Gehirn und Nervensystem E-Book

• Herausgeber: Facultas
• Kategorie: Fachliteratur
• Sprache: Deutsch

Seitenzahl: 633

Veröffentlichungsjahr: 2024

Beschreibung

Das Arbeitsbuch ergänzt die Unterlagen der MCW Block 19 Vorlesungen und der Fallkonferenzen als kompakte und übersichtliche Lernliteratur. Es soll dadurch im Lernprozess der Studierenden ein Bindeglied von den Vorlesungen zu den umfangreicheren und detaillierteren Textbüchern und zu den spezifischen Guidelines der medizinisch-neurologischen Fachgesellschaften geschaffen werden. Inhaltlich umfasst das Arbeitsbuch die Themenblöcke Embryologie, Histologie, Neuropathologie, Pharmakologie, sowie ausgewählte Kapitel der Physiologie, Neurologie, und Neurochirurgie. In den Kapiteln zu den Fallkonferenzen werden ausgewählte Themengebiete interdisziplinär präsentiert und multiperspektivisch beleuchtet. Alle Beiträge sind mit Verweisen auf ausgewählte weiterführende Literatur referenziert. Die Beiträge werden regelmäßig überarbeitet und aktualisiert.

Leseprobe

Johannes A. Hainfellner (Hg.)

Gehirn und Nervensystem

Univ.-Prof. Dr. Johannes A. Hainfellner

Abteilung für Neuropathologie und Neurochemie – Obersteiner Institut

Medizinische Universität Wien

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.

1. Auflage 2024

Alle Rechte, insbesondere das Recht der Vervielfältigung und der

Verbreitung sowie der Übersetzung, sind vorbehalten.

Umschlag: © SciePro –stock.adobe.com

Satz + Druck: Facultas Verlags- und Buchhandels AG

Printed in Austria

ISBN 978-3-7089-2415-1 (Print)

ISBN 978-3-99111-854-1 (E-Pub)

Vorwort

Sehr geehrte Leserinnen und Leser,

Ich möchte Sie ganz herzlich begrüßen. Es freut mich, dass Sie Interesse am vorliegenden Blockbuch gefunden haben.

Die überwiegende Anzahl der im Block 19 mit Vorlesungen und Fallkonferenzen betrauten Lehrpersonen konnte für Beiträge dieser Neuauflage gewonnen werden. Die Autorinnen und Autoren haben sich sehr bemüht, instruktive Buchbeiträge zu erstellen.

Die grundlegende Zielsetzung dieses Buchs ist, einen roten Faden durch das komplexe humanmedizinische Wissensgebiet Gehirn und Nervensystem aufzuzeigen und eine orientierende Hilfestellung bei der Erarbeitung der Lehrinhalte zu bieten. Das Blockbuch soll dabei ein Bindeglied zwischen den Vorlesungen und der ausführlicheren fachspezifischen Literatur und den facheinschlägigen klinischen Guidelines bilden. Dementsprechend beinhalten alle Beiträge auch Angaben und Empfehlungen für weiterführende und vertiefende Literatur.

Eine weitere Zielsetzung dieses Buchs ist es, die Sicht der Wiener Universitätsmedizin auf die dargestellten Wissensthemen in kurzen Zügen zu vermitteln.

Die im Block 19 ebenso vorgetragenen Grundlagen der klinisch-neurologischen Untersuchung und der neurologischen Zusatzdiagnostik sind in diesem Buch nicht inkludiert. Es wird für diese Inhalte seitens der Universitätsklinik für Neurologie die Herausgabe eines separaten Lehrbuchs vorbereitet (in Nachfolge des Lehrbuchs Klinische Neurologie I, Herausgeber: K. Zeiler, E. Auff, L. Deecke).

Abschließend möchte ich die früheren Herausgeber des Blockbuchs 19 würdigen. Als Initiator dieses Blockbuchs und Herausgeber der ersten Auflage im Jahr 2007 fungierte Prof. Dr. Sigismund Huck vom Zentrum für Hirnforschung. In Nachfolge übernahm mein unmittelbarer Vorgänger Herr Prof. Dr. Wolfgang J. Weninger vom Zentrum für Anatomie die Herausgeberschaft und führte diese bis zur 14. Auflage.

Nur auf Grundlage dieser kontinuierlichen Vorarbeiten war es möglich, die vorliegende 15. Neuausgabe zu erstellen.

Ihnen als Leserin oder Leser wünsche ich Freude und Spannung beim Hineintauchen in die faszinierende Wissenswelt der Klinischen Neurowissenschaften und insbesondere auch eine nützliche Hilfestellung bei der Erarbeitung des Lernstoffes im Themenfeld Gehirn und Nervensystem.

Univ.-Prof. Dr. Johannes A. Hainfellner

Inhaltsverzeichnis

Gehirn und Nervensystem in der Humanmedizin – Grundlagen

Embryologie des Nervensystems

K. Weipoltshammer, C. Schöfer

Nervensystem – Praktikum Histologie

K. Weipoltshammer, C. Schöfer

Neurophysiologie: Themen und empfohlene Lernunterlagen

Vegetativum und Homöostase

S. Huck

Schädel-Hirntrauma

R. Höftberger

Grundlagen der De- und Regeneration im Nervensystem

H. Lassmann, J. Bauer

Pathologie der Neurodegeneration

S. Klotz

Infektiöse Erkrankungen des Nervensystems

V. Quinot, R. Höftberger

Autoimmunität im Nervensystem

M. Bradl, P. Rommer

Neuropathologie der Epilepsie

V. Quinot

Lysosomale und peroxisomale Speicherkrankheiten

T. Voigtländer

Pathologie des peripheren Nervensystems

A. Wöhrer, J. Hainfellner

Pathologie der Skelettmuskulatur

T. Voigtänder

Grundzüge der Neuropharmakologie

T. Steinkellner

Grundzüge der Neurotoxikologie

T. Steinkellner, K. Hruby

Basics in der Neuroradiologie, Neurochirurgie und Neurointensivmedizin

Grundlagen der Neuroradiologie

G. Kasprian, A. Mallouhi

Basics in der Neurochirurgie

K. Rössler

Neurointensivmedizin – Intrakranieller Druck und Blutungen

C. Dorfer

Neurologische Intensivmedizin

A. Langer

Interdisziplinäre Fallkonferenzen

Schlaganfall und zerebrale Hypoxie/Ischämie

M. Bradl, J. Hainfellner, S. Huck, W. Serles

Multiple Sklerose

M. Bradl, H. Lassmann, F. Leutmezer

Mesiale Temporallappenepilepsie

E. Pataria, D. Prayer, E. Gelpi, K. Rössler

Basics in der Klinischen Neurologie, ausgewählte Themengebiete

Kopfschmerz

C. Wöber

Epilepsie

E. Pataria, S. Aull-Watschinger

Neurologische Schlafmedizin

K. Trimmel

Demenz

T. Parvizi, R. Wurm

Bewegungsstörungen: Chorea, Morbus Parkinson, Tremor

C. Brücke

Motoneuronerkrankungen

H. Cetin

Neuropathien

J. Rath

Erkrankungen der neuromuskulären Endplatte

F. Zimprich

Myopathien

F. Zimprich

Basics in der multidisziplinären Neuroonkologie

Tumoren des Nervensystems

A Wöhrer, T. Rötzer-Pejrimovsky, M. Preusser, C. Haberler

Radiologische Diagnostik von Gehirntumoren – eine Einführung

M. T. Schmook

Das Glioblastom aus der Sicht der Neurochirurgie

F. Erhart, G. Widhalm

Strahlentherapie bei hochmalignen Gliomen, Beispiel Glioblastom

K. Dieckmann

Anhang

Autor:innenverzeichnis

Abbildungen und Tabellen

Gehirn und Nervensystem in der Humanmedizin – Grundlagen

Embryologie des Nervensystems

Ao. Univ.-Prof. Dr. Klara Weipoltshammer, Ao. Univ.-Prof. Dr. Christian Schöfer

Neurulation

Ausgangsmaterial für das Nervensystem ist das Ektoderm. In der 3. Entwicklungswoche induziert (siehe auch unter „Induktion“) die Chorda dorsalis (axiales Mesoderm) im darüber liegenden Ektoderm eine verstärkte Zellproliferation. Dieser Bereich umfasst in etwa das mittlere Drittel des Ektoderms und wird nun als Neuroektoderm bezeichnet. Zunächst ist dieser Teil des Ektoderms annähernd plan (Abb. 1a). Schon bald bildet sich in der Mitte dieser Neuralplatte in der Längsrichtung eine Einsenkung, die Neuralrinne. Links und rechts wird die Neuralrinne von den Neuralfalten begrenzt (Abb. 1b). Im weiteren Verlauf schließen sich die Neuralfalten zum Neuralrohr (Abb. 1c). Dieses löst sich vom Oberflächenepithel und verlagert sich in die Tiefe; das Oberflächenepithel schließt sich über dem Neuralrohr. Der Neuralrohrverschluss beginnt in Höhe des 5. Somiten und schreitet nach kranial und kaudal fort. Kranial bleibt ein Neuroporus anterior bis zum 25. Entwicklungstag offen. Etwas später (28. Tag) verschließt sich kaudal der Neuroporus posterior.

Abb. 1a. Neuralrohr

Abb. 1b. Neuralrohr

Abb. 1c. Neuralrohr

Verschlussstörungen

Verschlussstörungen können je nach Grad nur knöcherne Elemente oder auch die darüber liegende Muskel-, Bindegewebs- und Hautschicht sowie das Neuralrohr selbst betreffen:

• Rachischisis, Anenzephalus: fehlender Verschluss des Neuralrohrs im Bereich des Rückenmarks bzw. des Gehirns (Neuroporus anterior); das Nervengewebe liegt offen, Wirbelbögen/Schädeldecke bzw. Muskulatur, Bindegewebe und Haut fehlen in diesem Bereich.

• Meningomyelozele, Meningoenzephalozele: Das Neuralrohr ist zwar verschlossen, es besteht jedoch ein großer Knochen- und Weichteildefekt, in den sich Hirnhäute und Nervengewebe hineinwölben. Dieser kann von Haut bedeckt sein. Besteht auch ein Hautdefekt, liegt das Nervengewebe frei (offene Form).

• Meningozele: In einen knöchernen Defekt wölben sich die Hirnhäute, aber kein Nervengewebe.

• Spina bifida occulta: Kleine knöcherne Defekte ohne Beteiligung der Hirnhäute oder des Nervengewebes bleiben oft unbemerkt. Meist handelt es sich um Zufallsbefunde im Bereich der Lumbalwirbelsäule. Über der Verschlussstörung können sich Auffälligkeiten der Haut (Pigmentierung, Haarbüschel) finden. Gelegentlich kann eine Spina bifida occulta mit anderen Anomalien des ZNS vergesellschaftet sein.

Neuralleiste

Den lateralen Teil der Neuralfalten, der links und rechts an das zukünftige Oberflächenektoderm angrenzt, bezeichnet man als Neuralleiste (Abb. 1b, c). Während des Neuralrohrschlusses machen diese Zellen eine epitheliomesenchymale Transformation durch. Das befähigt sie, aus dem epithelialen Verband zu ihrem Bestimmungsort zu wandern. Die Neuralleiste ist Ausgangsmaterial für eine sehr heterogene Zellpopulation. Ihre Abkömmlinge sind:

• spinal:

▪ Nervenzellen der Spinalganglien + Satellitenzellen

▪ Schwann-Zellen

▪ multipolare Nervenzellen der sympathischen Ganglien

▪ prävertebraler Nervenplexus

▪ Nebennierenmark

▪ postganglionäre Neurone des sakralen Parasympathikus

▪ enterisches Nervensystem distal

▪ Melanozyten

• kranial:

▪ sensible/sensorische Ganglien der Hirnnerven

▪ parasympathische viszeroefferente Ganglien (Eingeweide Kopf, Brust, Bauch)

▪ enterisches Nervensystem proximal (Verdauungstrakt inklusive ersten 2/3 des Colon transversums)

▪ Glomus caroticum, Glomus aorticum

▪ Teil des Schädelskeletts

▪ Dermis + Subkutis (Gesicht, Hals)

▪ glatte Muskulatur der Gefäße im Kopf- und Halsbereich

▪ Bindegewebe von: Kornea, Musculus ciliaris, Thymus, Thyroidea, Parathyroidea, Speicheldrüsen, Bindegewebe der Skelettmuskeln des Kopf-/Halsbereichs

▪ Beteiligung an der Bildung der Hirnhäute

▪ C-Zellen der Thyroidea

▪ Odontoblasten, Beteiligung an Zahnpulpa und Zahnhalteapparat

▪ Trunkus/Konusseptierung (Herz)

▪ Melanozyten

Ektodermale Plakoden

Ektodermale Plakoden sind Bereiche des Ektoderms, die durch die dort stattfindende vermehrte Zellproliferation zunächst verdickt erscheinen und sich dann in spezielle Zellpopulationen bzw. Organteile weiterdifferenzieren.

