Physiologie des Schmerzes

Übersicht

Definitionen

• Schmerzen:
  • International Association for the Study of Pain (IASP) ist Schmerz „eine unangenehme sensorische und emotionale Erfahrung, die mit tatsächlicher oder potenzieller Gewebeschädigung verbunden ist oder als solche beschrieben wird“.
  • Psychisches Leiden oder Unbehagen
• Nozizeption:
  • Schädlicher (oder toxischer) Reiz oder ein Reiz, der bei längerer Exposition schädlich werden kann
  • Prozess, durch den periphere Schmerzrezeptoren Informationen über aktuelle (oder potenzielle) Gewebeschäden als Schmerzen an das zentrale Nervensystem Nervensystem Nervensystem: Aufbau, Funktion und Erkrankungen (ZNS) übermitteln
• Nozizeptor: Rezeptor im Endorgan, der biochemische Veränderungen erkennt, die mit aktueller oder potenzieller Gewebeschädigung verbunden sind
• Hyperalgesie: übersteigerte Reaktion auf schädliche Reize
• Allodynie: Schmerzempfindung als Reaktion auf einen harmlosen Reiz

Arten von Schmerzen

• Physiologische (akute) Schmerzen
• Pathologische (chronische) Schmerzen
• Nozizeptive Schmerzen:
  • Schmerzen als Reaktion auf tatsächliche oder potenziell schädliche Reize
  • Oft lokalisiert und schmerzhaft beschrieben
  • Verschlimmerung durch Bewegung
• Neuropathische Schmerzen:
  • Nervenverletzungen (stehen im Zusammenhang mit Allodynie)
  • Oft als ausstrahlend, einschießend beschrieben
  • Bewegungsunabhängig

Embryologie

• Woche 7: Entwicklung freier Nervenendigungen
• Woche 18: hormonelle Stressreaktionen auf Schmerzen
• Wochen 23–30: Thalamusprojektionen in den somatosensorischen Kortex
• Woche 26: Hämodynamische Reaktionen und Verhaltensreaktionen auf schmerzhafte Reize

Schmerzfunktion

• Verhaltensadaption zur Minimierung bzw. Vermeidung weiterer Gewebeschädigungen
• Ausgelöste Antworten:
  • Ausweichreaktion auf schädliche Reize (z. B. durch spinale Reflexe vermittelt)
  • Antizipatorische Schutzbewegungen (z. B. Bewegung der Arme zum Schutz von Augen und Gesicht, Abstützen vor einem drohenden Aufprall)

Anatomie und Physiologie der Schmerzbahn

Phasen

1. Transduktion
2. Transmission
3. Modulation
4. Zentrale Wahrnehmung

Nozizeptiver Prozess

• Thermische, mechanische oder chemische Reize schädlicher Intensität kommen mit Gewebe in Kontakt.
• Verletztes Gewebe setzt Entzündungsmediatoren frei, darunter:
  • Globulin
  • Proteinkinasen
  • Arachidonsäure
  • Histamin
  • Nervenwachstumsfaktor (NGF)
  • Substanz P (SP)
  • Calcitonin Calcitonin Weitere antiresorptive Medikamente Gen-Related Peptide Peptide Proteine und Peptide (CGRP)
• Mediatoren stimulieren Transduktionskanäle (ähnlich wie spannungsgesteuerte Kanäle) → Initiierung von Rezeptorpotentialen (Transduktion)
• Rezeptorpotentiale lösen in sensorischen Nervenfasern Nervenfasern Nervensystem: Histologie Aktionspotentiale aus.
• Entstandenen Aktionspotentiale werden als afferente Signale über sensorische Nervenfasern Nervenfasern Nervensystem: Histologie an die Spinalganglien und das Hinterhorn des Rückenmarks weitergeleitet (Transmission).
• Von dort wird das Signal über das Rückenmark Rückenmark Rückenmark zum Hirnstamm Hirnstamm Hirnstamm und Thalamus Thalamus Thalamus übertragen, wo eine Informationsverarbeitung (Modulation) stattfinden kann.
• Signal erreicht schließlich den somatosensorischen Kortex (zentrale Wahrnehmung). Die biopsychosoziale Interpretation der schmerzhaften Erfahrung beinhaltet die Schmerzverarbeitung in den folgenden neuronalen Bereichen:
  • Amygdala: beteiligt an der emotionalen und affektiven Reaktion auf Schmerzen und Schmerzmodulation
  • Hypothalamus Hypothalamus Hypothalamus: beteiligt an der neuroendokrinen, kortikotrophen Reaktion auf Schmerzen
  • Periaquäduktale graue Substanz (PAG): Schlüsselzentrum für die Schmerzmodulation, beteiligt an Schmerzvermeidungs- und Schmerzabwehrreaktionen
  • Basalganglien Basalganglien Basalganglien (Stammganglien): beteiligt an den kognitiven, affektiven und diskriminativen (Fähigkeit, sensorischen Input zu lokalisieren) Dimensionen der Schmerzwahrnehmung
  • Cortex cerebri: Ort der letztendlichen Schmerzwahrnehmung mit Potenzial zur bewussten Aktivierung absteigender Bahnen zur Schmerzmodulation

