. Bei Störung der zentralen Modulation (z. B. entzündliche Erkrankungen, Multiple Sklerose) kann die Hemmung wegfallen und schon leichte Berührung ganze Massenreflexe mit Beugesynergien hervorrufen. Hyperreflexie findet sich auch bei lokalen Entzündungen der Rezeptoren, wobei das Schwellenverhalten der Rezeptoren sich ändert (z. B. leichtes Berühren einer entzündeten Hautstelle mit Ödem führt schon zum Wegziehen, der gleiche Reiz bei gesunder Haut würde keinen Reflex auslösen).

15

1187 15.5 · Motorische Funktionen des Hirnstamms

15.5

Motorische Funktionen des Hirnstamms

15.5.1 Augenmotorik Nystagmus und vestibulo-okulärer Reflex An jedem Auge setzen 3 Paare von antagonistischen Augenmuskeln an, welche in den Ebenen der vestibulären Bogengänge liegen. Der Augapfel ist als Kugelgelenk gelagert. Durch das Zusammenwirken der verschiedenen Augenmuskeln lässt sich in der Frontalebene ein 360°-Blickfeld einstellen (anatomische Blickrichtungen). Der Abgleich vestibulärer Eingänge und okulomotorischer Ausgänge im Hirnstamm gewährleistet die Konstanz der Fixation bei Stellungsänderungen von Kopf und Rumpf im Raum. Kompensatorische Augenbewegungen in Form von vestibulären und optokinetischen Reflexen laufen in Form von Sakkaden (rasche Fixationsaufnahme) und langsamen Zielfolgebewegungen ab. Dieses stereotype Programm wird als Nystagmus bezeichnet, dessen Richtung nach der Sakkade festgelegt wird. Bewegungen der Umwelt und des Körpers relativ zueinander verursachen verschiedene Nystagmusformen. Auslöser dieses vestibulo-okulären Reflexes (VOR) sind Dreh- und Linearbeschleunigungen des Kopfs. Die langsame Augenfolgebewegung soll die retinale Bewegungsunschärfe korrigieren. Sakkaden werden im Hirnstamm generiert (auch in Bewusstlosigkeit!), Ziel-

M. rectus lat.

Dieses Schema gewährleistet die synchronisierte Bewegung beider Augen über die Hirnstammverschaltung auch außerhalb von Sakkaden. Der einfachste (physiologische) Nystagmus ist derjenige, bei dem nur die horizontalen Augenmuskeln beteiligt sind. »Eisenbahn-Nystagmus«: Linear-Beschleunigungs-Nystagmus, bei dem ein entgegen der Fahrtrichtung vorbeisausendes Objekt fixiert wird (oAugenfolgebewegung entgegen der Fahrtrichtung). Verschwindet es aus dem Blickfeld, erfolgt die Sakkade in Fahrtrichtung (= entgegen der Richtung des bewegten Objekts jenseits des Fensters!), um ein neu ankommendes Objekt fixieren zu können. Für den rotatorischen Nystagmus gilt: beginnt eine Rotationsbewegung des Kopfs, verfolgt die langsame Augenfolgebewegung das verschwindende Ob-

M. rect. sup.

M. rectus med.

+ N. III

M. obl. inf.

M. rect. lat.

–

M. rect. sup.

M. rect. med.

M. rect. lat.

+

– Nc. oculo- + motorius

Nc. abducens ipsilateralis

M. rect. inf.

– Lemniscus med.

N. VI

M. obl. sup. RA

M. rect. inf. LA

Nc. abducens kontralateralis

– +

+ CupulaAuslenkung links

folgebewegungen werden im Cortex generiert (präfrontales Augenfeld). Der VOR ist im Hirnstamm über 3 Neurone verschaltet (. Abb. 15.7): 1. Utrikulopetale ispsilaterale Auslenkung erregt vestibuläre Kernneurone mit Hemmung ipsilateraler und Erregung kontralateraler Abduzenskerne. 2. Abduzens-Motoneurone aktivieren den lateralen ipsilateralen Augenmuskel. 3. Abduzens-Interneurone erregen über den Lemniscus medialis den medialen kontralateralen Augenmuskel.

Motoneuron Interneuron

+ Vestibuläre Kern-Neurone

. Abb. 15.7. Neuronale Verschaltung des vestibulo-okulären Reflexes (VOR) im Hirnstamm, welcher die koordinierte gleichsinnige Bewegung beider Augen und damit die Binokularität

erhält (links). Rechts sind die Hauptzugrichtungen der 6 Augenmuskeln gezeigt

1188

Kapitel 15 · Motorik

jekt entgegen der Drehrichtung (»man versuche, sich dies vorzustellen!«), die Sakkade erfolgt dann in Drehrichtung. Merke Eisenbahn-Nystagmus: optokinetischer NystagmusoSakkade in Fahrtrichtung. Rotatorischer NystagmusoSakkade in Drehrichtung!

Vertikale Nystagmen kommen physiologisch auch vor, wenngleich seltener (»welcher Zug fährt schon nach oben?«). Beispiel hierfür: Man beobachte ein Lineal, welches nach oben bewegt wird: die Augenfolgebewegung erfolgt nach oben, die Sakkade nach unten. Merke Die Sakkade geht immer entgegen der Richtung des bewegten Objekts, welches mit dem Auge beobachtet wird!

tion (starkes Plus-GlasoFrenzel-Brille) geprüft werden (7 Kap. 17.1.3). Zusätzlich kann auch durch Spülen des äußeren Gehörgangs mit warmem und kaltem Wasser ein Nystagmus ausgelöst werden (kalorischer Nystagmus). Merke Kalorischer Nystagmus. Spülen mit warmem WasseroNystagmus zur gleichen Seite. Spülen mit kaltem WasseroNystagmus zur anderen Seite. Eselsbrücke: »Weg von der Kälte, hin zur Wärme«.

15.5.3 Vestibulariskerne

und motorische Funktionen Im Hirnstamm werden in den vestibulären und retikulären Kernen zusammen mit propriozeptiven Eingängen wichtige Informationen zur Haltungs- und Positionsregulation von Kopf, Rumpf und Extremitäten verarbeitet und der periphere Muskeltonus über Stell- und Haltereflexe via deszendierende Bahnen eingestellt.

KLINIK Spontan-Nystagmen sind nicht physiologisch und deuten auf eine zentral- oder peripher-vestibuläre Störung hin! Wichtigstes Symptom vestibulärer Erkrankungen mit Sakkadenbeteiligung ist der Drehschwindel, z. B. bei Kinetose (z. B. Seekrankheit): sensorischer Konflikt von optokinetischen, vestibulären u. somatosensorischen ReizenoSchwindel, Übelkeit, Erbrechen, Nystagmen. Labyrinthitis ist eine entzündliche Reizung der Bogengänge mit Drehschwindel, Übelkeit, Reiz-Nystagmus zur gleichen Seite, später AusfallNystagmus zur Gegenseite.

Physiologie

15.5.2 Bewegungs- und Lagesinn Die Vestibularorgane mit Makula (Linearbeschleunigungs-) und Bogengängen (Winkelbeschleunigungssensoren) enthalten die Rezeptoren für den Lagesinn des Kopfs im Raum. Der Lagesinn des Rumpfs ist im propriozeptiven System der Extremitäten enthalten (Muskelspindeln, Golgi-Organe). Die Funktionsprüfung des vestibulären Lagesinns erfolgt über den vestibulo-okulären Reflex (VOR, s. o.). Reizungen des Vestibularorgans führen zu Nystagmen (vestibulärer Nystagmus), welche klinisch durch Beobachtung oder elektrische Ableitung der Bulbusaktivität (Nystagmographie) bei Ausschalten der Fixa-

Merke Stütz-, Gang-, und Zielmotorik sind spinal angelegt, aber supraspinale Signale des Hirnstamms sind essenziell für die korrekte Durchführung (ventromediales und dorsolaterales System). Mittelhirnkerne (oberer Hirnstamm) regulieren bevorzugt die Stellreflexe, Ponskerne (unterer Hirnstamm) bevorzugt die Haltereflexe und den Muskeltonus im Stand. Posturale Reaktion nennt man die Aktivierung der Extensoren gegen die Schwerkraft (7 Kap. 15.8.2).

Es gilt: 4 Das dorsolaterale System entstammt v. a. suprapontinen Zentren (Nc. ruberorubrospinaler Trakt, Formatio reticularis med.oTractus reticulospinalis, Cortex, lateraler CST) und aktiviert bevorzugt distale Flexorengruppen (D- und J-Motoneurone). 4 Das ventromediale System entstammt v. a. pontinen Zentren (Formatio reticularis lat., VestibulariskerneoTractus vestibulospinalis) und aktiviert bevorzugt proximale Extensorengruppen! Die Vestibulariskerne erhalten ferner zerebelläre Zuflüsse aus dem Nc. fastiguus zur Koordinationsfeinabstimmung, welche v. a. hemmende Einflüsse auf ExtensorenMotoneurone ausübenocerebellofugale Hemmung!

1189 15.6 · Basalganglien

KLINIK Stell- und Haltereflexe sind v. a. bei akuten Störungen des Gleichgewichts wichtig. Klinisch prüft man Stellreflexe, indem man dem stehenden Patienten bei geschlossenen Augen einen kleinen Schubs verabreicht und damit das Gleichgewicht akut stört. Beim Gesunden wird durch Schubs nach hinten der Extensorentonus, bei Schubs nach vorne der Flexorentonus der Beine erhöht. Krankhafte Befunde ergeben sich z. B. bei Parkinson-Krankheit, Kleinhirnerkrankungen, Multipler Sklerose. Hirnstammsyndrome sind schwerwiegende Beeinträchtigungen der Hirnstammkerne (z. B. ischämisch: Wallenberg-Syndrom, traumatisch) und betreffen neben wichtigen vegetativen Funktionen (7 Kap. 14) v. a. die Motorik. Bei Dezebrierungsstarre liegt eine interkollikuläre Hirnstammdurchtrennung vor mit 5 erhöhter Aktivität spinaler Extensorenmotoneurone (Wegfall der cerebellofugalen Hemmung, Übergewicht der lateralen Vestibulariskerne Nc. Deiters). 5 erniedrigter Aktivität spinaler Flexorenmotoneurone (Wegfall des dorsolateralen Systems). Derartige Patienten präsentieren sich mit Streckspasmen. In der Notfallmedizin ist das Auftreten von Streckspasmen ein Hinweis auf Hirnstammschädigung mit schlechter Prognose.