Die Riechplakode liefert die Rezeptoren der Reichschleimhaut. Die Ohrplakode ist Ausgangsgewebe für Bogengänge und Cochlea und von der Linsenplakode leitet sich die Linse des Auges ab (BL18).

Die vier neurogenen, epipharyngealen Plakoden liegen im Ektoderm über den Schlundbögen und liefern einen Teil der Neurone der sensiblen Ganglien der Hirnnerven V, VII, IX und X.

Differenzierung der Zellen des Neuralepithels

Auf den Neuralrohrverschluss folgt eine Phase gesteigerter Zellproliferation. Zunächst ist das Neuroepithel einschichtig. Die Mitosen finden direkt am Lumen des sich weiterentwickelnden Neuralrohrs statt, während die Zellkerne der Interphasenzellen an die Basis des Neuralrohrs (= nach außen) wandern (Abb. 2). Noch während der Zellproliferation beginnt der Differenzierungsprozess. Dabei gehen aus einer Zellteilung zwei Zellen mit unterschiedlichen Eigenschaften hervor: eine proliferiert weiter, die andere differenziert sich in einer beschränkten Anzahl von Teilungsschritten weiter zu Neuroblasten, Astrozyten und Oligodendrozyten. Dabei zeigen sich gleichzeitig differenzierende Zellen ganz unterschiedliche Potenzen. Es gibt Progenitorzellen, aus denen sich ausschließlich Neuroblasten und in Folge Neurone differenzieren, Ausgangszellen, die sich zu Neuroblasten, Astro- und Oligodendrozyten differenzieren und alle Kombinationsmöglichkeiten dazwischen. Mit der Differenzierung wandern die Zellen aus dem Neuroepithel und bilden eine neue, außen gelegene Zone, die dieses umschließt (siehe Zonierung im Neuralrohr). Nach Erreichen der Mantelzone durchlaufen die Neuroblasten zunächst ein apolares Stadium, um dann in der Folge einen Neuriten und Dendriten auszubilden. Die periventrikuläre Proliferationszone wird also im Zuge der Entwicklung schmäler. Die nach Abschluss der Proliferation verbleibenden Zellen des Neuroepithels differenzieren sich zu Ependymzellen, die das zentrale Lumen (Zentralkanal, Hirnventrikel) auskleiden. Statistisch gesehen findet die Differenzierung der Neuroblasten früher als die Differenzierung der Glioblasten statt. Außerdem reduziert sich die Potenz der sich differenzierenden Zellen mit der Anzahl der durchlaufenen Zellteilungen. Aus dem Epithel des Neuralrohrs entstehen also Neuroblasten, Astro- und Oligodendroglia sowie die Ependymzellen. Die Mikrogliazellen (auch Hortega-Zellen) hingegen sind mesodermaler Herkunft. Ihre Vorläuferzellen wandern während der Fetalzeit ins ZNS ein und proliferieren dann lokal. Sie zählen zum Abwehrsystem (Phagozytose, Entzündungsmediatoren).

Abb. 2

Zonierung im Neuralrohr

Im Neuralrohr bilden sich sowohl radial als auch dorso-ventral Zonen mit speziellen Eigenschaften aus (Abb. 3). Die radiale Zonierung entsteht durch die Ausdifferenzierung des Neuralepithels und die Anordnung der entstehenden Nervenzellen.

Abb. 3

Von innen nach außen kann man folgende Zonen unterscheiden:

• Matrixzone: umfasst proliferierendes Neuralepithel, nach vollständiger Differenzierung besteht sie nur mehr aus der Ependymauskleidung des Liquorraumes

• Mantelzone: graue Substanz (Perikaryen, Abgang von Neuriten, Dendriten, Glia), wird durch sich differenzierende Zellen gebildet, die das Neuroepithel – nun Matrixzone – verlassen haben

• Marginalzone: weiße Substanz (Bahnen bildende Neuriten), entsteht mit dem Auswachsen der Neuriten und in weiterer Folge mit der Ausbildung einer Myelinscheide

Von dorsal nach ventral gliedert sich das Neuralrohr in Flügelplatte (dorsolateral) und Grundplatte (ventro-lateral). Den sehr ausgedünnten ventralen und dorsalen Bereich des Neuralrohrs bezeichnet man als Bodenplatte (ventral) und Deckplatte (dorsal). Die Grundplatte ist Zentrum der motorischen Efferenzen. Die autonomen motorischen Kerne befinden sich dorsal der Somatomotorik. Die Flügelplatte dient der Verschaltung sensibler Afferenzen. Die autonomen Bereiche (Viszerosensibilität) liegen ventral der Somatosensibilität.

Weiterentwicklung des ZNS

Rückenmark

Im Rückenmark findet sich die oben geschilderte Zonierung. Allerdings bleibt das Rückenmark in seinem Längenwachstum gegenüber dem Wachstum der Wirbelsäule zurück – Aszensus des Rückenmarks. Im 3. Entwicklungsmonat endet das Rückenmark im Bereich der Steißwirbel, zum Zeitpunkt der Geburt in Höhe des 3. Lendenwirbels und beim Erwachsenen im Bereich des 2. Lumbalwirbels. Der Durasack und somit der Liquor-gefüllte Subarachnoidealraum endet in der Höhe des 2. Sakralwirbels. Daher kann man kaudal von L2 Liquor cerebrospinalis gefahrlos entnehmen (Lumbalpunktion zwischen L3 und L4). Die Pia mater setzt sich als dünner Strang (Filum terminale) nach kaudal fort und ist am 1. Steißwirbel fixiert. Die nach kaudal zu ihrem Austritt durch die ihrem Segment entsprechenden Foramina intervertebralia ziehenden Nervenfasern bezeichnet man als Cauda equina.

Gehirn

In der 4. Entwicklungswoche beginnt sich das kraniale Neuralrohr umzuformen. Es entstehen drei primäre Gehirnbläschen, von kranial nach kaudal: Prosenzephalon (Vorderhirn), Mesenzephalon (Mittelhirn) und Rhombenzephalon (Rautenhirn). Gleichzeitig bewirkt die Ausbildung einer Scheitel- und einer Nackenbeuge eine nach ventral konkave Krümmung des Neuralrohrs im Bereich des späteren Gehirns. Diese Krümmung in der Längsachse ist im Zusammenhang mit der kranio-kaudalen Krümmung des gesamten Embryos zu sehen (Ausbildung der Körperform, siehe Embryologie Block 2). In weiterer Folge entwickeln sich aus dem Prosenzephalon Dienzephalon (Zwischenhirn) und Telenzephalon (Großhirn). Das Rhombenzephalon gliedert sich in Metenzephalon (Nachhirn) und Myelenzephalon (verlängertes Mark). Weiters entsteht im Bereich des Rhombenzephalon die Brückenbeuge, gegenläufig zu Scheitel- und Nackenbeuge. Letztlich findet man Strukturen, die im Neuralrohr ventral waren, an der Basis des Gehirns (kaudal), dorsale Bereiche des Neuralrohrs liegen jetzt rostral. Das Telenzephalon erfährt ein ausgeprägtes Größenwachstum, sodass es letztlich die anderen Hirnteile überlagert. Ab der 21. Entwicklungswoche beginnen sich Gyri und Sulci auszubilden, was zu einer weiteren Oberflächenvergrößerung führt.

Im Groß- und Kleinhirn wandern von der Mantelzone aus Neuroblasten in mehreren Wellen nach peripher und differenzieren sich zur Gehirnrinde mit Arealen unterschiedlicher Funktion. Dadurch kommt es zu einer Umkehrung der Gliederung in Mantel- und Marginalzone: außen graue Substanz, innen weiße Substanz. Allerdings ist diese Umkehrung nicht vollständig, da in das weiße Marklager Kerne (graue Substanz) eingestreut sind. Diese stellen die ursprüngliche Mantelzone dar.

Es entsteht eine Vielfalt von Bahnen unterschiedlicher räumlicher Ausrichtung. Neben zum Rückenmark absteigenden und von diesem aufsteigenden Bahnen bilden sich Verbindungsbahnen zwischen den beiden Gehirnhälften (Kommissuren), verschiedene Rinden- und Kerngebiete werden miteinander vernetzt. Trotz dieser Entwicklungsprozesse bleibt die dorso-ventrale Kompartimentierung in sensibel-dorsal, motorisch-ventral zumindest bis zum Mesenzephalon noch gut nachvollziehbar.

Das motorische Kompartiment wird von ventromedial nach dorsolateral in eine allgemein-somatomotorische, eine branchiomotorische (= den Schlundbögen zugehörige) und eine allgemein viszeromotorische Säule unterteilt, das daran anschließende sensible Kompartiment analog in eine allgemein viszerosensible, eine branchiosensible (Gehör, Gleichgewicht, Geschmack) und eine allgemein somatosensible Kerngruppe.

Das Myelenzephalon wird im Histologie-Praktikum (Präparat „Hirnstamm“) ausführlicher behandelt: In diesem Bereich wird das Neuralrohr oben „aufgeklappt“, die Deckplatte ist extrem dünn. Der darunterliegende Liquorraum ist der 4. Ventrikel. Unter diesem findet man medial motorische Areale und lateral sensibel/sensorische Areale (Details siehe Praktikum Histologie). Die sensiblen Areale lagen ursprünglich dorsal, sind aber durch die beidseitige Lateralverschiebung der dorsalen Neuralrohrbereiche verlagert worden.

Im Metenzephalon sind Flügel und Grundplatte ähnlich gegliedert wie im Myelenzephalon. Im Bereich der Grundplatten entsteht eine besonders stark ausgebildete Marginalzone, die anatomisch als Pons sichtbar wird. Ein weiterer Abkömmling des Metenzephalons ist das Kleinhirn (siehe unten).

Während man im differenzierten Mesenzephalon die Gliederung Motorik/Sensibilität mit den Hirnkernen III und IV ventral und der Vierhügelplatte dorsal gut erkennt, ist das im Dienzephalon nicht mehr der Fall. Hier findet man ventral zwar eine Zellpopulation, die das Signalmolekül Sonic hedgehog exprimiert (siehe unten: Induktor der ventralen Elemente), eine regelgerechte Ausbildung von Boden- und Grundplatte fehlt aber. Thalamus und Hypothalamus sind Abkömmlinge der Flügelplatte, die Epiphyse und der epitheliale Teil des Plexus choroideus des 3. Ventrikels differenzieren sich aus der Deckplatte. Die Epiphyse nimmt eine zentrale Stellung in der hormonellen Regulation des Tag-Nachtrhythmus ein. Weitere Derivate des Dienzephalons sind der Augenbecher (siehe Embryologie Block 18) und die Hypophyse (siehe unten).

Auch während der Entwicklung des Telenzephalons geht die Gliederung in Boden-, Grund-, Flügel-, und Deckplatte verloren.

Anatomisch fasst man Myelenzephalon, Pons und Mesenzephalon unter dem Begriff Hirnstamm zusammen.