Schmerzmodulation

• Schmerzsignale werden an folgenden Orten durch endogene Opioidpeptide (z. B. Endorphine, Dynorphine, Enkephaline) moduliert (reduzierte Übertragung von nozizeptiven Afferenzen):
  • Rückenmark Rückenmark Rückenmark
  • Dorsalganglien
  • Periaquäduktales Grau (PAG) des Mesencephalons
• Die Modulation tritt in den absteigenden (hemmenden) Bahnen auf.
• Wirkmechanismen endogener Opioidpeptide:
  • Aktivierung von μ-, κ- und Δ-Opioidrezeptoren → verminderter präsynaptischer Ca ²⁺ -Einstrom → verminderte Freisetzung von Glutamat und Substanz P
  • Erhöhte K ⁺ -Leitfähigkeit in den Neuronen Neuronen Nervensystem: Histologie des Hinterhorns
• Weitere Modulatoren sind:
  • Noradrenalin (NE)
  • Glycin
  • GABA

Arten von afferenten Nervenfasern Nervenfasern Nervensystem: Histologie

Typ A-Fasern:

• Großer Durchmesser und myelinisiert → schnellleitend
• Aα-Fasern: Primärrezeptoren der Muskelspindeln und der Golgi-Sehnenorgane
• Aβ-Fasern:
  • Afferente Axone mit dem größten Durchmesser
  • Sekundärrezeptoren der Muskelspindel, welche zur kutanen Mechanorezeption beitragen.
  • Nehmen leichte Berührungen und/oder Bewegungsreize wahr
• Aδ-Fasern:
  • Freie Nervenendigungen, die druck- und temperaturabhängige Reize weiterleiten.
  • Leitungsgeschwindigkeit ca. 20 m/sec
• Aγ-Fasern: Motoneuronen, die die intrinsische Aktivierung der Muskelspindel steuern.

Typ B-Fasern:

• Mittelgroße, dünn myelinisierte Fasern
• Dienen der Übertragung von viszeralen Informationen

Typ C-Fasern:

• Unmyelinisierte, langsame Nozizeptorfasern
• Leitungsgeschwindigkeit von ca. 2 m/sec
• Reagieren auf Kombinationen aus thermischen, mechanischen und chemischen Reizen