15.5.4 Andere motorische Funktionen

des Hirnstamms Neben den oben genannten Funktionen sind im Hirnstamm weiterhin motorische Zentren zur Auslösung von Schluckreflexen, Erbrechen, Magenmotorik, Atmungsregulation sowie wichtiger vegetativer Regulationen lokalisiert (7 Kap. 5, 7 Kap. 7, 7 Kap. 14). 15.6

15

schaltete motorische Zentren (. Abb. 15.8) mit neocorticalem Input und thalamischem Output, wobei die efferente Verschaltung zum Thalamus aber grundsätzlich verschieden von der des Kleinhirns ist. Merke Der motorische Thalamus erhält verschiedene Signale aus Kleinhirn und Basalganglien. Kleinhirnkerne projizieren erregend auf den motorischen Thalamus (Glutamat), Basalganglien hemmen den Thalamus (GABA)! Die Basalganglien sind kein »extrapyramidales System« (dieser klinisch unsaubere Begriff bezieht sich auf nichtcorticospinale Bahnsysteme, z. B. von Hirnstammkernen ausgehend zum Rückenmark)!

Die Basalganglien bestehen aus mehreren Kerngebieten: 4 Striatum = Nc. caudatus (vorwiegend kognitiv, okulomotorisch) und Putamen (vorwiegend skelettomotorisch). Durch Fasertrakte verbunden überbrücken diese die Capsula interna. 4 Globus Pallidumolateral: Pars externa, medial: Pars interna. 4 Substantia nigraoPars compacta (viele dopaminerge Neurone) + Pars reticulata. 4 Nc. subthalamicus Phasische und tonische Motorik: Die corticalen Rückkopplungsschleifen über Aktivierung verschiedener Basalganglienkerne ergeben unterschiedliche Bewegungsqualitäten. 4 Über das Pallidum wird die phasisch kinetische Motorik geschaltet (phylogenetisch älter). 4 Über das Striatum wird primär die tonische Haltemotorik geschaltet (diese reift post partum erst voll aus!).

Merke Die Motorik eines Neugeborenen ist eine Pallidummotorik und ist hyperkinetisch-hypoton!

Basalganglien

15.6.1 Verschaltung/Informationsfluss Die Basalganglien sind Teil der cortico-thalamo-corticalen Rückkopplungsschleife, welche ausgehend von den assoziativen Rindenfeldern und dem prämotorischen Cortex der Vorausplanung komplexer Bewegungen dient (GK Anatomie, 7 Kap. 9.8.2). In diesem Sinne sind Basalganglien und Kleinhirn 2 parallel ge-

Verschaltung der Basalganglienkerne Die interne Verschaltung der Basalganglien ist äußerst komplex und verwirrt Jeden (»der Autor sinnierte einmal 3 Stunden über die Hemmung der Hemmung der Aktivierung usw«.). Über nur eine weitere Umschaltung projiziert das Striatum zum motorischen Thalamus via Pallidum (Pars interna) oder Substantia nigra (Pars reticularis)o direkter Weg (. Abb. 15.8).

1190

Kapitel 15 · Motorik

Neokortikaler Input

Nachgeschaltete Integrationszentren

Motor. Prozessor

+ Prämotor. Kortex Assoziations Kortex

Sensomotor. Kortex

D2

Pons Thalamus

Kortex

indirekter Weg

–

Output: Thalamus prämotor. Kortex

direkter Weg

+ Striatum (Putamen)

D1

Pallidum (Pars ext.)

–

Striatum

Nc. subthalamicus

– Pallidum

+

Subst. nigra (Pars ret.)

Kleinhirn Kleinhirn

+

–

+

+

– Pallidum (Pars int.)

– –

Physiologie

Tegmentum

Nc. ruber

Thalamus

. Abb. 15.8. Funktionelle Organisation und interne Verschaltung der Basalganglien. Die Basalganglien sind ein motorisches Integrationszentrum, welches parallel zum Kleinhirn aufgerufen wird, aber im Gegensatz zu diesem hemmend auf

den motorischen Thalamus projiziert. In der Verschaltung der Kerngebiete existieren ausgehend vom Striatum ein direkter und ein indirekter Weg, welche unterschiedlich durch Dopamin angesprochen werden. Erklärung im Text

Über mehrere Umschaltungen führt der Weg zum Thalamus via Pallidum (Pars externa), Nc. subthalamicus und Substantia nigra (Pars reticulata)oindirekter Weg. Funktionelle Rückkopplungsschleifen bestehen für: 4 Skelettmotorik: prämotorischer CortexoStriatum (Putamen)oPallidum (Pars interna)oSubstantia nigra (Pars reticulata)oThalamusosupplementärmotorischer CortexoStriatum, 4 Okulomotorik: präfrontaler CortexoStriatum (Nc. caudatus)oPallidum (Pars interna)oSubstantia nigra (Pars reticulata)oThalamusofrontales AugenfeldoStriatum, 4 Kognitiv: wie Okulomotorik, aber Ausgang zu präfrontalem Cortex. 4 Es gibt auch eine direkte Rückkopplungsschleife vom Thalamus zum Striatum!

15.6.2 Verarbeitungsprinzipien

Merke Die Substantia nigra (Pars compacta) enthält die dopaminergen Neurone, welche auf das Striatum schalten (D1, D2-Rezeptoren s. u.).

Transmitter: In den Basalganglien gibt es primäre und

Cotransmitter (. Tab. 15.7). Letztere, zumeist Neuropeptide, haben längere Wirkdauern als die primären Aminosäuretransmitter und dienen der Wirkungsverstärkung und -verlängerung. Aktivierende und hemmende Verschaltungssysteme Das wesentliche Funktionsprinzip der Hintereinanderschaltung der Basalganglienkerne ist die Disinhibition. Was machen die Basalganglien also? Anhand von . Abbildung 15.8 soll die Funktion Schritt für Schritt nachvollzogen werden: 1. Ohne corticalen Input fehlt die Aktivierung des Striatum (weniger »+«). Das Striatum hemmt die Substantia nigra (reticularis) und Pallidum internum im direkten, Pallidum externum im indirekten Weg. Für den direkten Weg ergibt sich daraus: weniger Hemmung (= Aktivierung) von Pallidum internum/Substantia nigra (reticulata)omehr Hemmung des Thalamus. Im indirekten Weg er-

1191 15.6 · Basalganglien

15

. Tab. 15.7. Transmitter der Basalganglien und deren Funktion

Transmitter

Lokalisation und Eigenschaften

Projektionsweg

Glutamat (erregend)

corticostriale, thalamostriale, subthalamicus Neurone

CortexoStriatum (+) Nc. subth.oPallidum int., S. nigra ret. (+)

GABA (hemmend)

striatale Projektionsneurone, Pallidum, S. nigra Pars reticulataKotransmitter: Substanz P, Enkephalin, Dynorphin (?)

StriatumoPall. ext./int. (–) Pall. ext.oNc. subthal. (–) Pall. intoThalamus (–) StriatumoS. nigra ret. (–) S. nigra ret.oThalamus (–)

Dopamin

S. nigra (Pars compacta) -fördert über D1-Rezeptoren GABA/Substanz-P Neurone -hemmt über D2-Rezeptoren GABA/Enkephalin-Neurone

S. nigra compactaoStriatum

ACh (erregend)

striatale Interneurone, exzitatorisch muskarinerge Wirkung

Synapsen zu striatalen Projektionsneuronen

Nc.subth.: Nucleus subthalamicus. int.: internum. ext.: externum. S: Substantia. ret.: reticulata. Pall.: Pallidum.

gibt sich: weniger Hemmung von Pallidum externum (= Aktivierung) hemmt den Nc. subthalamicus mehroweniger Aktivierung (= Hemmung) von Pallidum internum/Substantia nigra (reticulata)omehr Aktivierung des Thalamus. Ein gehemmter Thalamus aktiviert den motorischen Cortex weniger; ein aktivierter Thalamus hemmt den motorischen Cortex weniger. 2. Erfolgt ein corticaler Input an die Basalganglien, d. h. eine Erregung des Striatum, führt dies zu mehr Hemmung von Pallidum internum/Substantia nigra (reticulata) im direkten Weg und damit folgt weniger Hemmung (gehemmte Hemmung) des ThalamusoAktivierung des motorischen Cortex. Im indirekten Weg ergibt sich vermehrte Hemmung im Pallidum externumoweniger Hemmung des Nc. subthalamicusomehr Aktivierung von Pallidum internum/Substantia nigra (reticulata)omehr Hemmung des Thalamus. Merke Disinhibitionsprinzip beider WegeoSerienschaltung zweier inhibitorischer Neurone wirkt erregend auf das dritte (Disinhibition!). Alleinige Aktivierung des direkten Wegs erregt motorischen Thalamus (Putamen hemmt Pallidum internum/Substantia nigraohemmt Thalamus weniger). Alleinige Aktivierung des indirekten Wegs hemmt motorischen Thalamus (Putamen hemmt Pallidum externumohemmt Nc. subthalamicus wenigeroerregt Pallidum internum/Substantia nigra mehrohemmt Thalamus mehr).

Es ist logisch, dass nicht beide Wege gleichzeitig in gleichem Maße angesteuert werden können, da sonst Nichts passiert (der direkte Weg enthemmt den Thalamus in dem Maße, wie der indirekte Weg ihn hemmt). Die Regulation der beiden Wege erfolgt z. B. über Dopamin. Was macht Dopamin also? 4 Dopamin fördert Zugang zur Disinhibition im direkten Weg (D1)oErregung des thalamocorticalen Zugangs. 4 Dopamin hemmt Zugang zur Nettoinhibition im indirekten Weg (D2)oHemmung der Hemmung (= Erregung) des thalamocorticalen Zugangs. Willkürmotorik wird cortical dadurch ermöglicht, dass Dopamin den Gating-Mechanismus der Basalganglien im direkten Weg begünstigt, d. h. den motorischen Thalamus wie ein Tor zum Cortex öffnet. 15.6.3 Störungen der Motorik Störungen der Basalganglienmotorik manifestieren sich z. B. in den Krankheitsbildern Parkinson-Krankheit (Schüttellähmung) und Chorea Huntington (»Veitstanz«) aus dem Formenkreis der hypokinetischen bzw. hyperkinetischen Syndrome. KLINIK Parkinson-Krankheit: Degeneration der dopaminergen Neurone der Substantia nigra compacta, sodass durch den Wegfall des Dopamins die För6

1192

Kapitel 15 · Motorik

derung des direkten und die Hemmung des indirekten Wegs sistiert und die skelettmotorische Schleife gehemmt wird. Dies erklärt die typischen Symptome der Akinese, mimische Starre und z. T. die Rigidität der Muskulatur. Parkinsonpatienten haben einen typisch kleinschrittigen Gang und einen ausgeprägten Ruhetremor, der bei Intentionsbewegungen besser wird (im Gegensatz zu Kleinhirnerkrankungen s. u.). Durch die Beeinträchtigung kognitiver Schleifen tritt häufig Depression auf. Da der direkte und indirekte Weg natürlicherweise die Motorik aktivieren bzw. hemmen, teilt man die Parkinsonsymptomatik in Plus- und Minussymptome ein: Akinese, Mikrographie, Bradykinese und Amimie sind Minussymptome, Tremor und Rigor sind Plussymptome. Letztere können nicht durch den Ausfall von dopaminergen Neuronen erklärt werden. Dies zeigt, dass die Erkrankungsmechanismen komplexer sein müssen und auch cholinerge Systeme miteinbeziehen. Therapie: Substitution durch L-Dopa ist möglich. Da ein Übergewicht zentral cholinerger Neurone besteht, werden auch Anticholinergika mit Erfolg eingesetzt. 6

Chorea Huntington: Degeneration hemmender Neurone des Striatums mit Überwiegen der Disinhibition im direkten Weg. Es resultieren überschießende, rasche und hypotone Bewegungen. Chorea Huntington ist eine genetische Erkrankung, die obligat tödlich verläuft (genetische Beratung!)