Eine Sonderstellung in der Entwicklung des ZNS nimmt die Hypophyse ein. Sie ist ein ektodermales Organ, das Material aus zwei Quellen erhält: Die Neurohypophyse (Hinterlappen) ist eine nach kaudal gerichtete Ausstülpung des Dienzephalons und besteht aus Neuriten der Nuclei supraopticus und paraventricularis und Gliazellen (Pituizyten). Die Adenohypophyse (Vorderlappen) entsteht durch Aussprossung des die Mundbucht auskleidenden Ektoderms (Rathke-Tasche), das nach dorsal auf die Anlage der Neurohypophyse zuwächst und schließlich seine Verbindung zur Mundbucht verliert. Sowohl Adeno- als auch Neurohypophyse sezernieren endokrin. Die Hypophyse stellt ein Steuerzentrum nachgeschalteter endokriner Drüsen wie Nebenniere, Schilddrüse, endokrine Zellen der Gonaden dar. Weiters produziert sie das die Harnausscheidung regulierende Hormon Adiuretin und das Wachstumshormon Somatotropin und spielt über Oxytocin und Prolaktin eine wesentliche Rolle beim Geburtsvorgang, der Entwicklung der Brustdrüse während der Schwangerschaft und der Laktation (siehe vor allem Blöcke 10 und 14–16).

Das periphere Nervensystem (PNS)

Auch das periphere Nervensystem entsteht aus dem Ektoderm. Efferente Axone (z. B. Somato- und Viszeromotorik) wachsen aus den entsprechenden Neuroblasten des Neuralrohrs aus. Die Neuralleiste liefert die Nervenzellen der Spinalganglien (Somato- und Viszerosensibilität), den sympathischen Grenzstrang, den prävertebralen Plexus und den intramuralen Plexus. Die periphere Glia (Schwann-Zellen, Mantelzellen) entstammt ebenfalls der Neuralleiste.

Migration von Neuroblasten im ZNS

Neuroblasten wandern entlang spezieller Leitstrukturen – entsprechend ausgerichteten Zellen – an ihre definitive Position. Diese Zellen werden, da es sich meist um eine Innen-/Außen-Wanderung handelt und sie daher radiär ausgerichtet sind, Radialgliazellen genannt. Die Radialgliazellen sind entgegen ursprünglicher Annahme nicht enddifferenziert, sondern können sich z. B. auch zu Neuroblasten weiter differenzieren. Haben die Neuroblasten ihren Bestimmungsort erreicht, differenzieren sie sich weiter.

Am Beispiel der Entwicklung der Kleinhirnrinde kann man die Wanderung der Nervenzellen der drei Rindenschichten gut verfolgen. Ventrikelnahe (Matrixzone) proliferieren undifferenzierte Neuroblasten. Aus diesem Zellpool rekrutieren sich drei Zellpopulationen:

• Zellen wandern radiär nach außen und differenzieren sich zu großen Zellen mit nach peripher reichenden, in einer Ebene liegenden Dendriten und einem nach zentral gerichteten Neuriten (Purkinje-Zellen, Zellkörper im späteren Stratum ganglionare). Weitere Neurone, die auf diese Art und Weise entstehen, sind die Korb- und Sternzellen, die die Purkinje-Zellen verschalten.

• Im lateralen ventrikelnahen Bereich (Rautenlippe) entsteht eine Zellpopulation, die um die sich differenzierende Purkinje-Zellschicht herum an die Oberfläche des Kleinhirns wandert. Sie bilden dort eine äußere Neuroblastenschicht, in der es wieder zur Zellproliferation kommt.

• Zellen bleiben zentral liegen und sammeln sich in einigen Kleinhirnkernen (entspricht der Mantelzone im Rückenmark).

Die Zellen der äußeren Neuroblastenschicht differenzieren sich weiter. Sie bilden zwei Fortsätze aus, die mit den Dendriten der Purkinje-Zellen Synapsen bilden. Ihre Perikaryen verlagern sich in einem weiteren Zellfortsatz entlang der Radialgliazellen an den Purkinje-Zellen vorbei nach innen. Diese Zellen werden zu den Körnerzellen mit Perikaryen im Stratum granulare. Durch die Verlagerung der Perikaryen ist ein T-förmiger Neurit entstanden. Körnerzellen erhalten aus den verschiedensten Bereichen (visuell, akustisch, Lagerezeptoren etc.) Afferenzen und geben diese Information über ihren Neuriten an die Purkinje-Zellen weiter. In der Purkinje-Zelle werden sämtliche Afferenzen der Kleinhirnrinde „gesammelt“. Sie ist der einzige Zelltyp der Kleinhirnrinde, der Reize aus der Kleinhirnrinde in Richtung der Kleinhirnkerne leitet. Diese komplexe Verschaltung macht das Kleinhirn zu einer wesentlichen Instanz in der Kontrolle der Feinmotorik und des Gleichgewichtes.

Noch komplexer als die Kleinhirnrinde sind Aufbau und Entwicklung des Neocortex des Großhirns mit seinen sechs Schichten. Auch hier liegt die ursprüngliche Zone der Zellproliferation direkt neben dem Ventrikel (Subependymschicht). Die Auswanderung von Neuroblasten erfolgt in mehreren Wellen, wobei die innersten der sechs Rindenschichten zuerst und die äußeren erst später entstehen. Das heißt, die Neuroblasten der späteren Auswanderungswellen müssen an den schon an ihrem Bestimmungsort angekommenen Neuroblasten der inneren Schichten vorbeiwandern. Dieses Prinzip bezeichnet man als Inside-out-Layering.

Meningen

Gehirn und Rückenmark werden von bindegewebigen Häuten umhüllt. Im Gehirn leiten sie sich vom Kopfmesoderm und der Neuralleiste her, im Rückenmark von den Somiten. Zunächst bildet sich eine einheitliche Bindegewebsschicht, die Meninx primitiva, um das Neuralrohr aus. Diese differenziert sich in einen äußeren straffen Bereich und eine innere Schicht aus lockerem Bindegewebe. Die äußere, straffe Hülle wird zur Dura mater. Die innere Hülle gliedert sich weiter in die Pia mater und die Arachnoidea.

Steuerung der ZNS-Entwicklung

Auch die ZNS-Entwicklung unterliegt allgemeingültigen entwicklungsbiologischen Abläufen.

Entwicklungskontrollgene

Entwicklungskontrollgene (s. auch Vorlesung Morphogenese, Block 5) steuern Entwicklungsprozesse hierarchisch. Gene einer höheren Regulationsebene bewirken eine Expression von Genen einer niedrigeren Ebene. Die Genprodukte von Entwicklungskontrollgenen wirken als Transkriptionsfaktoren. Ihre Expression ist sowohl zeitlich als auch räumlich streng geregelt. Bei der ZNS-Entwicklung ist z. B. das Expressionsmuster von homeobox (HOX-)Genen für die Kompartimentierung entlang der Längsachse (s. Block 5) maßgeblich.

Signalmoleküle

Signalmoleküle werden an Zelloberflächen exprimiert oder liegen diffusibel vor. Ein Entwicklungskontrollgen kann die Transkription von Signalmolekülen bewirken. Signalmoleküle lösen in Zielzellen spezifische Antworten aus. Die Spezifität hängt vom Vorhandensein spezifischer Rezeptoren an der Oberfläche der Zielzelle und den nachgeschalteten Prozessen, die in der Zielzelle durch die Bindung des Signalmoleküls an den Rezeptor ausgelöst werden, ab. Daher kann ein Signalmolekül verschiedene Entwicklungsprozesse beeinflussen. Beispiele: sonic hedgehog (Shh), Retinsäure (siehe Block 5).

Induktion

Am Beispiel Differenzierung des Neuralrohrs/dorso-ventrale Zonierung im Neuralrohr:

Eine Bedingung für die Entstehung und regelgerechte Weiterentwicklung der Neural platte ist das Vorhandensein einer Chorda dorsalis. Diese sezerniert Signalmoleküle (z. B. Shh), die das darüber liegende Ektoderm zur Zellproliferation, Ausformung und Weiterentwicklung der Neuralplatte anregen. Man nennt diesen Vorgang Induktion. Nach dem Neuralrohrschluss ist die Chorda dorsalis Induktor für eine regelgerechte Ausbildung von Grund- und Bodenplatte. Bei experimenteller Entfernung der Chorda dorsalis in diesem Stadium fehlen die Motoneurone. Shh wird in weiterer Folge nicht nur von der Chorda dorsalis, sondern auch von Zellen der Bodenplatte gebildet.

Flügel- und Deckplatte werden durch das Oberflächenektoderm induziert, von diesem produzierte dorsalisierende Faktoren sind B(one) M(orphogenetic) P(rotein)s (Subtyp 4 und 7), Moleküle der T(ransforming) G(rowth) F(actor) β-Familie.

Dorsalisierende und ventralisierende Faktoren bilden gegenläufige Gradienten, durch die die dorsoventrale Zonierung des Neuralrohres definiert wird.

Neurotrophe Faktoren

Neurotrophe Faktoren sind für die Proliferation von Neuroblasten und das Überleben von Neuronen unabdingbar. Ohne das Vorhandensein neurotropher Faktoren würden Neurone automatisch die Apoptose (programmierter Zelltod) durchlaufen. Dabei beeinflussen verschiedene neurotrophe Faktoren jeweils bestimmte Neuronengruppen. Die Interaktion von neurotrophem Faktor und Zielzelle läuft über Rezeptoren in der Oberflächenmembran der Zielzelle. Ein Fehlen oder Defekt des neurotrophen Faktors oder des Oberflächenrezeptors der Zielzelle führt daher gleichermaßen zum Verlust der betroffenen Neurone. Beispiele für neurotrophe Faktoren sind der Nerve Growth Factor (NGF) oder der Brain Derived Neurotrophic Factor (BDNF).

Auswachsen von Axonen

Haben Neurone ihren Bestimmungsort erreicht, differenzieren sie sich und bilden Fortsätze aus. Auswachsende Axone haben an ihrem vorderen Pol eine speziell ausgebildete Struktur, den Wachstumskegel. Das Axon ist hier verbreitert und weist fingerförmige Filopodien auf. In den Filopodien findet man ein Aktinnetzwerk, das im Zusammenspiel mit Aktin-assoziierten Proteinen für eine Beweglichkeit der Filopodien sorgt. Diese können daher ihre Umgebung „abtasten“. Die Wachstumsrichtung kann durch Auf- und Abbau von Mikrotubuli verändert werden. Mikrotubuli findet man im Axon und im Wachstumskegel bis in die Filopodien reichend.

Verschiedene Eigenschaften der Umgebung sind für das korrekte Auswachsen von Axonen wesentlich: Früher ausgewachsene Axone oder andere Bahnen sowie nicht neuronale Zelltypen wie z. B. Gliazellen können als Leitstrukturen dienen. Weiters ist die Zusammensetzung der extrazellulären Matrix für das Auswachsen von Axonen von Bedeutung.

Die Interaktion zwischen wachsendem Axon und Umgebung beruht auf dem Vorhandensein von Zelladhäsionsmolekülen (CAMs – Cell Adhesion Molecules). Hierbei handelt es sich um membran-ständige Proteine, die entweder mit Zelladhäsionsmolekülen anderer Zellen oder mit Komponenten der extrazellulären Matrix in Kontakt treten. Die Interaktion des Wachstumskegels mit einer Struktur der Umgebung kann auf das Axon attrahierend wirken; das Axon setzt sein Wachstum entlang dieser Struktur fort. Oder aber die Interaktion resultiert in einer Repulsion; das Axon ändert seine Wachstumsrichtung. Ähnlich verhält es sich mit diffusiblen Faktoren, die das Auswachsen von Axonen beeinflussen. Hier unterscheidet man eine chemotaktische oder eine chemorepulsive Wirkung. Einer der ersten identifizierten diffusiblen Faktoren, der chemotaktisch auf viele Neuronentypen wirkt, ist der Nerve Growth Factor.