Rexed-Laminae

• Somatosensorische und motorische, funktionell-anatomische Anordnung in den einzelnen Wirbelsäulensegmenten des Rückenmarks (hauptsächlich im Hinterhorn)
• Die verschiedenen Arten sensorischer Nerven (bzw. auch einige motorische (Laminae VI–IX)) und die entsprechenden Informationen, die sie übertragen, sind so organisiert, dass ihre Synapsen in bestimmten Bereichen im Hinterhorn, den sogenannten Laminae, liegen.
• Es gibt 10 Laminae, denen die römischen Ziffern I–X zugeordnet werden:
  • Lamina I: empfängt noxische sowie thermische Reize und leitet diese weiter
  • Lamina II: empfängt und überträgt noxische sowie nicht-noxische, physikalische Reize und ist des Weiteren an der Schmerzmodulation beteiligt
  • Lamina III: empfängt und übertragt körperliche Reize im Zusammenhang mit leichter Berührung und Propriozeption Propriozeption Neurologische Untersuchung
  • Lamina IV: empfängt unschädliche körperliche Reize und leitet diese weiter
  • Lamina V: empfängt und leitet schädliche Reize weiter und ist an der Schmerzmodulation beteiligt
  • Lamina VI: empfängt und leitet Informationen weiter, die an den spinalen Reflexen und der Propriozeption Propriozeption Neurologische Untersuchung beteiligt sind
  • Lamina VII: empfängt und überträgt Informationen über viszerale (autonome) Funktionen sowie schädliche Reize
  • Lamina VIII: empfängt Informationen über die Modulation der willkürlichen Bewegung und leitet diese weiter
  • Lamina IX: empfängt und überträgt Informationen über die motorische Kontrolle (grobe Muskelkontraktion)
  • Lamina X: zentral im Rückenmark Rückenmark Rückenmark gelegen (Commissura grisea); hier kreuzen sich sensorische und motorische Neuronen Neuronen Nervensystem: Histologie, bevor sie aufsteigen/absteigen. Es findet ein gewisses Maß an interneuronaler Informationsübertragung (Modulation) statt.
• Weitere auch assoziierte Nuclei existieren.
• Unter physiologischen Bedingungen werden sensorische und motorische Informationen (und die damit verbundene Modulation) auf hoch organisierte und absehbare Weise innerhalb und zwischen den Laminae übertragen.
• Unter pathologischen Bedingungen (z. B. anhaltender nozizeptiver Input, neurologische Schädigungen) kann es zu einer abnormalen Neuordnung der sensorischen Inputs kommen, die zur Entwicklung einer zentralen Sensibilisierung und anderen Manifestationen chronischer Schmerzen beiträgt:
  • Nozizeptive neuronale Inputs werden in Laminae geleitet, die unschädlichen oder motorischen Reizen gewidmet sind.
  • Unschädliche oder motorische Inputs werden in Laminae geleitet, die nozizeptiven Reizen gewidmet sind.
  • Dies führt zu einer abnormalen Schmerzwahrnehmung bei normalerweise unschädlichen Reizen oder Bewegungen:
    • Allodynie
    • Überempfindlichkeit
    • Hyperalgesie
    • Parästhesie/Dysästhesie
    • Entwicklung von neuropathischen Schmerzen in einem Bereich ohne Nervenschädigung
    • Erweiterung des rezeptiven Feldes über den normalen Bereich eines peripheren Nervens hinaus
    • Spontane Schmerzen ohne schädliche Reize oder Gewebeschäden
  • Abnorme, interneuronale Reflexe können sich entwickeln:
    • Muskelaktivierung oder Gelenkbewegung (motorische Reize, propriozeptive Reize) lösen schmerzhafte Reize aus.
    • Schmerzhafte Reize können eine abnormale motorische Aktivität auslösen (z. B. Hypertonus Hypertonus Volumenmangel und Dehydration, Muskelkrämpfe).
    • Schmerzhafte Reize können Reaktionen des autonomen oder enterischen Nervensystems auslösen und umgekehrt, wie beispielsweise:
      • Übelkeit als Reaktion auf einen schmerzhaften Reiz
      • Schwitzen und/oder Piloerektion als Reaktion auf einen schmerzhaften Reiz
      • Vasokonstriktion Vasokonstriktion Physiologie des Blutkreislaufs in Bereichen, in denen schmerzhafte Reize auftreten (z. B. CRPS CRPS Komplexes regionales Schmerzsyndrom (CRPS))

Auf- und absteigende Schmerzbahnen

Aufsteigende Schmerzbahn:

• Nozizeptoren:
  • Rezeptoren Rezeptoren Rezeptoren in der Peripherie reagieren auf Hitze, intensive Kälte, mechanische Deformation, pH-Änderungen und chemische Reizstoffe (z. B. ADP, Bradykinin, Serotonin, Histamin)
  • Afferente Informationsübertragung → Neuron 1. Ordnung
• Zellkörper der Neuronen Neuronen Nervensystem: Histologie:
  • Zellkörper der Neuronen Neuronen Nervensystem: Histologie 1.Ordnung befinden sich in den Hinterwurzelganglien der spinalen grauen Substanz (oder Trigeminusganglien).
  • Glutamat, Substanz P und CGRP sind die wichtigsten Neurotransmitter, die von primären Afferenzen freigesetzt werden.
• Neuronen Neuronen Nervensystem: Histologie 2. Ordnung:
  • Übertragung der Informationen von Neuronen Neuronen Nervensystem: Histologie 1. Ordnung auf Neuronen Neuronen Nervensystem: Histologie 2. Ordnung erfolgt durch synaptische Verschaltung im Rückenmark Rückenmark Rückenmark.
  • Neuronen Neuronen Nervensystem: Histologie 2. Ordnung kreuzen die Mittellinie an der Commissura grisea anterior.
  • Im weiteren Verlauf steigen die Neuronen Neuronen Nervensystem: Histologie dann über den kontralateralen Tractus spinothalamicus zum Thalamus Thalamus Thalamus auf und übertragen sowohl Schmerz- als auch Temperaturempfindungen.
• Thalamus Thalamus Thalamus:
  • Vom Thalamus Thalamus Thalamus wird der Reiz über Fasern des Crus posterius der Capsula interna an die somatosensorische Großhirnrinde gesendet
  • Andere Neuronen Neuronen Nervensystem: Histologie projizieren vom Thalamus Thalamus Thalamus aus in Bereiche des Cortex, die mit emotionalen Reaktionen assoziiert sind (z.B. Gyrus cinguli, Inselkortex).