15.7

Cerebellum

15.7.1 Verschaltung / Informationsfluss Das Cerebellum stellt die wichtigste parallel zu den Basalganglien ablaufende Schaltstelle zur Koordination von Bewegungen dar (. Abb. 15.8) (GK Anatomie, 7 Kap. 9.5). Beim Primaten besitzt es eine ausgeprägte Hemisphäre (Neocerebellum, laterale Abschnitte, . Abb. 15.9). Die synaptische Verschaltung der Neurone des Neocerebellums findet im Kleinhirn-(KH)Cortex statt, welcher zytoarchitektonisch dreischichtig aufgebaut ist (l Neocortex: 6-schichtig): Körner-, Purkinje- und Molekularschicht (von innen nach außen). Afferenzen und Efferenzen sind in . Abb. 15.9 und . Tab. 15.8 dargestellt.

Spinaler Input

Pontiner Input

+ Parallelfaser

Nc. Deiters, Nc fastigii med. deszend. Bahnen

Afferenzen

+

2

KletterFaser

–

Nc. Interpositus lat. deszend. Bahnen

Palläocerebellum

+

1

Korb/Stern Zelle Golgi Zelle

Purkinje Zelle –

3

Körner Zelle

Efferenzen Nc. Dentatus Prämotor. Kortex

Neocerebellum

+

KH-Kerne

Physiologie

Archizerebellum

Vestibulärer Input

Spinocerebellum

Vestibulariskerne Okulomotorik Gleichgewicht

. Abb. 15.9. Funktionelle Unterteilung des Kleinhirns mit Afferenzen und Efferenzen (links). Rechts: Dreischichtung des Kleinhirncortex (c:Molekular-, d: Purkinje-, e: Körnerschicht) mit den wichtigsten Zellen und deren Verschaltung. Es gibt

+

Moosfaser

–

Olive Raphekern

Pons, RM Vestibularkerne

nur einen Ausgang aus dem Kleinhirn (hemmend) und zwei Eingänge (erregend). Innerhalb der Rinde sind die Körnerzellen die einzig erregenden Zellen

1193 15.7 · Cerebellum

15

. Tab. 15.8. Schichtung, Zellen und Verschaltungen der Kleinhirnrinde. (+): erregend; (–): hemmend

Schicht

Zellen

Verschaltungen

Körnerschicht

Körnerzellen; größte homogene Neuronenpopulation des ZNS. Golgi-Zellen

Moosfasern (Input)oKörnerzellen (+: Glut., ACh) Moosfasern (Input)oGolgi-Zellen (+: Glut., ACh) Golgi-ZelleoKörnerzelle (-: GABA)

Purkinje-Schicht

Längsangeordnete Purkinje-Zellen (Axone zu cerebellären und lateralen Vestibulariskernen)

Purkinje-ZelleoKleinhirnkerne (Nc. dentatus, emboliformis, fastiguus, globosus) [-: GABA] Merke: einziger Output aus Kleinhirnrinde!

Molekularschicht

Axone der Körnerzellen (Parallelfasern), Dendriten der Purkinje-Zellen und Interneurone (Korb-, Sternzelle).

Kletterfaser (Input)oPurkinje-Zell-Dendriten (+: Glut, Aspartat) KörnerzelleoParallelfaseroPurkinje-Zelldendriten (+: Glut) KörnerzelleoParallelfaseroSternzelle (+: Glut) KörnerzelleoParallelfaseroKorbzelle (+: Glut) Sternzelle/KorbzelleoPurkinje-Zelldendrit (-: GABA)

Glut: Glutamat; ACh: Acetylcholin.

Wichtige Schlussfolgerungen sind: 1. Es gibt zwei Eingänge (AfferenzenoMoosfasern aus Pons, Vestibular- und Rückenmarkkernen, Kletterfasern aus Olive und Raphekernen), welche generell erregend sind (Glutamat). 2. Es gibt nur einen Ausgang (EfferenzoAxone der Purkinje-Zellen zu KleinhirnkernenoNc. dentatus, emboliformis, globosus, fastiguus), und der ist auch noch hemmend (GABA). 3. Die Verschaltungen der Neurone der Kleinhirnrinde sind inhibitorisch mit der einzigen Ausnahme der Körnerzellen! 4. Moosfasern aktivieren die Körnerzellen, welche über Parallelfasern die Purkinje-Zellen aktivieren (eine Parallelfaser pro Purkinje-Zelleoerhebliche räumliche Summation nötig!). Kletterfasern aktivieren Purkinjezellen mit ~200 Synapsen pro Purkinje-ZelleoKletterfasern erregen Purkinje-Zellen sehr leicht! 15.7.2 Verarbeitungsprinzipien Koordinationsspezifität: Das Kleinhirn enthält phylogenetisch 3 distinkte Strukturen mit verschiedenen Funktionen: 4 Koordination von Gleichgewichts- und Okulomotorik erfolgt im Archicerebellum (Nodulus, Flocculus), 4 Rumpf- und Gangmotorik im Palläocerebellum (Vermis) und 4 Willkürmotorik im Neocerebellum (laterale Kleinhirnhemisphären, Pontocerebellum).

Die Afferenzen und Efferenzen sind in . Abbildung 15.9 dargestellt.

Das Pontocerebellum erhält von zentral eine Efferenzkopie des Bewegungsprogramms und verrechnet diese mit einer Afferenzkopie aus der Peripherie. Dabei wird die Abweichung zwischen Ist- und Soll-Programm über den Thalamus an den motorischen Cortex übermittelt. Prüfungsfallstricke Die Kleinhirnrinde ist eine hemmende Instanz für die in den Kernen verarbeitete Motorik!

15.7.3 Störungen der Motorik Cerebelläre Kleinhirnstörungen betreffen v. a. die Koordination zwischen motorischem Programm und Ausführung (Ataxie). Abhängig von der Lokalisation ergeben sich spezifische Symptome. Störungen der Kleinhirnrinde zeigen Koordinationsstörungen der distalen Feinmotorik wie Intentionstremor (Tremor beim Greifen und Fingerbewegungen), Dysmetrie (fehlerhafte Abstandsabschätzung beim Greifen), Adiadochokinese oder Dysdiadochokinese (Unfähigkeit oder Schwierigkeiten, schnell aufeinander folgende Bewegungen auszuführen) oder der Sprache (gestörte Artikulation). Merke Da motorisch efferente Kleinhirnsignale hemmender Natur sind (Purkinje-ZellenoGABA), führen Kleinhirnstörungen evtl. zu erhöhtem Muskeltonus (muskuläre Hypertonie).

1194

Kapitel 15 · Motorik

15.8

Integrale motorische Funktionen des Zentralnervensystems

15.8.1 Laufen und Gehen Wie in 7 Kap. 15.4.5 angedeutet, lässt sich Gehen als eine alternierende Anwendung des Beuge- und gekreuzten Streckreflexes verstehen. Anstelle von nozizeptiven Afferenzen übernehmen spinale Lokomotions-Rhythmusgeneratoren, welche in jeweils wechselseitigen Halbzentren angeordnet sind, die Steuerung und Auslösung des Reflexes. Untere und obere Extremität sind zusätzlich in jeder Phase gegenläufig verschaltet. In der Standphase wird das Standbein gestreckt und das Schwungbein gebeugt, um den Fuß vom Boden abhebend nach vorne aufzusetzen. Beim Aufsetzen löst nun der Fußkontakt mit dem Boden den afferenten Schenkel des Beugereflexes der gleichen Seite aus und das andere Bein wird gebeugt. Während das Schwungbein gebeugt und nach vorne bewegt wird (Schwungphase), wird die ipsilaterale obere Extremität gestreckt und nach hinten bewegt, die kontralaterale obere Extremität nach vorne bewegt (Mitschwingen des anderen Arms!). Merke Beim Gehen schwingen Arme und Beine gegenläufig zueinander! Die Beine sind beide durch den Beugereflex verschaltet, während ein Bein mit dem kontralateralen Arm gekreuzt verschaltet ist. Was ist der Sinn dieser Verschaltung beim Gehen? Durch die gegenläufige Bewegung von Armen und Beinen wird der Schwerpunkt stabil gehalten. Man versuche, dies willentlich auszuprobieren: bewegt man jeweils Arm und Bein derselben Seite nach vorne, so entstehen beim Gehen halbkreisförmige Watschelbewegungen.

Physiologie

15.8.2 Stehen und Gleichgewicht Posturale Reaktion Der Stand wird gegen externe Störungen durch posturale Reaktionen stabilisiert. Hierunter versteht man sukzessive Aktivierung von Muskelgruppen, welche der Störung entgegenwirken und nach einem sequenziellen Muster von distal nach proximal aktiviert werden. Beispiel: Stößt man eine aufrecht stehende Person von hinten an, wird ihr Schwerpunkt nach vorne verlagert, und sie droht, zu stürzen. Durch die Vorwärtsbewegung wird eine posturale Reaktion mit dem Ziel der Rückwärtskompensation ausgelöst: zuerst eine Aktivierung

der distalen Unterschenkelstrecker (Gastroknemius, ~100 ms Latenz), dann der Oberschenkelbeuger (~120 ms), Hüftgelenkstrecker, paraspinale Rückenmuskulatur (~140 ms), Nackenmuskulatur (~150 ms). Das lässt sich ausprobieren: posturale Reaktion bei der nächsten S-Bahn-Fahrt (»oder was sonst häufig anhält, in die Kurve geht usw.«) ausprobieren, indem man mit geschlossenen Augen im Fahrzeug steht. Mit jeder Beschleunigung, Abbremsung und Kurve erfolgt eine posturale Reaktion, welche ganz automatisch abläuft. Man versuche einmal, darauf zu achten! Merke Posturale Reaktion: Aktivierungsschema von Muskeln zur Standstabilisierung. Bei VorwärtsbewegungoAktivierung dorsaler Muskelgruppen. Bei RückwärtsbewegungoAktivierung ventraler Muskelgruppen.