Synapsen

Synapsen sind Kontakte zwischen Nervenzellen oder zwischen Nervenzelle und Effektorzelle (z. B. neuromuskuläre Synapse). Trifft der Wachstumskegel auf eine zur Formation einer Synapse geeignete Zellmembran (z. B. eine andere Nervenzelle), werden zunächst die Filopodien retrahiert und die Membran des Wachstumskegels legt sich dicht an die Membran der postsynaptischen Zelle. Man findet sowohl prä- als auch postsynaptisch Vesikel, durch die dem Bereich der Synapse wahrscheinlich noch Membranbestandteile zugeführt werden. Außerdem existieren schon im Wachstumskegel rudimentäre Mechanismen zur Transmitterfreisetzung. Postsynaptisch wird eine Verdichtung sichtbar. In der reifen Synapse findet man in der präsynaptischen Endigung reichlich mit Neurotransmittern gefüllte Vesikel, die an der präsynaptischen Membran entleert werden (präsynaptische Verdichtung). In der postsynaptischen Membran sind die zu dem entsprechenden Transmitter passenden Rezeptoren konzentriert (postsynaptische Verdichtung). Ihrer Funktion nach unterscheidet man exzitatorische (erregende) und inhibitorische (hemmende) Synapsen. Die Synapsenbildung weist eine hohe Spezifität auf. Ein Axon braucht eine „passende“ Zelle, um überhaupt eine Synapse ausbilden zu können. Z. B. können thorakale Motoneurone keine Synapsen mit Extremitätenmuskeln bilden. Zunächst werden Synapsen im Überschuss gebildet, ein großer Teil geht anschließend wieder zugrunde.

Myelinisierung

Axone und dendritische Axone werden von Gliazellen begleitet. Diese sind deutlich kürzer als der jeweilige Nervenzellfortsatz, daher ordnen sich die Gliazellen sequenziell entlang des Fortsatzes an. Die umhüllenden Gliazellen des PNS sind die Schwann-Zellen. Wenn sich mehrere Neuriten in Einbuchtungen der Zellmembran der Schwann-Zellen einlagern, spricht man von marklosen Nervenfasern. Die Depolarisierung erfolgt kontinuierlich, die Erregungsleitung ist langsam. Schwann-Zellen können aber auch unterschiedlich dicke Aufwicklungen ihrer Zellmembran um den Nervenzellfortsatz ausbilden. In diesem Fall umwickelt die Schwann-Zelle nur ein Axon bzw. dendritisches Axon. Diesen Prozess nennt man Myelinisierung. Die Myelinscheide isoliert den Neuriten und bewirkt, dass eine Depolarisierung nur an den Grenzen zwischen zwei Hüllzellen stattfinden kann (saltatorische Erregungsleitung). Dieser Bereich einer markhaltigen Nervenfaser ist mikroskopisch als Einschnürung sichtbar (Ranvier’scher Schnürring). Die saltatorische Erregungsleitung ist um ein Vielfaches schneller als die kontinuierliche. Die entsprechenden Nervenfasern nennt man markhaltig. Im ZNS werden die Markscheiden von Oligodendrogliazellen gebildet. Im Unterschied zur Schwann-Zelle im PNS bildet eine Oligodendrogliazelle Membranaufwicklungen um bis zu 50 Axone. Marklose Nervenfasern im ZNS werden nicht von Oligodendrogliazellen begleitet. Sie verlaufen entweder frei oder werden von Astrozytenfortsätzen bedeckt. Die Ausbildung der Myelinscheiden beginnt im 4. Entwicklungsmonat und wird erst in den ersten beiden Lebensjahrzehnten abgeschlossen.

Literatur

Sadler TW (2020): Medizinische Embryologie. 13. Auflage, Georg Thieme Verlag

Carlson BM (2018): Human Embryology and Developmental Biology. 6th edition, Elsevier Health Sciences Drews U (2006): Taschenatlas der Embryologie. 2. Auflage, Georg Thieme Verlag

Sanes DH, Reh TA, Harris WA (2019): Development of the Nervous System. 4th edition, Elsevier Academic Press Standring S (Editor in Chief) (2020): Gray´s Anatomy. 42nd edition, Elsevier

Nervensystem – Praktikum Histologie

Ao. Univ.-Prof. Dr. Klara Weipoltshammer, Ao. Univ.-Prof. Dr. Christian Schöfer

Am Aufbau sowohl des zentralen als auch des peripheren Nervensystems sind Nerven- und Bindegewebe beteiligt.

Das Nervengewebe besteht aus Nervenzellen (Neuronen) und Gliazellen. Hauptfunktion der Neurone ist die Weitergabe von Information. Dies erfolgt über eine Veränderung des Membranpotenzials der Zelle, der Weiterleitung dieser Potenzialänderung entlang der Zellmembran und schließlich der Informationsübertragung auf eine weitere Nervenzelle oder einen Effektor.

Gliazellen sind selbst nicht erregbar, werden aber für eine regelgerechte Funktion der Neurone benötigt.

Grundlagen siehe BL2/VO „Mikroanatomie des Nervensystems“ bzw. „Praktikum Histologie – Nervengewebe“ bzw. VOs Neurophysiologie des ersten Studienjahres, im Besonderen BL4.

Nervenzellen

Zentrum der Nervenzelle ist der Nervenzellkörper (Perikaryon), der den Zellkern enthält und von dem eine unterschiedliche Anzahl von Fortsätzen abgeht. Es gibt zwei Grundtypen von Nervenzellfortsätzen:

• Neurit (Axon): Der Neurit leitet die Erregung vom Perikaryon weg (Erregungsleitung: efferent in Bezug auf das Perikaryon, zentrifugal). Das in Nervenzellen reichlich vorhandene raue endoplasmatische Retikulum (= Ergastoplasma, Nissl-Schollen) spart den Abgang des Neuriten vom Perikaryon (Ursprungskegel) sowie den gesamten Neuriten aus. Jedes Neuron verfügt über genau einen Neuriten. Er wird in seinem Verlauf von speziellen Hüllzellen begleitet. Im zentralen Nervensystem sind das die Oligodendrogliazellen, im peripheren Nervensystem die Schwann-Zellen.

• Dendrit: Der Dendrit leitet die Erregung zum Perikaryon (afferent in Bezug auf das Perikaryon, zentripetal). Während der Neurit immer in der Einzahl vorkommt, haben Nervenzellen oft viele Dendriten (multipolar – siehe unten). Das raue endoplasmatische Retikulum reicht zumindest in den Anfangsteil des Dendriten hinein.

Je nach Anzahl der von einem Perikaryon abgehenden Fortsätze kann man folgende Neuronentypen unterscheiden:

• Multipolare Nervenzellen: Neurone mit einem Neuriten und mehreren Dendriten. Sie sind der häufigste Neuronentyp. Dendrit und Neurit entsprechen in Bau und Funktion den klassischen, oben beschriebenen Definitionen.

Beispiele: die Mehrzahl der Nervenzellen: motorische Vorderhornzellen, Pyramidenzellen, Purkinje-Zellen …

• Bipolare Nervenzellen: Neurone mit zwei an diametral gelegenen Zellpolen entspringenden Fortsätzen (Neurit, Dendrit).

Beispiele: zweites Neuron der Retina, Ganglienzellen des Innenohrs

• Pseudounipolare Nervenzellen: Neurone mit einem Fortsatz, der sich bald nach Abgang vom Perikaryon in einen afferenten und einen efferenten Fortsatz aufteilt. Beide Fortsätze sind vom Aufbau her sowie von der Begleitung durch Gliazellen wie ein Axon aufgebaut – der zum Perikaryon leitende Fortsatz wird daher als „dendritisches Axon“ bezeichnet.

Beispiele: Neurone der Spinalganglien und der ihnen äquivalenten Hirnnervenganglien

• Unipolare Nervenzellen: Sinneszellen mit Rezeptorregion und einem Neuriten, der die generierte Erregung weiterleitet. In den meisten Lehrbüchern wird der Rezeptor als Dendrit klassifiziert und die Zelle somit den bipolaren Neuronen zugerechnet.

Beispiel: Rezeptoren der Riechschleimhaut

Gliazellen

Gliazellen sind neben den Nervenzellen der zweite wesentliche Bestandteil des Nervengewebes. Die Gliazellen des peripheren Nervensystems sind die Schwann-Zellen und die Mantelzellen (= Satellitenzellen):

• Schwann-Zellen lagern sich in Ketten an Neuriten und dendritische Axone des peripheren Nervensystems an und umhüllen diese. Hierbei können sie mehrere Neuriten in Zelleinstülpungen aufnehmen (marklose Nervenfasern) oder um ein Axon eine Membranaufwicklung bilden (Myelinscheide, markhaltige Nervenfaser).

Die Zellgrenzen zwischen aufeinander folgenden Schwann’schen Zellen werden als Ranvier’sche Schnürringe bezeichnet. Im Bereich der Ranvier’schen Schnürringe findet sich keine Myelinscheide, sodass in diesen Abschnitten das Axon nur von dünnen Fortsätzen der benachbarten Schwann’schen Zellen umgeben ist. Das Axon ist an diesen Stellen meist etwas dicker.

• Mantelzellen (= Satellitenzellen) umhüllen die Perikaryen der peripheren Ganglien.

Im Zentralnervensystem werden vier Kategorien von Gliazellen unterschieden: Astrogliazellen (Astrozyten), Oligodendrogliazellen (Oligodendrozyten), Ependymzellen (Ependymozyten) und Mikrogliazellen.

Astrogliazellen, Oligodendrogliazellen und Ependymzellen entstammen dem Neuralrohr (siehe Beitrag Embryologie des Nervensystems) und erfüllen die eigentlichen Aufgaben der Gliazellen, indem sie Stützfunktionen, Hilfsfunktionen bei der Vermittlung des Stoffwechsels zwischen Blut und Nervenzellen sowie Verantwortung für die Aufrechterhaltung eines für die Funktionen der Nervenzellen notwendigen Mikromilieus übernehmen. Mikrogliazellen hingegen sind modifizierte Makrophagen mesodermaler Herkunft.

• Astrogliazellen zeichnen sich durch weit verzweigte Zytoplasmafortsätze aus. Sie bilden mit ihren Fortsätzen ein dichtes, stützendes Netzwerk, in welches die Nervenzellen eingebettet liegen. Durch Gap Junctions miteinander verbundene Fortsätze der Astrogliazellen bilden weiters an den Oberflächen des Zentralnervensystems (Membrana limitans externa) und um alle im Nervengewebe verlaufenden Blutgefäße (Membrana limitans perivascularis) Gliamembranen, die immer von einer oberflächlich anliegenden Basallamina begleitet sind. Durch das Fehlen von Tight Junctions sind diese Gliamembranen keine absolute Stoffwechselbarriere, stellen also nicht die Diffusionsbarriere der Blut-Hirnschranke dar. Diese Aufgabe fällt dem Kapillarendothel im ZNS zu. Allerdings induzieren die Astrogliazellen die Ausbildung eben jener Barriere-Eigenschaften in den Kapillarendothelzellen. Weiters haben die Astrozyten Schutz-, Stütz- und Haltefunktion und sind am Stoffaustausch und Stofftransport (Regulation der Kaliumionen-Konzentration) im Zentralnervensystem beteiligt. Die Astrozyten sind die am häufigsten vorkommenden Gliazellen des Zentralnervensystems.

• Oligodendrogliazellen sind in der Regel kleiner als Astrozyten. Mit ihren Zytoplasmafortsätzen bilden sie die Myelinscheiden des Zentralnervensystems, wobei eine Oligodendrogliazelle immer mehrere Neuriten(-abschnitte) umfasst.

• Ependymzellen sind Gliazellen, die sich zu einem einschichtigen, iso- bis hochprismatischen Epithel, dem Ependym, zusammenschließen und die mit Liquor cerebrospinalis erfüllten Ventrikel des Gehirns und den Zentralkanal des Rückenmarks auskleiden. Sie sind untereinander durch Gap Junctions und Desmosomen, nicht jedoch durch Tight Junctions verbunden, wodurch das Ependym für den Liquor cerebrospinalis permeabel bleibt. Die Ependymzellen sind an der Oberfläche mit Kinozilien ausgestattet, die zur Erzeugung von Liquorströmungen dienen.

• Mikrogliazellen sind kleine Zellen mit kurzen, verzweigten Zellfortsätzen. Sie sind Abkömmlinge des mononukleären phagozytierenden Systems (MPS), die während der Fetalzeit ins ZNS eingewandert sind. Neben ihrer Funktion als phagozytierende „Abräumzellen“ kommt ihnen eine wesentliche Rolle in der Regulation von Immunprozessen zu.