15.8.3 Ergreifen eines Gegenstandes Präzisionsfingermotorik Cortical ist die Handmotorik in Bewegungsprogrammen (nicht in Muskelgruppen!) auf einem relativ großen Gebiet des kontralateralen Cortex repräsentiert. Dies korreliert mit der großen Anzahl von Bewegungsfreiheitsgraden aus 16 Gelenken und der Vielzahl involvierter Muskeln. Ein Teil der Handmuskeln, v. a. der distalen Fingermuskulatur, ist beim Menschen monosynaptisch durch Pyramidenbahnen mit dem Cortexareal verbunden (corticomotoneurales System). Dies erlaubt im Gegensatz zu anderen Primaten den so genannten »Präzisionsgriff« oder »Pinzettengriff«, welcher die Opposition von Daumen und Zeigefinger beschreibt. Die Kontrolle und Koordination der Greifkraft in der Feinmotorik hängt u. a. wesentlich von der Handsensibilität ab (Kraft und Wirkung werden erfühlt und feinjustiert!). Der Präzisionsgriff ist an die Intaktheit des corticospinalen Trakts (CST) gebunden. Merke Beim Neugeborenen ist die Myelinisierung der Pyramidenbahnen im CST und die monosynaptische Verknüpfung zu der Feinmotorik noch nicht abgeschlossen (postnatale Reifungsphase). Säuglinge verfügen noch nicht über einen Präzisionsgriff! Wie bei den meisten Primaten sind hier erst nur polysynaptische Verbindungen zu den Motoneuronen ausgebildet, welche einen groben »Massengriff« erlauben.

1195 15.9 · Störungen der Motorik

Der Massengriff ist durch gemeinsamen Fingerschluss und Umklammerung eines Objekts gekennzeichnet. 15.8.4 Motorisches Lernen (»Alles muss man selber lernen…! Wer kennt das nicht? Vom Schnürsenkel binden bis zum Schlagzeug spielen mit vier Extremitäten unabhängig voneinander!«). Das fehlerfreie Ausüben neuer, aber auch alter motorischer Programme setzt das Training von Bewegungssequenzen voraus. Hierzu wird im prämotorischen Programm die Bewegungssequenz zunächst geplant und über die motorischen Schleifen initiiert. Gerade bei neuartigen Programmen (z. B. Erlernen von Klavier-Fingerübungen) wird die zu lernende Bewegung langsamer als im späteren Kontext ausgeführt. Die initiierte Bewegung wird durch periphere Sensoren (z. B. Propriozeptoren, Muskelspindeln) erfasst und durch aufsteigende Bahnen rückgekoppelt. Hierbei erfolgt Feedback zu Fehlererkennungssystemen, z. B. Kleinhirn, Thalamus und assoziative Rindenfelder, welche Abweichungen der Stabilität und Koordination vom Plan erfassen und korrigieren. Reflexkorrektur findet auf spinaler und Hirnstammebene statt. Wird die Abweichung von ausgeführter und beabsichtigter Bewegung durch Vergleich des Programms mit den Feedbackinformationen immer kleiner, ist die Bewegung erlernt und wird in einem »sensomotorischen Gedächtnis« gespeichert. Hierbei werden anscheinend Bereiche des prämotorischen und v. a. des Assoziationscortex nach dem neuen Bewegungsmuster synaptisch fixiert (7 Kap. 20) (Bei einer Drummer-Session erzählte der bekannte Schlagzeuger Chester Thompson [spielte u. a. bei Frank Zappa] dem Autor, dass Üben ein, wie er es nannte, »Muscle Memory« hinterlässt, d. h. die Muskeln wissen, was zu tun ist. Dies hat den Autor tief beeindruckt). Motorisches Training (Fertigkeiten) erfordert hohe Konzentration (logisch!). Durch die Fokussierung tritt häufig bald zentrale und periphere Ermüdung ein. KLINIK Manche Bewegungsprogramme müssen ontogenetisch in einem engen Zeitfenster erlernt werden. Das binokulare Sehen beispielsweise ist an eine koordinierte Fixation beider Augen gekoppelt und muss erlernt werden! Bei frühkindlichem Schielen ist eine Schielbehandlung mit alternierendem Abdecken beider Augen zum Fixationstraining beider Augen nur in einem engen Zeitfenster (evtl. 3.–5. Lebensjahr) möglich. Danach kann räumliches Sehen nicht mehr erlernt werden.

15

15.8.5 Sprache Stimmbildung: Durch Oszillation der Stimmlippen werden Schallschwingungen im Kehlkopf erzeugt (Phonation). Diese bilden die Grundlage der Stimmbildung, sind an die Atmung gekoppelt (in der Regel wird während der Exspiration gesprochen) und entstehen durch feinmotorische Justierung der inneren Kehlkopfmuskeln. Diese feinen Muskelspannungen decken einen Frequenzbereich von mehreren Oktaven ab, je nach Trainingszustand (Stimmbildungslehre, Gesangsunterricht). Die Artikulation des phonierten Schalls findet im Nasenrachenmundraum statt. Phonation und Artikulation werden im motorischen Sprachzentrum (BrocaZentrum) der sprachdominanten Hemisphäre (7 Kap. 20) reguliert.

15.9

Störungen der Motorik

15.9.1 Muskeltonus Der Muskeltonus ist von immenser Bedeutung bei der Einstellung der Muskelkraft gegen äußere Belastung. Stehen erhöht beispielsweise den Muskeltonus der proximalen Strecker durch Anwendung des Eigenreflexes bei schwerkraftbedingter Muskeldehnung. Der Muskeltonus wird durch Rückkopplung eingestellt und unterliegt zentral deszendierend hemmenden Bahnen (7 Kap. 15.4). Der Muskelgrundtonus wird klinisch an der willkürlich entspannten Extremität geprüft. . Tabelle 15.9 fasst wichtige Ursachen muskulärer Hypertonien und Hypotonien zusammen. KLINIK Prüfen des Muskeltonus: an entspannter Extremität werden gezielt Gelenke des Patienten unrhythmisch schnell hin- und herbewegt (passive Bewegung!). Normalbefund: Lockere, weiche Beweglichkeit. Pathologisch sind muskuläre Hypertonie (Spastik, Rigor, Zahnradphänomen, s. u.) und muskuläre Hypotonie (schlaffe Muskulatur, Gelenke überstreckbar). Pathologische Zustände des Muskeltonus gehen auch mit einer reduzierten Auslösbarkeit der Eigenreflexe einher. Bei Hypotonie muskulärer und nervaler Ursache (Motoneurone bei spinalem Schock oder kontraktile Filamente bei Myopathie) sowie bei Hypertonie (nerval z. B. Spastik bei Multiple Sklerose, Rigor bei ParkinsonKrankheit, muskuläre Ursachen viel seltener, z. B. 6

1196

Kapitel 15 · Motorik

15.9.3 Tremor bei Myotonien) ist der efferente Schenkel des Eigenreflexes beeinträchtigt. Wichtige Ausnahme bilden spastische Lähmungen bei Ausfall deszendierend hemmender Bahnen mit gesteigerten Eigenreflexen (s. u.).

15.9.2 Spastik

Tremor bezeichnet eine unwillkürliche Zitterbewegung der Muskulatur, welche nieder-, mittel (4–7 Hz) oder hochfrequent (>7 Hz) sein kann. Sie stellt in der Regel eine Erkrankung der Reafferenz an den motorischen Cortex dar, also von Basalganglien oder Kleinhirn. Essenzielle Formen ohne zentrale Beteiligung kommen auch vor und sprechen gut auf Betablocker an (z. B. Propranolol).

Merke

KLINIK

Die Spastik ist geprägt durch die klinische Trias: muskuläre Hypertonie, gesteigerte Eigenreflexe und erhöhter Dehnungswiderstand der Muskulatur! Typisch ist das so genannte Taschenmesserphänomen bei passivem Durchbewegen der Gelenke mit deutlichem Widerstand am Anfang, welcher dann plötzlich nachlässt.

Leitsymptom für Basalganglienerkrankung (z. B. Parkinson-Krankheit) ist der Ruhetremor: dieser nimmt bei Intentionsbewegungen ab. Bei Kleinhirnerkrankungen findet sich typischerweise der Intentionstremor: dieser tritt bei Zielbewegung verstärkt auf und verschwindet in Ruhe.

Zentrale Spastik: Bei reinem Befall des corticospinalen

Trakts resultiert eine zentrale spastische Lähmung mit Verlust der Feinmotorik (monosynaptische Lähmung) und Wegfall der deszendierend hemmenden Inputs zu den D-Motoneuronen (D-Spastik). Durch fehlende Hemmung auf J-Motoneurone (J-Spastik) werden die Muskelspindeln vorgedehnt und deren Sensibilität für Dehnungsreflexe erhöht (ogesteigerte Eigenreflexe!). Beispielhafte Erkrankungen, welche mit Spastik einhergehen, sind Ischämien der Capsula interna oder spastische Lähmungen nach Rückenmarkquerschnitt (. Tab. 15.9).

Ferner finden sich medikamenteninduzierte Tremorformen bei Neuroleptikatherapie, welche nach Absetzen sistieren. Psychogene Tremorformen lassen sich durch sorgfältige Anamnese eruieren. 15.9.4 Querschnittsverletzung

des Rückenmarks Bei Querschnittsverletzung tritt nach zeitlicher Abfolge folgendes Querschnittsyndrom auf: 4 Akuter Querschnitt: Phase des spinalen Schocks mit Ausfall sämtlicher Reflexe und Plegie im und unterhalb des betroffenen Segments!

Physiologie

. Tab. 15.9. Symptome muskulärer Hypotonie, Hypertonie und wichtige nervale und muskuläre Ursachen

Muskuläre Hypotonie

Muskuläre Hypertonie

Klinisch: Tonusverlust, Atrophie, Hypo- bis Areflexie Beim passiven unrhythmischen Durchbewegen der Gelenke sind diese ohne Widerstand überstreckbar, Schwerkraft ist aktiv kaum oder nicht überwindbar (Plegie).