Das Nervengewebe des Zentralnervensystems kann man in graue und weiße Substanz gliedern:

Nervenzellkörper (Perikaryen) liegen zum überwiegenden Teil in bestimmten Regionen der Organe des Zentralnervensystems (Gehirn und Rückenmark) konzentriert, die aufgrund ihres makroskopischen Erscheinungsbildes als „graue Substanz“ bezeichnet werden. Der Raum zwischen Perikaryen und Gliazellkörpern wird von deren Fortsätzen (Dendriten, Neuriten) und Gliazellfortsätzen erfüllt, die hier ein dichtes, kaum entwirr- und zuordenbares Geflecht ausbilden, das als Neuropil bezeichnet wird.

Die „weiße Substanz“ besteht vorwiegend aus Neuriten, die von den sie begleitenden Oligodendrogliazellen umhüllt sind. Sie können zu größeren Bündeln zusammengefasst wie in den Tractus und Kommissuren verlaufen. Namensgebend für die weiße Substanz ist die im Nativzustand weiße Farbe des hier reichlich vorhandenen Myelins.

Im peripheren Nervensystem entsprechen der grauen Substanz die peripheren Ganglien und der weißen Substanz die Nerven.

Nervenfaser: Neurit + umhüllende Gliazellen; der Begriff wird vorwiegend im peripheren Nervensystem verwendet

• Marklose Nervenfasern: keine Myelinscheide; die Erregungsleitung erfolgt durch kontinuierliche Depolarisation der Axonoberflächenmembran

• markhaltige Nervenfasern: Myelinscheide; nur die nicht myelinisierten Bereiche (an den Zellgrenzen der Gliazellen) sind erregbar, die von Myelinscheide umhüllten Anteile der Axonoberflächenmembran werden nicht depolarisiert. Die Erregung „springt“ von erregbarem Bereich zu erregbarem Bereich – saltatorische Erregungsleitung. Diese Form der Erregungsleitung ist wesentlich schneller als die kontinuierliche Erregungsleitung der marklosen Nervenfasern.

Bindegewebige Gliederung des Nervengewebes

Das Nervengewebe wird durch Bindegewebe umhüllt und gegliedert.

Im peripheren Nervensystem sind die Glia-umhüllten Nervenzellen in lockeres Bindegewebe mit reichlich retikulären Fibrillennetzen eingebettet (Endoneurium). Größere Einheiten werden durch straffes Bindegewebe gegliedert (siehe Besprechung der einzelnen Präparate).

Im Zentralnervensystem wird die Funktion des Endoneuriums des PNS durch Gliazellen übernommen. Bindegewebige Elemente sind die Hirnhäute, die das ZNS außen umhüllen: die Dura mater (harte Hirnhaut, straffes Bindegewebe) als äußere Schicht, gefolgt von den weichen Hirnhäuten Arachnoidea und Pia mater (lockeres Bindegewebe). Die Pia mater liegt Gehirn und Rückenmark direkt auf und reicht entlang der Blutgefäße ein Stück in das Nervengewebe. Die Arachnoidea (= Spinnwebenhaut) befindet sich netzartig zwischen Dura und Pia mater; ihre Zwischenräume werden von Liquor cerebrospinalis eingenommen.

Präparat Großhirnrinde (Cortex cerebri, Bereich Isocortex)

Färbung: Nissl-Pischinger (gepufftes Methylenblau, Färbung von Zellkernen und Nissl-Schollen)

Bei der Großhirnrinde können zwei unterschiedliche Typen differenziert werden: Allocortex, der phylogenetisch alte (daher auch Archi- oder Paläocortex), und Isocortex, der phylogenetisch junge (daher auch Neocortex) Rindenteil, aus dem auch alle vorliegenden Praktikumspräparate stammen.

Checkliste Isocortex

• Rinde/Mark

• sechsschichtiger Bau:

◦ Stratum moleculare (äußerste Schicht, enthält hauptsächlich Dendriten und Astrogliazellen)

◦ Stratum granulare externum

◦ Stratum pyramidale externum

◦ Stratum granulare internum

◦ Stratum pyramidale internum

◦Stratum multiforme (innerste Schicht): morphologisch heterogene Neuronenpopulation

• Pia mater

• Pyramidenzellen

• Körnerzellen

Schichten nicht deutlich voneinander abgegrenzt; Übergänge fließend; Benennung der Schichten nach dem dort am häufigsten vorkommenden Zelltyp; Vorhandene Nervenzellen: Pyramidenzellen, Körnerzellen; Spindelzellen (Assoziations-Neurone) und Martinotti-Zellen (Schaltzellen), vor allem im Str. multiforme; alle multipolar

• Homotypische Rindenregion: Bereiche des Isocortex, in denen man den sechsschichtigen Aufbau findet

• Heterotypisch: Rindenareale mit abweichendem Aufbau (motorisch/sensorisch)

◦ motorische Areale: hauptsächlich Pyramidenzellen (besonders große Pyramidenzellen: Betz-Riesenpyramidenzellen im Stratum pyramidale internum), Körnerzellschichten kaum sichtbar

◦ sensorische Areale: vor allem Nicht-Pyramidenzellen; Pyramidenzellschichten schlecht zu erkennen

Präparat Kleinhirnrinde (Cortex cerebelli)

Färbung: Weigert’sche Markscheidenfärbung (Darstellung der Markscheiden mit Eisenhämatoxylin) Die Schnittpräparate zeigen Rinde und Marklager; Kleinhirnkerne sind nicht angeschnitten.

Das Kleinhirn erhält zwei Kategorien von Afferenzen:

Kletterfasern von der kontralateralen Olive. Diese Neuriten „klettern“ an den Purkinje-Zellen empor und bilden Synapsen mit den proximalen Dendriten der Purkinje-Zellen.

Moosfasern von verschiedenen Regionen des ZNS wie zum Beispiel Rückenmark, Vestibulariskerne, Pons. Die Verschaltung der Moosfasern erfolgt vorwiegend in Form von exzitatorischen Synapsen mit den Körnerzellen im Stratum granulosum der Kleinhirnrinde. Das morphologische Korrelat dieser Verschaltungen sind die Glomerula cerebellaria (zellkernfreie Bereiche im Stratum granulare). Die Körnerzelen verschalten wiederum mit den Purkinje-Zellen.

Die Purkinje-Zelle „sammeln“ also die Afferenzen der Kleinhirnrinde, verarbeiten die Information und stellen die einzigen Efferenzen der Kleinhirnrinde dar.

Checkliste Kleinhirn

• Kleinhirnrinde – dreischichtig:

◦ Stratum moleculare (äußerste Schicht): Dendriten der Purkinje-Zellen, Neuriten ohne Markscheiden: vor allem der Körnerzellen oder auch Kletterfasern, die Purkinje-Zellen verschaltend: Stern- und Korbzellen

◦ Stratum ganglionare: Perikaryen der Purkinje-Zellen

◦ Stratum granulare (innerste Schicht): Körnerzellen, Golgizellen Glomerula cerebellaria: zellkernfreie Areale im Str. granulare

• Marklager

• Pia mater

• Erythrozyten

Neurone der Kleinhirnrinde

• Purkinje-Zellen: Perikaryen bilden das Stratum ganglionare, Dendriten reichen in einer Ebene (vergleichbar: Spalierobstbaum) in das Stratum moleculare, Neurit zieht zu den Kleinhirnkernen

• Körnerzellen: Perikaryen im Stratum granulare, T-förmiger Neurit, der im Stratum moleculare Synapsen mit den Dendriten der Purkinje-Zellen bildet, die Verschaltungen Moosfasern/Körnerzellen imponieren als Glomerula cerebellaria

• Golgizellen: Perikaryen im Stratum granulare, verschalten Körnerzellen

• Korbzellen: Perikaryen im Stratum moleculare basal, verschalten Purkinje-Zellen

• Sternzellen: Perikaryen im Stratum moleculare oberflächlich, verschalten Purkinjezellen

Präparat Medulla oblongata

Färbung: Weigert’sche Markscheidenfärbung (Darstellung der Markscheiden mit Eisenhämatoxylin) Kerne (Nuclei) sind Nervenzellansammlungen (graue Substanz), Bahnen (Tractus, Fasciculi) gebündelte Nervenfasern (weiße Substanz). Kerne sind bei der gewählten Färbung hellbraun, Bahnen schwarz dargestellt. Die Präparate sind auf Höhe der Olivenkerne entnommen; sie wurden sagittal halbiert.

Abb. 4. aus F. Wachtler (HG), Histologie, 6. Auflage, Facultas

Checkliste Medulla oblongata

• Pyramide: besteht aus Fasern der Pyramidenbahn (Tractus corticospinalis), zwischen Großhirnrinde (Gyrus praecentralis) und motorischen Vorderhornzellen, Aktivierung der Vorderhornzellen (Willkürmotorik)

• Lemniscus medialis: Nucleus gracilis + cuneatus – Thalamus, Sensibilität (Hinterstrangsystem)

• vierter Ventrikel: innerer Liquorraum zwischen Aquaeductus cerebri (Mesenzephalon) und Canalis centralis (Rückenmark)

• Pedunculus cerebellaris inferior (caudalis): Fasern von Olive (siehe unten) und Rückenmark zum Kleinhirn sowie Fasern von und zu den Vestibulariskernen

• Tractus spinocerebellaris: Bahn vom Rückenmark zum Kleinhirn

• Fasciculus longitudinalis medialis: Fasern des Nucleus nervi oculomotorii, des Nucleus nervi abducentis, des Nucleus nervi trochlearis, der Vestibulariskerne und Fasern des Nucleus interstitialis CAJAL, Koordination der Blickbewegungen

• Fasciculus (Tractus) solitarius (+ angelagerter Nucleus): Fasern des Nervus facialis, Nervus glossopharyngeus und Nervus vagus; Geschmack sowie Chemo- und Druckrezeptoren aus dem Bereich Kopf-, Brust- und Baucheingeweide

• Nucleus olivaris inferior (principalis + accessorii): Koordination von Bewegungen

• Nucleus hypoglossus (XII): somatomotorisch; Zungenmuskulatur und Muskulatur, die die Zunge im Mund bewegt (M. genioglossus, M. hyplossus, M. styloglossus)

+ Nervus hypoglossus

• Nucleus ambiguus: branchiomotorisch; steuert über N. IX, X, XI Muskeln des Gaumens, Rachens und Kehlkopfes

• Nucleus dorsalis nervi vagi (X): parasympathisch, viszeromotorisch für Brust- und Bauchorgane bis zum Colon transverum (Übergang kranialer/sakraler Parasympathikus im letzten Drittel des Colon transversum bzw. der linken Colonflexur); viszerosensibel aus dem Gastrointestinaltrakt

• Nucleus vestibularis medialis: branchiosensibel, einer der vier Hauptkerne des Gleichgewichtsnerven

• Nucleus tractus spinalis nervi trigemini: somatosensibel, feines Tastempfinden im Gesicht

Zusätzlich: Reste des Dachs des 4. Ventrikels (Deckplatte – siehe Embryologie)/Plexus choroideus Kleinhirn: in manchen Präparaten mitgeschnitten (Details siehe oben).

Anmerkung: Da in den Kurspräparaten nicht immer exakt die oben beschriebene Schnittebene getroffen ist, sind einige Strukturen nicht in allen Präparaten zu finden. Strukturen, die immer vorhanden sind: Pyramide, Olivenkern, Lemniscus medialis, 4. Ventrikel, Nucleus hypoglossus

In der Medulla oblongata ist die Grundstruktur des Neuralrohrs noch zu erkennen (siehe VO Embryologie). Die Flügelplatten (sensible Areale) sind nach lateral verlagert, dadurch wird die Deckplatte dünn ausgezogen und besteht nur aus einer Schicht von Ependymzellen, die gemeinsam mit von der Pia mater abgeleitetem kapillarreichem Bindegewebe das Dach des 4. Ventrikels in Form des Plexus choroideus bildet (Liquorproduktion). Unter dem 4. Ventrikel sind von medial nach lateral die Somatomotorik, in die Tiefe verlagert die Branchiomotorik und schließlich die Viszeromotorik angesiedelt. Lateral davon finden sich Viszerosensibilität, Branchiosensibilität und Somatosensibilität.