Klinisch: Erhöhter Muskeltonus, evtl. Hypertrophie, Hyporeflexie. Beim passiven Durchbewegen der Gelenke je nach Ursache Spastik (Taschenmesserphänomen), Rigor (zunehmender Widerstand), Zahnradphänomen (bei Parkinson-Krankheit)

Nervale Ursachen: Poliomyelitis spinaler Schock periphere Nervenläsion Vitamin-B-Mangel

Nervale Ursachen: Tetanus Parkinson-Krankheit Multiple Sklerose Pyramidenbahnläsion Dezebrierung chron. RM-Querschnitt Capsula-Interna-Ischämie

Muskuläre Ursachen: Intensivpatienten Myopathie (Critical Illness Myopathie) Proteolytische Myopathie mitochondriale Myopathie Hyperkaliämisch-periodische Paralyse Myasthenie Duchenne-Dystrophie

Muskuläre Ursachen: Myotonia congenita maligne Hyperthermie

1197 15.9 · Störungen der Motorik

4 Chronischer Querschnitt: nach ca. 6 Wochen (1–6 Monate) im Anschluss: 5 Oberhalb der Läsion: normale Reflexe, normaler Muskeltonus. 5 Läsionshöhe: Plegie, Reflexe erloschen. 5 Unterhalb der Läsion: Hyperreflexie (Fehlen hemmend deszendierender Bahnen), Massen-

15

reflexe (Aussprossung erregend segmentaler Afferenzen an degenerierte absteigende Bahneno»Sprouting«), pathologische Reflexe (Reaktivierung von Primitivreflexen, z. B. Babinski), Spastik (spastische Lähmung mit muskulärer Hypertonie).

Fallbeispiel Ein 25-jähriger Motorradfahrer wird nach einem Unfall, bei dem er von seiner Maschine gerissen und gegen eine Bordsteinkante geschleudert wurde, vom Notarzt aufgefunden. Der Mann ist ansprechbar, klagt über stechende Schmerzen im linken Arm, fühlt aber seine Beine nicht. Der Helm wird vorsichtig entfernt und eine Halskrause angelegt. Pupillenreaktionen sind regelrecht und der Blutdruck stabil 100/70 mmHg bei tachykardem Puls. Er erhält eine Infusion und wird in die nächste Neurologische Klinik gebracht. Bei Aufnahme zeigt sich eine beidseitige Areflexie von Achilles-, Patellar- und Adduktorenreflex. Auch der Kremasterreflex ist negativ, der Bauchhautreflex jedoch beidseits positiv. Sensibilität ist

beidseits ab Inguinalband absteigend aufgehoben. Beidseits zeigt sich eine proximal betonte Plegie der unteren Extremität. Klinisch wird die Diagnose eines spinalen Schocks in Höhe Th12–L1 gestellt. Im MRT zeigt sich eine Zertrümmerung der oberen LWS. Als Akutmaßnahme erhält der Patient einen suprapubischen Blasenkatheter, Analgesie sowie Thromboseprophylaxe. Kreislauf und Atmung bleiben in der Folge stabil, der Patient wird frühzeitig einer intensiven Ergo- und Physiotherapie zugeführt. Nach 8 Wochen zeigen sich erstmals lebhafte Reflexe der Beine. Im Verlauf lernt der Patient die reflexhafte Entleerung von Blase und Mastdarm durch Beklopfen der Bauchdecke und erhält nach einer Rehabilitationsmaßnahme eine Umschulung im EDV-Bereich.

Physiologie

1199

16

16 Somatoviszerale Sensorik Mind Map Somatoviszerale Sensorik: Die somatoviszerale Sensorik verarbeitet und leitet taktile, mechanische, thermische und nozizeptive Sinnesmodalitäten der Oberflächen- (Haut), Tiefen- (Gelenke, Muskeln) und Eingeweidesensibilität von peripheren spezifischen Rezeptoren über afferente periphere und Spinalnerven nach zentral ins Rückenmark, Hirnstamm, Thalamus und Cortex. Rezeptortypen und Qualitäten: Mechanozeption der Haut vermittelt verschiedene Qualitäten (Druck, Druckänderung, Vibration) und verfügt über mehrere Rezeptorstrukturen. Merkel-Zellen und RuffiniKörperchen sind Drucksensoren, Meissner-Körperchen sind Geschwindigkeitssensoren und PaciniKörperchen sind Vibrationssensoren. Das Adaptationsverhalten eines Rezeptors bestimmt seine Fähigkeit, Geschwindigkeiten (rasche Adaptation) oder konstante Drücke (langsame Adaptation) aufzulösen. Innervation und rezeptives Feld: Die Innervationsdichte eines afferenten Hautnerven gibt sein peripheres rezeptives Feld an. Die Größe rezeptiver Felder lässt sich mit der Zweipunktschwelle bestimmen. Die Raumschwellen sind für verschiedene Modalitäten und Qualitäten verschieden über die Körperoberfläche verteilt. Für Berührung sind sie proximal höher (größere Raumschwelle, z. B. Rumpf ) als distal (niedrige Raumschwelle, Finger). Für Thermozeption existieren Kalt- und Warmrezeptoren. Schmerz wird über freie Nervenendigungen registriert (Nozizeptoren). Taktile Afferenzen leiten schneller als thermo- und nozizeptive Afferenzen. Afferenzen und zentrale Umschaltung: Die Afferenzen laufen in peripheren Nerven zu Spinalnerven in die Hinterwurzel des Rückenmarks. Besonders im Bereich von Nervenplexus erfolgt eine segmentale Überlappung von Fasern aus mehreren Spinalnerven

auf ein Rückenmarksegment (Dermatome). Bei Ausfall eines peripheren Nerven resultiert eine Anästhesie im Versorgungsgebiet, bei Ausfall eines Wurzelsegments hingegen eine Ausdünnung des Dermatoms. Im Rückenmark werden taktile und propriozeptive Afferenzen ipsilateral im Hinterstrang ohne Umschaltung zu Hirnstammkernen geleitet. Dort erfolgt eine Umschaltung und Kreuzung zur Gegenseite mit Aufstieg zum ventrobasalen Thalamus. Schmerz- und Temperaturafferenzen werden auf ein sekundäres Rückenmarksneuron und ipsilateral weiter auf sympathisch präganglionäre Neurone und Motoneurone geschaltet oder kreuzen zur Gegenseite, um im Vorderseitenstrang zu Thalamus, Tektum oder Formatio reticularis zu ziehen. Vom Thalamus aus erfolgt die somatotope Leitung zu Cortexarealen des somatosensorischen Cortex S1 und S2, welcher in Kolumnen organisiert ist. Hand-, Finger- und Mundbereiche sind im sensiblen Homunculus überproportional groß repräsentiert. Nozizeption und Entzündung: Schmerz ist eine Sinnesempfindung bei schädlichen Noxen mit dem Ziel protektiver Maßnahmen. Bei Gewebeläsionen werden Entzündungsmediatoren freigesetzt, welche Nozizeptoren sensibilisieren oder »stumme« aktivieren. Ferner schütten Nozizeptoren Mediatoren aus, welche eine neurogene Entzündung fördern und das Immunsystem aktivieren. Die Entzündung ist gekennzeichnet durch Rubor, Calor, Dolor, Tumor und Functio laesa. Peripher wirkende Analgetika hemmen die Bildung von Entzündungsmediatoren (v. a. Prostaglandine). Motorische Reaktionen sind z. B. Schonhaltung. Auf zentraler Ebene werden Schmerzzellen des Rückenmarks sensibilisiert, aber auch tonisch deszendierend von Kernen des periaquäduktalen Höhlengraus gehemmt (endogene Schmerzhemmung). Die endogene Schmerzhemmung deszendiert weitgehend ipsilateral im Funiculus dorsalis ins Rückenmark. Opioide greifen an den spinalen Schmerzverarbeitungsprozessen an und reduzieren die zentrale Schmerzleitung.

1200

Kapitel 16 · Somatoviszerale Sensorik

16.1

Funktionelle und morphologische Grundlagen

Merke Jede Modalität (z. B. Oberflächensensibilität) besitzt ein Spektrum von Qualitäten (z. B. Berührung, Vibration, Kälte), welche quantifiziert werden können (z. B. KälteoTemperatur 0–10°C).

16.1.1 Einteilung, Modalitäten

und Qualitäten Die somatoviszerale Sensibilität umfasst in Abgrenzung von den klassischen Sinnesmodalitäten (Gehör, Sehen, Geruch, Geschmack) die weitere Aufspaltung des fünften klassischen Sinnes »Tasten« sowie die Nozizeption (Schmerzsinn). Je nach Lage der taktilen Rezeptoren in Haut, Gelenken und Muskeln sowie inneren Organen wird der Tastsinn aufgeteilt in die Modalitäten 4 Oberflächensensibilität (Hautsensibilität), 4 Tiefensensibilität (Propriozeption) und 4 Eingeweidesensibilität (Viszerozeption). Die Oberflächensensibilität teilt sich in die Submodalitäten Mechanozeption und Thermozeption auf. Wahrscheinlich gibt es eine derartige Aufteilung auch für die Viszerozeption. Die Abgrenzung zu viszeraler Nozizeption ist hier aber nicht scharf.

. Tabelle 16.1 gibt einen Überblick über die Aufteilung der Modalitäten und Qualitäten der somatoviszeralen Sensorik.

Afferente Leitung: Die von den Rezeptoren erzeugten

Rezeptorpotenziale werden wie gewohnt (7 Kap. 12.6) über peripher afferente Nerven dem Rückenmark als Aktionspotenziale zugeleitet und über aufsteigende spinale Bahnen der zentralen Verarbeitung (sensorischer Cortex) zugänglich gemacht. Die peripheren afferenten Nerven des somatoviszeralen Nervensystems enthalten schnell leitende (myeliniserte) A-Fasern (Aβ, AG, . Tab. 16.1) und im Wesentlichen langsam leitende (marklose) C-Fasern (~90%) sowie im Bereich der afferenten Innervation der Muskulatur Afferenzen der Propriozeption (Ia-, Ib-Fasern, 7 Kap. 15).