Präparat Rückenmark (Medulla spinalis)

Färbung: Klüver-Barrera (Darstellung der Markscheiden mit Luxol-Fast-Blue und der Nissl-Substanz [= raues endoplasmatisches Retikulum] mit Kresylechtviolett)

Das Rückenmark weist in seinen unterschiedlichen Segmenten (im Unterricht: Querschnitte aus dem Zervikal-, Thorakal-, Lumbal- und Sakralbereich) trotz verschiedener Größe und Ausprägung der Anteile von grauer und weißer Substanz einen einheitlichen Bau auf: Die graue Substanz liegt in Form eines „Schmetterlings“ innen, die weiße außen.

Die ausschließlich multipolaren Nervenzellen, deren Perikaryen in der grauen Substanz lokalisiert sind, können in drei Zelltypen eingeteilt werden: Wurzelzellen, Strangzellen und Binnenzellen. Die Wurzelzellen, Ursprungszellen motorischer Neuriten, sind die größten und auffallendsten unter ihnen. Die Strangzellen sind kleiner; ihre Neuriten reichen über die weiße Substanz bis zu relativ weit entfernt liegenden Rückenmarks- und Hirnteilen. Binnenzellen sind die kleinsten und dienen der Verschaltung von eng beisammen liegenden Neuronen.

Checkliste Rückenmark

• Vorderhorn (motorisch)

α – motorische Vorderhornzelle

• Hinterhorn (sensibel)

• Seitenhorn (autonom, C8-L3)

• Vorderseitenstrang: im histologischen Präparat keine Unterteilung erkennbar

• Hinterstrang

• Fissura mediana anterior

• Sulcus/Septum medianus/um posterior/ius

• Radix ventralis

• Radix dorsalis

• Substantia intermedia centralis mit Zentralkanal (Auskleidung Ependymzellen)

• Nucleus thoracicus (Stilling Clark’sche Säule, C8-L2): Umschaltstation für Afferenzen zum Kleinhirn

• Erythrozyten (bei optimaler Färbung türkis)

Höhendiagnose

Zervikalmark: Querschnitt queroval; breite, große Vorderhörner (motorische Versorgung der Armmuskulatur!); viel weiße Substanz (alle Verschaltungen des Rückenmarks zum/vom Gehirn müssen vorbei)

• Thorakalmark: Querschnitt klein, rund; schmales Vorderhorn (es muss nur die Muskulatur der Leibeswand motorisch versorgt werden); Seitenhorn (Sitz des Sympathikus); Nucleus thoracicus

• Lumbalmark: Querschnitt groß, annähernd rund; große, plumpe Vorderhörner (motorische Versorgung der Beinmuskulatur!)

• Sakralmark: Querschnitt relativ klein; große, plumpe Vorderhörner (motorische Versorgung der Beinmuskulatur!); auffällig viel graue Substanz im Vergleich zu weißer Substanz

Präparat Peripherer Nerv

Färbung: Hämatoxylin – Eosin (Übersichtsfärbung)

Ein peripherer Nerv, im vorliegenden Präparat zumeist ein Querschnitt des Nervus ischiadicus, besteht immer aus einer mehr oder weniger großen Anzahl von markhaltigen und marklosen Nervenfasern, bestehend aus Axonen/dendritischen Axonen und Schwann-Zellen. Die Nervenfasern liegen in lockerem, kleine Gefäße führendem Bindegewebe, dem Endoneurium. Gruppen von Nervenfasern und das sie umgebende Endoneurium werden von einer weiteren Bindegewebshülle, dem Perineurium, zu einem Nervenfaserbündel (Faszikel) zusammengefasst. Das Perineurium besteht aus einer äußeren straffen Bindegewebsschicht (Pars fibrosa) und einer inneren, epithelartigen Schicht (Fibroblasten parallel angeordnet, viele Zellkontakte; Perineuralepithel oder Pars epitheloidea). Das Perineurium grenzt den Nervenfasern führenden Innenraum vom umgebenden Gewebe ab. Durch diese Stoffwechselbarriere wird erreicht, dass die für die Erregungsleitung notwendigen Ionen in ausreichender Konzentration im die Nervenfasern umgebenden Milieu vorhanden sind. Mehrere Nervenfaserbündel werden bei größeren Nerven wieder durch eine teils lockere, teils straffe Bindegewebshülle, das Epineurium, zusammengefasst.

Checkliste peripherer Nerv

• Epineurium

• Perineurium

▪ Pars fibrosa

▪ Perineuralepithel

• Endoneurium

• Faszikel

• Marklose Nervenfasern

• Markhaltige Nervenfasern

• Schwann’sche Zellen

Beitrag erstellt auf Basis von Lernunterlagen von Gerhard Viehberger

Literaturauswahl

R. Lüllmann-Rauch: Histologie, Thieme, 6. Auflage 2019

U. Welsch, W. Kummer: Histologie. Das Lehrbuch, Urban & Fischer, 5. Auflage 2018

Neurophysiologie: Themen und empfohlene Lernunterlagen

Thema Motorik

Peripher bedingte Störungen

•Physiologische Grundlagen von Störungen an Funktionselementen des Skelettmuskels:

◦ Myasthenia gravis; Myotonien, Periodische Paralysen; Maligne Hyperthermie; Muskeldystrophien

• Störungen mit neurogenem Ursprung:

◦ Myasthenisches Syndrom (Lambert-Eaton); periphere Nervenläsionen; Polyneuropathien

Extrapyramidal bedingte Störungen

Physiologische Grundlagen von Störungen im extrapyramidalen System unter besonderer Berücksichtigung des Basalgangliensystems.

Cerebellär bedingte Störungen

Physiologische Grundlagen von Störungen der skeletomotorischen Funktionen im Kleinhirn.

Thema Kortex

Kortex, Störungen

Hirnrinde – Assoziationscortices und deren Störungen; Präfrontaler Kortex – limbisches System; Lateralisation und Hemisphärenbedeutung; zentrale Repräsentation von Sprache

Gedächtnis, Störungen

Zentralnervöse Integration sensorischer Informationen, Arten von Lernen und Gedächtnis; synaptische Plastizität: zelluläre und molekulare Grundlagen; Beispiele der Pathophysiologie

Elektrische Aktivität der Hirnrinde – Epilepsie; Pathophysiologische Grundlagen der Epileptogenese; Anfallsformen.

Thema Vegetativum und Homöostase

Spinale und supraspinale Kontrolle von Miktion und Defäkation

Physiologie und Pathophysiologie

Neurogene Kontrolle der Schweißproduktion

Physiologie und Pathophysiologie Neurogene Kontrolle des Blutdrucks Physiologie und Pathophysiologie Hirnödem

Pathophysiologische Mechanismen

Praktikum Physiologie

Basis der im physiologischen Praktikum des Block 19 zu behandelnden Beispiele ist das Verständnis der folgenden Grundlagen (siehe Block 4):

• Grundlagen der Neurophysiologie

• Grundlagen der Nervenleitgeschwindigkeit

• EEG: Theoretische Grundlagen

• EEG: Praxis/Klinik

Aufbauend auf diese Voraussetzungen und auf die Inhalte einer Einführungsvorlesung werden folgende Übungen durchgeführt und die neurologische Anwendung oben genannter Untersuchungsmethoden diskutiert.

1. Registrierung eines EEG

2. Analyse typischer EEG-Muster

3. Analyse von EEG-Artefakten

Das Lernziel des Praktikums ist der Erwerb eines grundlegenden Verständnisses für die Registrierung und Interpretation von EEG-Signalen, aber nicht die Fähigkeit zur EEG-Befundung!

Lernunterlagen

Vorlesungsfolien und Anregungen zum Selbststudium im jeweils aktuellen Studyguide Humanmedizin der MedUni Wien Brandes R, Lang F, Schmidt R (2019): Physiologie des Menschen mit Pathophysiologie, 32. Auflage, Springer Verlag Zschocke S, Hansen HC (2012): Klinische Elektroenzephalographie, Springer Verlag

Vegetativum und Homöostase

Ao. Univ.-Prof. Dr. Sigismund Huck

Hinweis: Das Verständnis der in diesem Kapitel präsentierten Inhalte wird durch die Wiederholung der in Block 4 gelehrten Inhalte wesentlich erleichtert.

Organisation des autonomen Nervensystems

Hypothalamus

Der Hypothalamus ist Teil des Zwischenhirns (Dienzephalon) und – über Integration vegetativer, hormoneller und somatischer Systeme – Zentrum homöostatischer Regulationsmechanismen (Mechanismen, die das innere Gleichgewicht aufrechterhalten). Vom Hypothalamus werden u. a. Thermoregulation, Flüssigkeitshomöostase, Nahrungsaufnahme und Metabolismus, zirkadiane Rhythmen, Abwehrreaktion (mit Schmerz und Stress) und Reproduktion koordiniert. Anatomisch und funktionell wird zwischen lateralem Hypothalamus, medialem Hypothalamus und periventrikulärer Zone unterschieden. Der Großteil der neuronalen Afferenzen aus anderen Gebieten des Nervensystems verläuft zum lateralen Hypothalamus, der in reziproker Verbindung mit dem medialen Hypothalamus steht. Im medialen Hypothalamus und der periventrikulären Zone lassen sich Kerngebiete abgrenzen (die bekanntesten: N. supraopticus; N. paraventricularis; N. suprachiasmaticus). Ausfallserscheinungen im Hypothalamus (bei Tumoren, Traumata) manifestieren sich überwiegend als hormonelle Störungen (s. Block 10).

Autonomer Reflexbogen

Im Rückenmark ist zumindest ein Interneuron in den autonomen Reflexbogen zwischen afferentem (Zellkörper im Spinalganglion) und efferentem Neuron (Zellkörper im N. intermedio-lateralis) zwischengeschaltet. Während alle Sympathikusreflexe über das Rückenmark laufen, erfolgt beim Parasympathikus die Umschaltung großteils in organnahen oder intramuralen Ganglien.

Sympathikus

In der ventrolateralen Medulla oblongata (VLM) sind sympatho-exzitatorische Neurone spontan aktiv. Sie sind über deszendierende Bahnen im Hinter-Seitenstrang mit den präganglionären Neuronen im Rückenmark (N. intermedio-lateralis; im Bereich Th1–L2) verbunden. Die Entladungsfrequenz der sympatho-exzitatorischen Neurone der VLM wird durch Aktivierung von Pressorezeptoren verringert und durch eine Reihe von weiteren Einflüssen erhöht (arterielle Chemorezeptoren, CO2-Anstieg, zerebrale Ischämie). Pressorezeptoren finden sich in der Gefäßwand im Aortenbogen sowie des Karotissinus. Ihre Axone enden im N. tractus solitarii, von wo GABA-erge Verbindungen die Neurone der ventrolateralen medulla oblongata hemmen. Umgekehrt führen Efferenzen vom N. paraventricularis (Hypothalamus) zur ventrolateralen medulla oblongata im Stress zu Blutdruckerhöhung.

Die beim komplexen regionalen Schmerzsyndrom (RPS) pathologisch erhöhte Aktivität der präganglionären Sympathikus-Neurone führt zu atrophen Störungen der betroffenen Extremität. Neurotransmitter des postganglionären Sympathikus ist Noradrenalin. Die Nebennieren, die als Teil des Sympathikus gelten, setzen ihre Botenstoffe (Adrenalin, Noradrenalin) allerdings in das Blut frei.

Parasympathikus

Die präganglionären (efferenten) Neurone des cephalen Parasympathikus (Hirnnerven III, VII, IX und X) liegen im Hirnstamm, die des spinalen Parasympathikus im Sakralmark (S2–S4).

Cephaler Parasympathikus: Die Afferenzen des N. vagus (X) enden im N. terminalis N. vagi sowie im N. tractus solitarii. Die Zellkörper der Efferenzen (d. s. die präganglionären Neurone) liegen im N. dorsalis und im N. ventralis N. vagi (= N. ambiguus). Der N. vagus innerviert den Magen-Darm-Trakt (außer Rektum), Lunge und Herz. Der Reflexbogen steht unter übergeordneter Kontrolle (N. paraventricularis hypothalami, N. centralis amygdalae, präfrontaler Kortex).

Die präganglionären parasympathischen Neurone des N. oculomotorius (III) entstammen dem N. Edinger-Westphal und werden im Ggl. ciliare umgeschaltet. Die Aktivierung dieser Neurone führt u. a. zur Kontraktion des M. sphincter pupillae und dadurch zu Pupillenverengung (Miosis), Aktivierung des Sympathikus zu Pupillenerweiterung (M. dilatator pupillae, Mydriasis).

Aktivierung des Parasympathikus führt auch zu vermehrter Tränensekretion (N. facialis, VII) sowie zu vermehrter Speichelsekretion (N. glossopharyngeus: Sekretion der Gl. parotis; Chorda tympani des N facialis: Sekretion der Gl. submandibularis und Gl. sublinguales). Parasympathomimetika (Carbachol, Pilocarpin, Physostigmin u. a. m.) imitieren eine Aktivierung des Parasympathikus, Parasympatholytika (auch Vagolytika oder Anticholinergika genannt; z. B. Atropin, Scopolamin) hemmen parasympathische Funktionen.

Sakraler Parasympathikus: siehe Harnblasen- und Rektum-Funktion.

Ausgewählte Funktionen des autonomen Nervensystems und ihre Störungen

Neuronale Kontrolle der Schweißsekretion

Die ekkrinen Schweißdrüsen (nicht hingegen die apokrinen Schweiß-/Duftdrüsen) werden vom Sympathikus (Th3–L2) innerviert. Transmitter des (postganglionären) Sympathikus ist hier ausnahmsweise Acetylcholin (M3-Rezeptoren). Die Innervation ist somit nach anatomischen Kriterien sympathisch, nach pharmakologischen Kriterien hingegen cholinerg-parasympathisch. Bei Ausfall des postganglionären Sympathikus gehen auch die M3-Rezeptoren an den Schweißdrüsen verloren, wodurch direkte Parasympathomimetika (wie Pilocarpin: chemisch-induzierte Sekretion) zu keiner Schweißsekretion führen. Bei Läsionen vor den Ganglien (Rami communicantes albi, Rückenmark oder Medulla oblongata) geht nur die thermisch, nicht aber die chemisch induzierte Sekretion verloren (bei Rückenmarksläsion oberhalb von Th3 zur Gänze, unterhalb von L2 überhaupt nicht). Ein Ausfall der chemisch-induzierten Schweißsekretion ist bei peripherer Neuropathie (z. B. Diabetes) zu beobachten. Anhidrose lässt sich mit Kobalt-Pflastern (Verfärbung) diagnostizieren.

Barorezeptoren-Reflex

Afferenzen von N. glossopharyngeus (IX) und N. vagus (X) übertragen die Signale der arteriellen Druckrezeptoren im Karotissinus (N. IX) beziehungsweise Aortenbogen (N. X) zum N. tractus solitarii. Der Aktivierungsgrad der Rezeptoren kontrolliert die Reflexbögen – über den N. tractus solitarii zum efferenten N. vagus (Stimulierung) – sowie zu den sympatho-exzitatorischen Neuronen in der rostralen ventrolateralen Medulla oblongata (Hemmung) und bestimmt dadurch (reziprok) Herzfunktion und Blutdruck. Aktivierte Baro-Rezeptoren bewirken somit Senken des Blutdrucks sowie umgekehrt (siehe auch kardiale Dehnungsrezeptoren und ihre Wirkung, Block 4, Block 9). Die Funktionalität des Baro-Rezeptoren-Reflexes lässt sich im Schellong-Test (Block 4) feststellen. Während eine hypersympathikotone Regulationsstörung relativ häufig ist (schon bei konstitutiv niedrigem Blutdruck, aber auch bei Hypovolämie), ist die hyposympathikotone Regulationsstörung (niedriger Blutdruck, nur geringer Anstieg der Herzfrequenz bei Belastung) pathologisch (z. B. bei diabetischer Polyneuropathie) und aufgrund resultierender Hypoxie vitaler Organe potenziell gefährlich.

Schlaf-Apnoe

Eine vergleichsweise häufige Erkrankung (Inzidenz wird auf mindestens 5 % im Erwachsenenalter geschätzt), charakterisiert durch häufiges (> zehnmal pro Stunde) Aussetzen der Atmung (für > 10 Sekunden) während des Schlafs. Aufgrund des daraus resultierenden CO2- und pH-Anstiegs bzw. O2-Abfalls im Blut werden Chemorezeptoren (im Glomus caroticum und Glomus aorticum) aktiviert, die – über Afferenzen der Nn. glossopharyngeus und vagus – ihrerseits sympatho-exzitatorischen Neurone in der ventrolateralen medulla oblongata (VLM) aktivieren. Die Folgen sind erhöhte Aktivität des Sympathikus (zu messen z. B. am N. Peroneus beim Fibula-Köpfchen), mit akutem (sowie häufig auch chronischem) Blutdruckanstieg und entsprechenden Konsequenzen für Herz und Kreislauf. Man unterscheidet zwischen primärer (neurogener) und der wesentlich häufigeren sekundären (obstruktiven) Schlaf-Apnoe. Hinweise auf Schlaf-Apnoe sind Tagesmüdigkeit, Kopfschmerz, Reizbarkeit, auch unerklärter hoher Blutdruck. In vielen Fällen beobachtet ein Partner Schnarchen, das von Atempausen unterbrochen ist. Die Diagnose erfolgt über Poly-Somnografie (Messung u. a. der Atemluft, Thorax-Exkursion, Sauerstoffsättigung im Blut, Herzfrequenz). Ursachen für obstruktive Schlaf-Apnoe sind raumfordernde Prozesse in den oberen Atemwegen (Polypen, Tonsillen, Übergewicht verbunden mit Fetteinlagerung). Alkohol und Schlafmittel verstärken die Symptomatik. Therapie (falls notwendig): Continuous positive airway pressure (CPAP).

Neuronale Kontrolle der Harnspeicherung (Kontinenz) bzw. Blasenentleerung (Miktion)

Bei einem Füllungsvolumen der Harnblase von etwa 300–500 ml entsteht Harndrang. Die bewusste Entscheidung, dem Harndrang nachzugeben, erfolgt durch den präfrontalen Kortex. Kleinkinder werden üblicherweise zwischen dem 3. und dem 5. Lebensjahr kontinent (parallel zur Reifung des präfrontalen Kortex), demente Menschen können die Kontrolle über die Miktion verlieren (Harninkontinenz). An peripher-efferenten Nerven sind beteiligt: Sympathikus (präganglionär von Th11–L2 → Ganglion/Plexus mesentericum inferius → N. hypogastricus). Parasympathikus (präganglionär von S2–S4 → Nervus (splanchnicus) pelvinus → intramurale Ganglien). Somatisch: N. pudendus. Die Afferenzen erreichen das Rückenmark in Th11–L2 und S2–S4.

Unter dessen Kontrolle kontrahiert der M. detrusor vesicae, wobei der Harnfluss durch gleichzeitige Erschlaffung der M. sphincter internus (glatte Muskulatur am Blasenhals) und des somatischen M. sphincter externus (Teil des Beckenbodens; quergestreifter Muskel mit nikotinischen Rezeptoren) freigegeben werden muss. Die Kontraktion des M. detrusor vesicae erfolgt (reflexverstärkt) durch Aktivierung des Parasympathikus (M3-Rezeptoren, auch P2X-Purin-Rezeptoren an glatten Muskelzellen). Die parallele Erschlaffung des M. sphincter internus erfolgt einerseits durch NO-Freisetzung vom Parasympathikus, anderseits durch Hemmung des Sympathikus (der hier über α1A-Rezeptoren wirkt). Die dazugehörige Erschlaffung des (somatischen) M. sphincter externus unterliegt supraspinaler Kontrolle durch den präfrontalen Kortex und somit dem Bewusstsein.

Sobald Harn die Harnröhre erreicht, wird der spinale Miktionsreflex verstärkt (vermehrte Aktivierung des Parasympathikus). Die Beteiligung der supraspinalen Strukturen an Füllung und Entleerung konnte nicht nur im Tierversuch, sondern auch mittels funktioneller Bildgebung beim Menschen nachgewiesen werden. Hierbei wurden aktive Regionen im präfrontalen Kortex, Gyrus cinguli, zentralen Höhlengrau, Hypothalamus sowie im Bereich der Pons (dem Miktionszentrum zugeordnet) gefunden.

Kontinenz wird durch (bewussten) Verschluss des M. sphincter externus sowie – auf spinaler Ebene über Interneurone – durch den sogenannten „Guarding Reflex“ erreicht: Dabei feuern die afferenten Neurone der Harnblase – im Gegensatz zu einer vollen Harnblase – mit lediglich geringer Entladungsrate. Die Information wird nicht nur an das Rückenmark, sondern auch an supraspinale Zentren weitergereicht. Infolge dessen kommt es zur Kontraktion des (somatischen) M. sphincter externus, zur Unterdrückung des parasympathisch-vermittelten Miktionsreflexes sowie – über Aktivierung des Sympathikus – zur Relaxation des M. detrusor (β3-Adrenozeptoren) und zur Kontraktion des M. sphincter internus (α1-Adrenozeptoren).

Entleerungsstörungen: Nach Rückenmarksläsionen oberhalb des lumbosakralen Rückenmarks („spinaler Schock“) fällt die Harnentleerung vollständig aus (atone Schockblase), um als spinaler Reflex (Reflexblase) nach einigen Wochen wiederzukehren. Ein Bewusstsein über den Zustand der Blasenfüllung ist nicht gegeben. Der Miktionsreflex kann eventuell durch taktile Reize (Klopfen der Bauchdecke, Drücken des Unterleibs) ausgelöst werden. Die Entleerung erfolgt dann zumeist unvollständig, weil trotz Kontraktion des M. detrusor vesicae („neurogene Detrusor-Überaktivität“) der M. sphincter externus geschlossen bleibt („Detrusor-Sphincter-Dyssynergie“). Während Aδ-Afferenzen (physiologisch) den Füllungszustand der Harnblase anzeigen, dürften C-Fasern unter pathologischen Verhältnissen aktiv werden (Blasenentzündung, Reflexblase, Kältereiz, Capsaicin).

Neben neurogener gibt es auch idiopathische Detrusor-Überaktivität („Drang-Inkontinenz“) mit ungeklärter Ursache. Botulinumtoxin hat sich als wirksame Therapie von neurogener und idiopathischer Detrusor-Überaktivität erwiesen (Injektionen in den M. detrusor vesicae: Wirkdauer 9–11 Monate). Neben einer reduzierten Freisetzung von Acetylcholin an efferent-autonomen Nerven dürfte Botulinumtoxin A auch über Hemmung der Freisetzung von Modulatoren des Urothels (z. B. ATP) wirken.

Prostatahypertrophie ist eine häufige Erkrankung bei Männern im höheren Lebensalter. Die dabei zu beobachtende Miktionsstörung kann symptomatisch durch Hemmung des M. sphincter internus (mittels α1A Antagonisten, z. B. Tamsulosin) gelindert werden.

Neuronale Kontrolle der Stuhlspeicherung (Kontinenz) bzw. Stuhlentleerung (Defäkation)

Die Propulsion (Peristaltik) des Darminhalts verläuft weitgehend autochthon über das enterische (Darm-)Nervensystem. Generell fördert der Parasympathikus die Motorik, der Sympathikus hemmt. Das Rektum dient als Speicherorgan (bis zu zwei Liter).

Bei Stuhldrang wird (unter supraspinaler Kontrolle durch Hirnstamm und präfrontalen Kortex) eine Reflexkette in Gang gesetzt: Bei phasischer Füllung des Rektums dilatiert der M. sphincter internus kurzzeitig (M. sphincter externus bleibt geschlossen), das Rektum dilatiert in wenigen Sekunden und der M. sphincter internus schließt wieder (= rekto-sphinkterischer Reflex). Die Defäkation erfolgt in der Reihenfolge: Bauchpresse → Relaxation des M. sphincter internus (unter α1-adrenerger Kontrolle) → Relaxation des M. sphincter externus (unter somatischer – willkürlicher – Kontrolle durch N. pudendus) → Aktivierung des Parasympathikus → Defäkation.

Bei Kontinenz sind die umgekehrten Mechanismen wirksam: Die Sphincteren bleiben geschlossen: Der M. sphincter internus unter Kontrolle des Sympathikus (präganglionär: L1–L2); der M. sphincter externus unter somatischer (willkürlicher) Kontrolle. Der Parasympathikus (S2–S4, N. pelvicus) im Rückenmark wird supraspinal gehemmt.