. Tab. 16.1. Modalitäten, Qualitäten, Rezeptoren und Fasern der somatoviszeralen Sensorik

Klassische Sinnesmodalitäten: Gehör, Geruch, Tastsinn, Sehen, Geschmack Somatoviszerale SensibilitätoTastsinn- und Schmerzsinn-Modalitäten Oberflächensensibilität Hautsensibilität

Tiefensensibilität Propriozeption

Physiologie

Submodalitäten:

Eingeweidesensibilität Viszerozeption

Schmerzsinn Nozizeption

Submodalitäten:

Mechanozeption

Thermozeption

Mechanozeption

Chemozeption

Qualitäten: Berührung, Druck, Vibration

Qualitäten: Wärme, Kälte

Qualitäten: Gelenkstellung, Muskelspannung (Kraft), Muskellänge

Qualitäten: Druck

Qualitäten: Osmolarität, pH, pCO2

Qualitäten: Schmerz

Rezeptoren: Merkel-, Ruffini-, Meissner-, PaciniZellen, Haarfollikel

Rezeptoren: Kaltrezeptoren, Warmrezeptoren

Rezeptoren: Muskelspindel, Golgi-Organe, Mechanozeptoren Haut und Gelenke

Rezeptoren: Barorezeptoren, Pressorezeptoren

Rezeptoren: Osmorezeptoren, Chemorezeptoren

Rezeptoren: Nozizeptoren (freie Nervenendigungen)

Fasern: Aβ-Fasern (myelinisiert 30–70m/s)

Fasern: Kalt: AG-Fasern (myelinisiert, 10–30 m/s) Warm: C-Fasern (marklos, 1–3 m/s)

Fasern: AD-Fasern (Ia,Ib) (myelinisiert ~100m/s) AJ-Fasern (markhaltig, ~30–50 m/s)

Fasern: C-Fasern über N. vagus zum Hirnstamm oder Nn. splanchnici und Grenzstrang zum Rückenmark

Fasern: AG-Fasern (schneller, scharfer Schmerz) C-Fasern (dumpfer Schmerz)

1201 16.1 · Funktionelle und morphologische Grundlagen

Merke Der überwiegende Teil der Afferenzen peripherer somatoviszeraler Nerven sind langsame C-Fasern! Etwa die Hälfte aller C-Fasern sind efferente Fasern des vegetativen Nervensystems (7 Kap. 14).

Erregungsschwellen: Die einzelnen Afferenzen besit-

zen unterschiedliche Erregungsschwellen. So sind z. B. Schmerzafferenzen in der Regel höherschwelliger (kleiner Durchmesserohoher Widerstand, marklos) als Afferenzen der Oberflächensensibilität. KLINIK Anästhesieformen Bei der Oberflächenanästhesie wird ein Lokalanästhetikum direkt auf Schleimhäute aufgebracht. Dieses hemmt (bei den meisten Präparaten, z. B. Lidocain) durch Blockade der Na+-Kanäle schnell die Entstehung von Aktionspotenzialen an Nozizeptoren (evtl. auch der Mechanozeptoren, Thermozeptorenodumpfes, warmes oder kaltes Gefühl nach Oberflächenanästhesie). Bei der Regionalanästhesie oder Leitungsanästhesie wird hingegen eine Leitungsblockade peripherer afferenter Nerven (bei höherer Dosierung auch motorischer Nerven) durch perinervale Infiltration (Injektion des Anästhetikums um den Nerven) bewirkt. Die Nervenleitung wird sequenziell blockiert: DifferenzialblockoModalitäten der Nerven werden in typischer Reihenfolge betäubt. Zunächst Blockade sympathischer Fasern (oVasodilatation und Warmwerden der Haut) gefolgt von Schmerzfasern, dann Temperatur, Berührung und zuletzt die Motorik. Dies beruht auf unterschiedlichen Diffusionsbarrieren der einzelnen Fasern, wobei Diffusion um dünne, marklose Fasern (C-Fasern: Tiefenschmerz, postganglionäre autonome Nerven) schneller erfolgt als um dicke myelinisierte. Je dicker ein Nerv ist, desto höher ist die notwendige Anästhetikakonzentration zur Blockade.

Es gibt 2 verschiedene Schmerzleitungssysteme: 1. rasch leitendes Schmerzsystem über AG-Fasern (scharfer Schmerz), 2. langsam leitendes C-Faser-System (»dumpfer, tiefer Schmerzo»langsam und c-äh«). Da AG-Fasern dick und myelinisiert sind, verschwindet bei Anästhesie zuerst der dumpfe Schmerz und dann der scharfe Schmerz.

16

16.1.2 Rezeptive Strukturen Aufbau und Funktion Die rezeptiven Sensoren der somatoviszeralen Sensibilität bestehen aus den peripheren Endigungen, Axonen oder Dendriten afferenter Nervenfasern, welche entweder frei (z. B. Schmerzafferenzen) oder eingebettet in Hilfsstrukturen (z. B. Merkel-Zellen, Pacini-Körperchen, Muskelspindeln) vorliegen. Die Rezeptormorphologie bedingt die Rezeptoreigenschaft, d. h. die vorwiegend begrenzte Empfindlichkeit auf eine Reizform (adäquater Reiz) mit niedriger Energie (unimodal). Bei höheren Reizenergien reagieren viele Rezeptoren auch auf andere Reize (polymodal). Mechanoelektrische Signaltransduktion . Abbildung 16.1a zeigt schematisch die rezeptive Struktur eines Mechanorezeptors (z. B. Pacini-Körperchen, s. u.). Die Umwandlung mechanischer Reize (z. B. Druck) in elektrische Impulse wird durch die Einbettung der Nervenendigungen in Zytoskelett- und extrazelluläre Matrixkomponenten gewährleistet. Durch Verflechtung von Zytoskelettfasern mit Kationenkanälen können diese durch Druck geöffnet werden. Druck auf die Membranoberfläche wird dabei in eine Scherkraft übersetzt, welche die Kanäle quasi »aufzieht«. Diese Form von Ionenkanälen nennt man mechanosensitive Kanäle. Die Erhöhung der Leitfähigkeit für Na+-Ionen (und auch K+) sorgt für die Ausbildung eines depolarisierenden Rezeptorpotenzials (RP) (Generatorpotenzial; Ausnahme: hyperpolarisierendes RP retinaler Photorezeptoren), welches elektroton zum ersten Schnürring (bei markhaltigen Fasern) geleitet wird. Dort ist die Dichte von spannungsabhängigen Na+ Kanälen besonders hoch. Wird die Erregungsschwelle überschritten, resultiert ein Aktionspotenzial (AP), welches entlang der afferenten Faser zentralwärts geleitet wird. Merke Jeder Rezeptortyp hat einen Empfindlichkeitsund Arbeitsbereich, welcher lokal durch Mediatorsubstanzen (z. B. bei Entzündung: Serotonin, Histamin, Prostaglandin, Kinine) verändert werden kann. Hierdurch erklärt sich z. B. die erhöhte Mechanosensibilität in entzündeten Gebieten (schon leichte Berührung wird als stark empfunden). Einige komplexe Sensoren erreichen eine Veränderung des Arbeitsbereichs durch efferente Kontrolle, z. B. Muskelspindeln durch J-Innervation (7 Kap. 15).

1202

Kapitel 16 · Somatoviszerale Sensorik

. Tab. 16.2. Organspezifische Verteilung der somatoviszeralen Sensoren und ihr Verhältnis zu afferenten Faserklassen

System

Nozizeptor

Viszerozeptor

Propriozeptor

Thermozeptor

Mechanozeptor

Haut

√ AG-, C-Fasern osubepidermal

–

–

Warmrezeptor (C-Fasern) Kaltrezeptor (AG, C-Fasern) osubepidermal

behaarte Haut Subepidermal: Tastscheibe

Dermal: Haarfollikel und RuffiniKörperchen oAD, Aβ-Fasern

unbehaarte Haut Subepidermal: Merkel-Zelle, MeissnerKörperchen (AD, Aβ) Dermal: freie NE, Ruffini-Körperchen (AD, Aβ) Subdermal: Pacini-Körper (Aβ)

Gelenke

√ AG-, C-Fasern

–

√ Stellungssensoren Aβ-Fasern

–

–

Innere Organe

√ AG-, C-Fasern

√ AG-, C-Fasern

–

–

√ Barorezeptoren (C-Fasern über N. vagus)

Muskeln

√ AG-, C-Fasern

–

√ Muskelspindel (AD, AβoIa-Fasern) Golgi-Organe (ADoIb-Fasern)

–

–

NE: Nervenendigung.

Physiologie

Rezeptives Feld und Zweipunktschwelle Das periphere rezeptive Feld ist das periphere (Haut-) Areal eines afferenten Nerven, welches mit Sensoren bestückt ist. Erregung der Sensoren dieses Feldes erzeugt Aktionspotenziale in diesem afferenten Nerven. Die Zweipunktschwelle ist ein Maß für das räumliche Auflösungsvermögen eines Reizpaares (7 Kap. 16.2.3). Sie resultiert zum einen aus der peripheren Rezeptordichte, aber auch aus dem Maß der zentral neuronalen Verschaltung (laterale Hemmung, 7 Kap. 12.6). Sie ist für verschiedene Modalitäten getrennt messbar. 16.1.3 Afferente und zentrale Strukturen . Tabelle 16.2 fasst die organspezifische Verteilung der verschiedenen Sensortypen der somatoviszeralen Sensibilität zusammen.

Innervationsgebiete

Die gesamte somatoviszerale Sensibilität ist gemäß der segmentalen Gliederung des Rückenmarks topographisch in der Peripherie geordnet. Zu jedem Hautnerven gehört in der Peripherie ein umschriebenes peripher nervales Innervationsgebiet. Hiervon ist streng der Begriff des Dermatoms abzugrenzen! Ein Dermatom ist das zu einem Hinterwurzelsegment gehörige peripher sensible Innverationsgebiet. Das Dermatom ist ein sehr viel großflächigeres sensibles Gebiet als das eines peripheren Nerven, da viele sensible Afferenzen in eine Hinterwurzel einmünden. Innerhalb der Spinalnerven findet beim Wachstum der Spinalganglienaxone in Richtung Peripherie eine Umbündelung und Auffächerung der Afferenzen statt, sodass Fasern eines peripheren Nerven in mehrere Hinterwurzeln projizieren können. Dies ist besonders in Bereichen von Nervenplexus der Fall. Durch diese Auffächerung (z. B. in Faszikeln) überlappen sich Der-

1203 16.1 · Funktionelle und morphologische Grundlagen

matome benachbarter Rückenmarksegmente z. T. stark und sind nicht scharf voneinander abgegrenzt (z. B. L2–L4). Merke Durchtrennung eines peripheren sensiblen Nerven führt zu umschriebenem Sensibilitätsausfall mit Anästhesie (!), Durchtrennung eines Hinterwurzelsegments (oder äquivalent: eines Spinalnerven) führt nicht zum gleichen umschriebenen Sensibilitätsausfall, sondern zu einer Ausdünnung der Innervation mit Anstieg der Zweipunktschwelle (Abnahme der räumlichen Auflösung mit Hypästhesie). Anteile des peripheren Nerven aus benachbarten Hinterwurzelsegmenten können die Innervationslücke z. T. kompensieren.

16

4 Neurone, welche selektiv von Thermo- und Nozizeptoren erregt werden und multirezeptive Neuroneo Lamina I, II, V. 4 Neurone, welche von Mechanozeptoren der Haut erregt werdenoLamina III, IV. 4 Neurone, welche von Gelenk- und Propriozeptoren erregt werdenoLamina VI. Bei der Umschaltung im Hinterhorn auf die sekundären Neurone wird das rezeptive Feld meist vergrößert. Es findet auch Konvergenz statt, d. h. Afferenzen aus verschiedenen Organen (z. B. nozizeptive Afferenzen der Haut und aus inneren Organen) oder verschiedener Modalitäten werden auf dasselbe spinale Neuron umgeschaltet. Bedeutsam ist dies v. a. für die »Umlokalisation« von Afferenzen innerer Organe, welche in Form von Head-Zonen innere Organe auf die Körperoberfläche abbildet.