Erkrankungen: Keine Defäkation erfolgt bei Zerstörung des Sakralmarks. Bei höher liegendem Querschnitt zunächst Areflexie („spinaler Schock“), dann autonome Hyperreflexie. Defäkation kann reflektorisch z. B. durch Aufspreizen des M. sphincter externus eingeleitet werden.

Energie-Homöostase des Gehirns

(siehe auch Kapitel Hypoxie)

Das Gehirn benötigt bei 2–3 % des Körpergewichts etwa 20 % des Gesamt-Energiebedarfs des Körpers. Dieser Bedarf wird überwiegend durch aerobe Glykolyse gedeckt und ist daher auf die Versorgung durch Sauerstoff und Glukose angewiesen. Unterbrechung der Zufuhr führt zu Funktionsstörungen und Schädigungen insbesondere von Nervenzellen, die zunächst reversibel, dann irreversibel sind.

Na/K-ATPase

Der überwiegende Teil des Energieaufwands dient der Aufrechterhaltung der ungleichen intrazellulären/extrazellulären Ionenverteilung, wobei K+ in den Zellen hoch und Na+ sowie Cl- im Vergleich zu extrazellulär niedrig sind. Der Na/K-Gradient wird durch die Na/K-ATPase (aktiver Auswärts-Transport von 3 Na+ gegen Einwärts-Transport von 2 K+ unter Verwendung von ATP) gewährleistet. Aufgrund des (daraus resultierenden) chemischen Gradienten verlässt K (durch K2P- und KIR-Kanäle) bei vergleichsweise geringem (passivem) Na+ und Cl- Einstrom die Zelle. Der Ausstrom von K+ endet, wenn sich ein dem chemischen Gradienten ein entgegenwirkender elektrischer Gradient aufgebaut hat (= Ruhepotenzial). Bei einem Aktionspotenzial werden zunächst Na-, dann K-Kanäle (KV und KCa) geöffnet. Die beiden Ionen bewegen sich entlang ihrer chemischen Gradienten nach innen (Na+) bzw. außen (K+). Bei etwa -20 mV öffnen auch (high-voltage activated) Kalzium-Kanäle (z. B. der L-Typ oder der N-Typ-Ca-Kanal). Cl Einstrom wird im Wesentlichen über GABA-erge Ionenkanäle vermittelt.

K-Anstieg

Die Na/K-ATPase sorgt dafür, dass auch nach einer Serie von Aktionspotenzialen die ursprüngliche Ionenverteilung wiederhergestellt wird. Bei Unterbrechung der Energiezufuhr (zumeist aufgrund von Hypoxie) steht nicht ausreichend ATP für die Funktion der Na/K-ATPase zur Verfügung: Die Nervenzellen depolarisieren aufgrund des daraufhin verminderten K-Gradienten (s. Nernst’sche Gleichung) und feuern bei Erreichen des Schwellenpotenzials (Potenzial, bei dem Na-Kanäle öffnen) Aktionspotenziale. Aufgrund der Depolarisation öffnen auch (spannungsabhängige) Kalzium-Kanäle, wobei Kalzium an präsynaptischen Endigungen die Freisetzung von Transmittern (so auch Glutamat) fördert, andererseits (am Soma) zu einer potenziell toxischen Kalzium-Akkumulation führen kann.

Ein Anstieg des intrazellulären Na bei gleichzeitigem Abfall des intrazellulären K aufgrund der nicht funktionierenden Ionenpumpe hat auch Auswirkung auf die Funktion von Na-abhängigen Ko-Transportern in Nerven- bzw. Gliazellen: Diese Transporter (so z. B. Neurotransmitter-Transporter oder der Na/Kalzium-Antiporter der Zellmembran) operieren unter Verwendung vor allem des intra/extrazellulären Na-Gradienten. Da sie Ionengradienten, und nicht – wie die Na/K-ATPase – ATP als Antrieb verwenden werden sie als sekundäre Transporter bezeichnet. Die Na/K-ATPase ist hingegen ein primärer Transportmechanismus.

Excito-Toxine

Das (bei einem Aktionspotenzial) synaptisch freigesetzte Glutamat löst über Aktivierung von AMPA-Rezeptoren EPSPs (excitatory postsynaptic potentials) bei Erreichen des Schwellenpotenzials Aktionspotenziale aus. Sofern Neurone depolarisiert sind, aktiviert Glutamat auch NMDA-Rezeptoren. In diesem Fall kann Magnesium, das bei Ruhepotenzial den Rezeptor/Kanal blockiert, den Kanal verlassen. Aktivierte NMDA-Rezeptoren sind in hohem Ausmaß Kalzium-permeabel, was zu einer massiven Kalziumbelastung der Nervenzellen und zum nachfolgenden Zelltod führen kann. Glutamat und verwandte Substanzen werden daher auch als Excito-Toxine bezeichnet. Aus diesen Mechanismen lassen sich potenzielle Therapieansätze ableiten (z. B. Kalzium-Kanalblocker, Glutamat-Rezeptor-Antagonisten).

Die Rolle von Astrozyten

Das Gehirn verfügt über mindestens zehnmal mehr Glia- als Nervenzellen, die meisten davon Astrozyten, die bei den pathogenetischen Prozessen eine wesentliche Rolle spielen. So wird freigesetztes Glutamat von Gliazellen (in deutlich geringerem Ausmaß auch von Nervenzellen) über einen Na-H+-Cotransporter (bei gleichzeitigem Auswärtstransport von K) aufgenommen. Da auch der Na/K-Gradient von Gliazellen durch Ausfall der Na/K-ATPase betroffen ist, können diese das freie (und dadurch vermehrt an Rezeptoren wirksame) Glutamat nicht mehr entfernen, mit oben beschriebenen Konsequenzen für Neurone.

Aufgrund ihrer hohen Dichte an K-Kanälen nehmen Astrozyten erhöhtes extrazelluläres K auf, geben es (über „Gap Junctions“) an benachbarte Astrozyten weiter und setzen es gegebenenfalls in Regionen mit normaler K-Konzentration wieder frei („Spatial Buffering“). Das intrazelluläre K steigt dabei nicht nennenswert an; bei Normalisierung der Verhältnisse dreht sich die K-Bewegung wieder um. Bei großflächiger K-Erhöhung versagt die Freisetzung (da auch am „Ziel-Ort“ K schon hoch ist). Dann wird K+ zur Erhaltung der Elektroneutralität von Cl- (Cl- durch separate Kanäle) begleitet. Dadurch steigt die intrazelluläre Osmolarität, was durch Aufnahme von Wasser kompensiert wird (= Schwellung, potenziell tödliches Hirnödem).

Durch die Pufferfunktion der Astrozyten können Neurone vor Depolarisation durch extrazelluläres K geschützt werden und ihre wesentlichste Funktion – die Generierung von Aktionspotenzialen zum Informationstransfer – aufrechterhalten. Zu einem Anstieg von extrazellulärem K kommt es nicht nur bei Hypoxie, sondern auch bei pathologischer Übererregung (Epilepsie, Krämpfe) aufgrund des Ausstroms von K infolge Repolarisation während eines Aktionspotenzials. Eine sich nach diesen Mechanismen ausbreitende K-„Welle“ wird auch als „Spreading Depression“ bezeichnet (benachbarte Nervenzellen werden depolarisiert, falls das extrazelluläre K nicht ausreichend entfernt werden kann).

Tetanie

Extrazelluläres Kalzium (soweit ausreichend vorhanden) lagert sich an der Oberfläche der Zellmembran an und sättigt dort negative Ladung (die Zellmembran hat außen überwiegend negative Ladungen). Dadurch erhöht Kalzium das transmembranöse Potenzial. Bei niedrigem extrazellulärem Kalzium fehlt dieser Effekt, was der in der Zellmembran lokalisierte Spannungssensor des Na-Kanals als Depolarisation registriert. Der Sensor gelangt dadurch näher an das Schwellenpotenzial, bei dem der Kanal öffnet (die Folge: Aktionspotential). Dies dient als Erklärung für erhöhte neuromuskuläre Erregbarkeit bei relativer (normokalzämisch: z. B. bei Hyperventilation: mehr Kalzium-Albuminbindung bei alkalischem pH) oder absoluter (hypokalzämisch: VD, Parathormon) Hypokalzämie.

Hirndurchblutung, Hirnödem

Die Hirndurchblutung wird im Wesentlichen über lokale Faktoren wie K, pH, Adenosin und NO vom Gehirn selbst gesteuert (Autoregulation). So drosselt z. B. respiratorische Alkalose (Hyperventilation) die Blutzufuhr (Folge: Schwindel; beobachte: beim Ausblasen von Kerzen). Sympathische Innervation, die zu Vasokonstriktion führt, hat vor allem die Aufgabe, den Perfusionsdruck konstant zu halten (bei Blutdruckanstieg verengen sich auch die Gehirngefäße).

Schädel-Hirn-Trauma

Univ.-Prof. Dr. Romana Höftberger

Hinweis: Die Abbildungsverweise in diesem Kapitel beziehen sich auf die Farbbilder im Anhang.

Einleitung

Unter dem Begriff „Schädel-Hirn-Trauma“ versteht man eine Schädelverletzung mit Gehirnbeteiligung. Hauptsächliche Ursachen dafür sind Unfälle, kriminelle Übergriffe oder Selbstmordversuche. Sie stellen eine der häufigsten Todesursachen bei Menschen unter 45 Jahren in Industrieländern dar. Die Verletzungen können eingeteilt werden nach:

• Art der Verletzung

– offenes Schädel-Hirn-Trauma

– gedecktes Schädel-Hirn-Trauma

• Lokalisation der traumatischen Veränderungen (Abb. 5)

– Hüllsystem (Kopfschwarte, knöcherner Schädel, Hirnhäute)

– Gehirn (fokal oder diffus)

• Zeitverlauf des Schadens (Abb. 6)

– primäre Veränderungen: direkte Folge der mechanischen Einwirkung

– sekundäre Veränderungen: Folgewirkung der mechanischen Schädigung

Klinik

Die klinische Symptomatik des Schädel-Hirn-Traumas ist abhängig vom Ausmaß sowie der Lokalisation des Schadens. Im Allgemeinen können Verletzungen des Gehirns zu Bewusstseinsverlust, Verwirrtheit, Gedächtnisverlust (Amnesie) und abhängig von der Lokalisation zu entsprechenden fokalen Ausfällen führen. Im schlimmsten Fall kann durch ausgedehnte kortikale, subkortikale und/oder dienzephale (Thalamus-)Schädigung ein Coma vigile bzw. apallisches Syndrom (Wachkoma) verursacht werden. Bei Schädigung des Hirnstammes ist die Prognose besonders ungünstig. Klinisch können das Mittelhirnsyndrom, Bulbärsyndrom und das „Locked-in“-Syndrom unterschieden werden (Abb. 7).

Prognose: Je nach Schadensausmaß können sich die Patient:innen von ihren Verletzungen gut erholen (etwa 60 %), andere leiden jedoch an bleibenden Funktionseinschränkungen. Aussage zur Prognose des Schädel-Hirn-Traumas gibt die Glasgow-Koma-Skala. Generell gilt die Regel: Je tiefer das Koma (Abb. 8) und je länger der Bewusstseinsverlust andauert, desto höher ist die Wahrscheinlichkeit, dass der/die Patient:in einen irreversiblen Hirnschaden bzw. bleibende neurologische/neuropsychiatrische Schäden von den Verletzungen davontragen wird.

Verletzungen im Bereich des Hüllsystems

Kopfschwarte

Die Kopfschwarte kann einen beträchtlichen Teil der auftreffenden Energie absorbieren (mehr als 35 %). Über die Verletzungen der Kopfschwarte kann der Pathologe Informationen über den Ort der Gewalteinwirkung sowie Hinweise auf das einwirkende Werkzeug erhalten.

Knöcherner Schädel

Frakturen des Schädeldachs

• unmittelbare, oftmals umschriebene Gewalteinwirkung mit flachen Gegenständen oder Oberfläche (z. B. Fall auf das Hinterhaupt) führt zu Biegungsbrüchen

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