KLINIK Die Kartierung der Hinterwurzelsegmente in periphere Dermatome spielt in der neurologischtopischen Diagnostik der Spinalisierungssyndrome eine wichtige Rolle. Sie kann nicht exakt hergeleitet werden (»sorry, leider Auswendiglernen«). Karpaltunnelsyndrom: häufigste periphere Engpass-Neuropathie mit mechanischer Kompression des N. medianus im Verlauf unterhalb des Retinaculum flexorum (z. B. bei Schwellung, Arthritis, Arthrose, Diabetes mellitus). Klinisch Parästhesien der ersten dreieinhalb Finger von radial auf der palmaren Seite (plantar: erste zweieinhalb Finger!). Durch Beklopfen des Karpaltunnels auslösbare elektrisierende Schmerzen. Therapie: In der Regel chirurgische Entlastung (Spaltung des Retinaculum), evtl. konservativ Cortison.

Spinale Verschaltung somatoviszeraler Afferenzen Die somatoviszeralen Afferenzen treten alle über das segmentale Rückenmarkshinterhorn ein (»das erste afferente Neuron ist stets und immer das Spinalganglion!«) (. Abb. 16.1b). Von hier aus werden die Afferenzen unterschiedlich in der grauen Substanz über erregende Synapsen weiterverschaltet oder direkt ohne Umschaltung dem ipsilateralen aufsteigenden Hinterstrangsystem (Tractus cuneatus, Tractus gracilis) zugeleitet (taktile Mechanozeption der Haut und Propriozeption). Das Hinterhorn ist in Schichten nach Rexed eingeteilt (Laminae I–VI). Afferenzen aller Modalitäten enden relativ spezifisch in den verschiedenen Schichten:

Verlauf nach spinaler Verschaltung

Als mögliche Ausgänge nach spinaler Verschaltung auf sekundäre Rückenmarkneurone sind möglich: 4 Kreuzung zur Gegenseite ins Vorderseitenhorn und Aufstieg der Afferenzen im Vorderseitenstrang zur Formatio reticularis (Tractus spinoreticularis), Thalamus (Tractus spinothalamicus) oder Mittelhirn (Tractus spinotectalis). Im Vorderseitenstrang werden Temperatur- und Schmerzafferenzen der Gegenseite transportiert. 4 Aufsteigende und absteigende Verbindungen von propriospinalen Afferenzen zu Nachbarsegmenten (wichtig für FremdreflexeoBeugereflex, 7 Kap. 15.4.5). Polysynaptisch! 4 Erregende Projektion auf segmentale Motoneurone. 4 Erregende Projektion auf sympathische präganglionäre Neurone (7 Kap. 14). Hierdurch wird auch lokale Vasokonstriktion der Hautgefäße bei Erregung von Kaltrezeptoren desselben Hautgebiets ausgelöst. Merke Im Hinterseitenstrang werden taktile und propriozeptive Afferenzen der ipsilateralen Seite geleitet (direkte Leitung ohne spinale Umschaltung, 1. Neuron im Spinalganglion). Im Vorderseitenstrang werden v. a. thermische und nozizeptive Afferenzen der kontralateralen Seite geleitet (spinale Umschaltung auf sekundäres Neuron im Hinterhorn, Lamina I, II, V und Kreuzung zur Gegenseite). Sexuelle Empfindungen werden teilweise auch hier geleitet (beim Orgasmus).

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Kapitel 16 · Somatoviszerale Sensorik

KLINIK Dissoziierte Empfindungsstörung »BrownSequard-Syndrom«: Spinalisierungssyndrom bei segmentaler Halbseitenläsion im Rückenmark. Bei Befall der Vorderwurzel resultiert eine ispilaterale motorische Lähmung. Bei Befall der Hinterwurzel findet sich für sensible Afferenzen unterhalb der Läsion eine ipsilaterale Störung des Tast- (Hypästhesie, Anästhesie) und Stellungssinns (bei geschlossenen Augen können Gelenkstellungen nicht benannt werdenoBewusstwerdung der Propriozeption gestört) durch Ausfall des ipsilateralen Hinterstangsystems. Kontralateral findet sich unterhalb der Läsion ein Ausfall der Temperaturund Schmerzempfindung (Analgesie) durch Ausfall des ipsilateralen Vorderseitenstrangsystems.

Praxis. Beim Brown-Sequard-Syndrom ergeben sich interessante Konstellationen: auf der motorisch gelähmten Seite wird Berührung nicht, Schmerz aber sehr wohl empfunden! Auf der motorisch gesunden Seite wird Berührung, aber kein Schmerz oder Temperatur empfunden. Bei diesen Patienten sind daher z. B. Schutzreflexe der nicht gelähmten Extremität gestört: Da Schmerz nicht empfunden wird, muss die nicht gelähmte Seite immer bewusst beobachtet werden, da z. B. unbemerkte Verbrennungen möglich sind. Die gelähmte Seite wiederum kann Schmerz empfinden, aber nicht bewegt werden! Deszendierende Kontrolle

Kontrolle der spinalen synaptischen Übertragung und damit die Einstellung des Arbeitsbereichs der Afferenzen ist durch modulierende, deszendierende Bahnen und spinale Interneurone möglich (prä- und postsynaptische Hemmung, 7 Kap. 15.4, 7 Kap. 16.6 »endogene Schmerzhemmung«).

Physiologie

Leitungsbahnen und corticale Projektion

Hinter- und Vorderseitenstrang werden im Verlauf unterschiedlich verschaltet (. Abb. 16.1c). Hinterstrangbahnen erreichen ipsilateral die Hinterstrangkerne (Nucleus cuneateus et gracilis) in der Medulla oblongata, wo sie umgeschaltet werden (hier ist das 2. Neuron, »Sie erinnern sich?« Das erste ist im Spinalganglion), zur Gegenseite kreuzen und dort im Lemniscus medialis hauptsächlich zum posterolateralen ventrobasalen Thalamuskern (VPL) ziehen (aber auch zum posteromedialen, VPM, welcher v. a. Afferenzen aus dem Gesicht erhält, s. u.). Die segmentale Anordnung spinaler Afferenzen geht in den Hirnstammkernen in eine somatotope Gliederung über, welche im Thalamus und somatosensorischen Cortex beibehalten wird. Bei der Umschaltung in

den Hinterstrangkernen findet auch weitere Konvergenz statt, die Rezeptorspezifität wird beibehalten (nur Afferenzen derselben Rezeptorart konvergieren). Vorderseitenstrangbahnen der Gegenseite ziehen entweder direkt in Gebiete des unspezifischen Thalamus (oTractus spinothalamicus, . Abb. 16.1c) oder münden im Hirnstamm in Kerne der Formatio reticularis ein (Tractus spinoreticularis), wo sie multipel umgeschaltet werden. Die Formatio reticularis wird somatosensorisch als unspezifisches System bezeichnet (im Gegensatz zum spezifischen System der Hinterstrangkerne) mit unscharfen Beziehungen zu Vigilanz, Affektion, Schlaf, EEG. Somatotopie ist hier sehr viel geringer ausgeprägt als im Hinterstrangsystem (Schmerz ist sehr viel weniger gut somatotop lokalisiert als Berührung, »es tut immer mehr weh, als es nötig wäre«). Die Weiterleitung der Afferenzen erfolgt von hier aus hauptsächlich zu unspezifischen Komplexen des Thalamus (z. B. intralaminäre Kerne) und zum limbischen System (affektive Zuordnung von Empfindungen). Ferner ziehen Fasern im Tractus spinotectalis zum Mittelhirn. Merke Die Hinterstrangbahnen kreuzen im Hirnstamm zur Gegenseite, die Vorderseitenstränge schon auf Spinalebene.

Die sensiblen Afferenzen des N. trigeminus schließen sich ausgehend von den Trigeminuskernen im Hirnstamm ebenfalls den Fasern zum Thalamus an, wobei nur mechanozeptive Afferenzen des Gesichts im Lemniscus medialis verlaufen. KLINIK Nozizeptive Aktivierung serotoninerger Raphekerne bewirkt eine absteigende Hemmung des nozizeptiven Flusses im Hinterhornoselektive endogene Analgesie durch Opioidpeptid-aktivierte Interneurone (Transmitter: Enkephalin, β-Endorphin, 7 Kap. 16.6).

Thalamocorticale Projektion Von den Thalamuskernen ausgehend besteht eine bidirektionale Projektion der Afferenzen zum primären somatosensorischen Cortex im Sulcus postcentralis (S1oBrodmann Areale 1, 2, 3a, 3b) oder Sulcus lateralis (S2). Die Somatotopie im thalamocorticalen System ist für die Berührungssensibilität streng organisiert. Der VPL enthält taktile Afferenzen des kontralateralen Rumpfs (dorsaler VPL) und der Extremitäten (lateroventraler VPL). Der VPM enthält taktile Afferenzen

16

1205 16.1 · Funktionelle und morphologische Grundlagen

aus dem kontralateralen Gesichtsbereich vom sensiblen Trigeminuskern und Tractus trigeminothalamicus (in . Abb. 16.1c nicht gezeigt).

im Areal S2 ist weniger straff organisiert (Füße hinten, Gesicht vorne) und teils bilateral angelegt.

Merke Die Somatotopie des somatosensorischen Cortex S1 ist ähnlich derjenigen im motorischen Cortex ausgeprägt. Von medial nach lateral folgen: genital, untere Extremität, proximale obere Extremität, distale obere Extremität, Gesicht, Kiefer, Zunge, Rachen der kontralateralen Seite. Die Sensibilität der Hände und der perioralen Region ist überproportional groß vertreten. Die Somatotopie 6

a

Efferente Verbindungen

Efferente Verbindungen vom S1-Cortex bestehen: 4 zu motorischem CortexoBewegungs-Feedback; 4 zu Thalamus, Hinterstrangkernen, spinalem Hinterhornomodulierende Bereichseinstellung; 4 zu kontralateralen S1-, S2-Bereichen über KomissurenfasernoIntegration beidhändiger Sensibilität; 4 zu parietalem AssoziationscortexoVerknüpfung sensibler Information verschiedener Modalitäten zu einem Gesamtbild.

c

Druck Na+

S1 Kortex Druck

K+ Thalamus ventrobasalis

post. post. lat. med.

Formatio reticularis

AP

Lemniscus medialis

RP

Absteigende Bahn

b

+ – Mechano-, Thermo-,

Hinterstrang

Vorderseitenstrang

Tr. spinoreticularis

Medulla oblongata

Berüh rung, Prop rio-, Viszero zeption

Nozi-, Proprio-, ViszeroSensoren

Aα, Aβ

Aδ, C SympathikoNeuron α-MN

Tr. spinothalamicus

Hinterstrang Kerne

Schmerz, Temperatur

. Abb. 16.1a–c. Periphere und zentrale Komponenten der somatoviszeralen Sensibilität. a Peripherer Mechanozeptor (z. B. Pacini-Körperchen), welcher auf Druck mit einem Rezeptorpotenzial RP reagiert. Bei Überschreiten der Schwelle im ersten Schnürring wird ein Aktionspotenzial AP ausgelöst. b Spinale Organisation und Verschaltung der Afferenzen, welche über das Hinterhorn eintreten. Im Hinterstrang wird ipsilateral v. a. Berührung und Propriozeption, im Vorderseitenstrang v. a. Schmerz und Temperatur nach synaptischer Umschaltung und Kreuzung zur Gegenseite geleitet. c Zentrale Leitungstopologie der Afferenzen. Hinterstrang-

Hinter strang

Vorder seitenstrang RMSegment

bahnen schalten in den Hinterstrangkernen um und kreuzen zur Gegenseite, wo sie im Lemniscus medialis zum spezifischen Thalamus verlaufen. Nicht gezeigt sind die Afferenzen aus den Trigeminuskernen, welche ebenfalls zum spezifischen Thalamus ziehen. Afferenzen des Vorderseitenstrangs ziehen u. a. zur Formatio reticularis und werden nach mehreren Umschaltungen oder direkt über direkte spinothalamische und spinotektale Bahnen zum unspezifischen Thalamus und limbischen System geleitet. Der spezifische Thalamus projiziert somatotop zum primären somatosensorischen Cortex S1

1206

Kapitel 16 · Somatoviszerale Sensorik

16.2

Tastsinn

die Intensität der Erregung und adaptieren langsam: P-Sensoren = SA-Sensoren (slowly adapting). D-Sensoren adaptieren schnell und messen die Geschwindigkeit (»wer schnell adaptiert, hat’s eilig«): RA-Sensoren (rapidly adapting). Bei sehr schneller Adaptation messen D-Sensoren die Beschleunigung: PC-Sensoren (Pacini-Körperchen, Vibrationskörperchen).

16.2.1 Qualitäten 16.2.2 Eigenschaften der Sensoren 16.2.3 Funktionelle Organisation Nach ihrem unterschiedlichen Ansprechen auf taktile Reize, gemessen an Druckänderungen auf die Hautoberfläche (z. B. Eindrücken eines Stempels), unterscheidet man verschiedene funktionelle Antwortcharakteristika, denen auch bestimmte Rezeptortypen zugeordnet werden können (. Tab. 16.3). Merke Proportionalsensoren (P-Sensoren) registrieren nur (!) die absolute Eindringtiefe, die Aktionspotenzialfrequenz am Nerven ist hierzu proportional. Differenzialsensoren (D-Sensoren) registrieren nur die Änderung der Eindringgeschwindigkeit oder -beschleunigung.

Das Abnehmen der Erregung eines Rezeptors bei konstantem Reiz nennt man Adaptation. P-Sensoren messen

Merke Die Adaptationsrate eines Mechanosensors der Haut bestimmt seine Zugehörigkeit zu Intensitätssensoren (unbehaarte Haut: Merkel-Zelle, RuffiniKörperchen, behaarte Haut: Tastscheibe, RuffiniKörperchen), Geschwindigkeitssensoren (unbehaarte Haut: Meissner-Körperchen, behaarte Haut: Haarfollikel) und Beschleunigungssensoren (Pacini-Körperchen).

Prüfungsfallstricke »Berührung« ist ein Vorgang, bei dem sich ein Objekt taktil schnell der Haut nähert und wieder entfernt. Demnach werden die Geschwindigkeitssen6

Physiologie

. Tab. 16.3. Mechanozeptoren der Haut mit Lokalisation, Sensortyp (Adaptationsverhalten) und Reizantwort

Mechanosensor

Lokalisation

Sensortyp und Adaptation

Reizantwort, sonstige Eigenschaften

Merkel-Zellen Tast-Scheiben

unbehaarte Haut behaarte Haut osubepidermal

P-Sensor, Intensitätssensor SA-I (slowly adapting)

Druckrezeptoren; erfassen Druckstärke und -dauer senkrecht zur Hautoberfläche! Bei rascherer Reizzunahme zusätzlich Druckgeschwindigkeit. Ohne Reiz nicht aktiv. Markhaltiges Axon schließt sich an (Aβ)

Ruffini-Körperchen

behaarte und unbehaarte Haut oim Corium gelegen

reiner P-Sensor SA-II (slowly adapting)

Druckrezeptoren; erfassen v. a. Dauerdeformationen. Adäquater Reiz: Hautdehnung. Spontan aktiv, beantworten auch Kältereiz. Aufbau ähnlich der Golgi-Sehnenorganeointrakapsuläre terminale Nervenfasern

Meissner-Körperchen Haarfollikel (= Berührungsrezeptoren)

unbehaarte Haut behaarte Haut oim Corium gelegen

Reine D-Sensoren (Geschwindigkeitssensor), schnell adaptierend RA (rapidly adapting)

Berührungsrezeptoren; reagieren auf bewegte mechanische Hautreize (Geschwindigkeit der Hautdeformation). Konstanter Druckreiz wird nicht beantwortet. Reaktion auch auf niederfrequente Vibration (1–200 Hz). Terminale NE

Pacini-Körperchen

behaarte und unbehaarte Haut oin Subkutis gelegen

Beschleunigungssensor, sehr schnell adaptierend PC-Sensor

Reaktion nur auf Beschleunigung der HautdeformationoVibration von ~60–600 Hz. Vibrationsoptimum bei ca. 250 Hz, jenseits davon Abnahme der Reizantwort. Schalenartige lamelläre Anordnung (Schwann-Zelle und mittiges Axonolamelläres Filter)

NE: Nervenendigungen.

1207 16.3 · Temperatursinn

soren – Meissner-Körperchen und Haarfollikel – bevorzugt gereizt (Berührungsrezeptoren!). Pacini-Körperchen werden hier nicht typischerweise bevorzugt erregt, da keine Vibration (oder nur minimal) vorliegt!

Das Auflösungsvermögen des Tastsinns ist an verschiedenen Stellen des Körpers unterschiedlich und wird durch die Zweipunktschwelle oder Raumschwelle quantifiziert (s. o.). Prüfungsfallstricke Hohe Zweipunktschwelle: niedriges räumliches Auflösungsvermögenoniedrige periphere Rezeptorendichte und/oder hohe zentrale Konvergenz! Niedrige Zweipunktschwelle: hohes räumliches Auflösungsvermögenohohe periphere Rezeptorendichte und/oder niedrige zentrale Konvergenz!

Bei der Zweipunktschwelle kann man die simultane (gleichzeitige Stimuli) und die sukzessive (zeitlich getrennte Stimuli) unterscheiden. Die sukzessive Raumschwelle ist häufig kleiner als die simultane Raumschwelle am gleichen Orto das sukzessive Auflösungsvermögen ist besser als das simultane!

16

verarbeitet. Die feine Handsensibilität ist Voraussetzung für die perfekte Koordination des motorischen Pinzettengriffs (7 Kap. 15.8.3), bei dem die Feinregulierung der Kraft an den Gegenstand blind erfolgen kann. Die Zunahme der Hautsensibilität von der Handfläche zu den Fingern (Zweipunktschwellep) beruht in erster Linie auf ca. 3-fachem Anstieg der Dichte der MeissnerKörperchen (RA-Afferenzen) und Merkel-Zellen (SA-IAfferenzen), wobei die Dichte der Pacini-(PC-) Afferenzen) und Ruffini-Körperchen (SA-II) relativ konstant bleibt. Merke Die Dichte der SA-I- und RA-Rezeptoren ist proportional zum räumlichen Auflösungsvermögen (umgekehrt proportional zur Zweipunktschwelle!). SA-II- und PC-Rezeptoren bleiben relativ konstant verteilt und haben relativ große rezeptive Felder.

Der Tastsinn an der Hand (wie auch der perioralen Region) ist deshalb so besonders, weil die Signale sehr sicher ins ZNS übertragen werden sollen. Prüfungsfallstricke Die rezeptiven Felder corticaler Neurone für die Hand sind klein, die thalamische und corticale Repräsentation ist groß!

Prüfungsfallstricke Die (simultane) Raumschwelle für verschiedene Hautareale ist am höchsten am Rücken (~50–70 mm) und nimmt ab in der Reihenfolge: Rücken > proximale Extremitäten (~70 mm) > Stirn (~25 mm) > Handfläche (~10 mm) > Zungenrand (~8 mm) > periorale Haut (~5 mm) > Fingerspitze (~2 mm) > Zungenspitze (~1 mm). Die Zweipunktschwelle ist an Zunge und Fingerspitze kleinoAuflösung hoch. Denkfehler vermeiden: hohe Raumschwelle = niedriges Auflösungsvermögen, nicht hohes Auflösungsvermögen!

16.2.4 Besonderheiten des Tastsinns

der Hand Sensibilitätsmuster

Beim Tastvorgang der Finger werden alle Arten von Mechanozeptoren erregt und die Information zentral

16.3

Temperatursinn

16.3.1 Warm-/Kaltsensoren 16.3.2 Funktionelle Organisation Der Temperatursinn wird durch Warm- und Kaltrezeptoren in der Haut vermittelt. Die Areale um die Rezeptoren sind temperaturunempfindlich. Die Rezeptoren sind ähnlich der Mechanozeptoren unterschiedlich verteilt. Insgesamt sind Kaltpunkte häufiger als Warmpunkte im gleichen Hautbereich. Dies spiegelt wohl die Notwendigkeit wider, schnell auf einen Temperaturabfall adäquat mit Wärmeproduktion (Muskelzittern) reagieren zu können. Die größte Dichte von Thermozeptoren (v. a. Kaltrezeptoren) findet sich in thermisch besonders exponierten Arealen bzw. Arealen mit ungünstiger Oberflächen-Volumen-Relation (oschnelleres Abkühlen, 7 Kap. 8.2), z. B. Gesicht und Hände, weniger am Rücken.

1208

Kapitel 16 · Somatoviszerale Sensorik

Merke Kaltpunkte sind viel häufiger als Warmpunkte, in der Handfläche z. B. ~10-fach mehr. Das Gesicht enthält mehr Kaltpunkte (15–20/cm2) als die Handinnenfläche (