Absteigende Schmerzbahn:

Der Hypothalamus Hypothalamus Hypothalamus sowie kortikale Areale verarbeiten schmerzhafte Reize und Signale zur Freisetzung von hemmenden Mediatoren und Hormonen (z. B. Opioidpeptide, Noradrenalin, Glycin und GABA), welche die Schmerzunterdrückung effektiver machen → Schmerzmodulation

Viszeraler Schmerz

Eigenschaften

• Schlecht lokalisierbar
• Mit unangenehmer Empfindung verbunden
• Assoziiert mit Übelkeit und autonomen Symptomen

Nozizeptiver Prozess

• Nozizeptoren in den Wänden der Viszeralorgane reagieren empfindlich auf Dehnung und Entzündung Entzündung Entzündung → Rezeptor- und Aktionspotentiale werden evoziert:
  • Schmerz verändert seine Intensität, wenn er in peristaltischen Strukturen (z. B. im Darm) erzeugt wird.
  • Schmerz kann bei Kontraktion scharf und bei Entspannung dumpf sein.
• Aktionspotentiale werden von afferenten Fasern über sympathische und parasympathische Nerven des Plexus myentericus geleitet.
• Übertragung Signal an die Nervenkörper in den dorsalen, spinalen (und kranialen) Nervenganglien → Weiterleitung Signal an das Hinterhorn des Rückenmark Rückenmark Rückenmark
• Konvergenz-Projektions-Theorie: viszerale afferente Fasern konvergieren mit somatischen afferenten Fasern auf dieselben Neuronen Neuronen Nervensystem: Histologie im Hinterhorn → Sendung Signal durch das Rückenmark Rückenmark Rückenmark zum Thalamus Thalamus Thalamus und zum somatosensorischen Kortex
• Schmerz wird in der somatischen Struktur wahrgenommen, welche den somatischen Fasern entspricht, die mit den viszeralen Fasern zusammenlaufen (übertragener Schmerz).
  • Beispielsweise:
    • Schmerzen beim Myokardinfarkt Myokardinfarkt Myokardinfarkt werden auf die linke obere Extremität projiziert.
    • Schmerzen aufgrund einer Harnleiterdehnung werden bei Männern auf den entsprechenden Hoden Hoden Hoden projiziert.
  • Vermittelt durch spinale Interneuronen Interneuronen Nervensystem: Histologie kann es auch zu motorische/sudomotorischen Reaktionen in somatischen Strukturen kommen, die mit dem entsprechenden Wirbelsäulensegment verbunden sind.
    • In der osteopathischen Literatur wird diese Manifestation als Fazilitation oder viszerosomatischer Reflex bezeichnet.
    • Beispiel: Muskelspasmus, fasziale Einschränkung der paraspinalen Muskulatur auf spinaler Ebene entsprechend einer viszeralen Dysfunktion

Periphere versus zentrale Sensibilisierung

Periphere Sensibilisierung

• Ergebnisse von anhaltender oder wiederholter peripherer Nozizeption (herkömmliche Entzündung Entzündung Entzündung) oder Nervenverletzung
• Überstimulation oder Schädigung des Neurons 1. Ordnung verändert die elektrischen Eigenschaften und die Freisetzungswahrscheinlichkeit von Neurotransmittern (z. B. SP, CGRP, NGF).
• Verursachende Verletzung und die darauffolgende Entzündung Entzündung Entzündung führen zusammen zu einem verstärkten Schmerzempfinden und halten die Schmerzreaktion aufrecht:
  • Neuropathische Schmerzen können in einem Bereich ohne Nervenverletzung auftreten.
  • Kann sich als Überempfindlichkeit, Hyperalgesie, oder auch Allodynie manifestieren.

Zentrale Sensibilisierung

• Phänomen, von dem angenommen wird, dass es im ZNS auftritt (eventuell auf der Ebene der Rexed-Laminae)
• Allgemein eine Progression von einer peripheren Sensibilisierung, kann aber auch ohne bekannten peripheren Reiz oder einen ZNS-Insult erzeugt werden
  • Segmentale zentrale Sensibilisierung: neuroplastische Veränderungen, die als Reaktion auf eine körperliche Verletzung auftreten und eine ständige Aktivierung der Schmerzbahn verursachen (d. h. Fortschreiten der zentralen Sensibilisierung)
  • Suprasegmentale zentrale Sensibilisierung: neuroplastische Veränderungen ZNS-Bereichen der Schmerzbahn, mit oder ohne bekannte Verletzungen (durch ZNS-Verletzung).
• Tritt häufig im Rahmen von ZNS-Insulten auf (z. B. Schlaganfall, Rückenmarksverletzung Rückenmarksverletzung Rückenmarksverletzungen)
• Häufig in Verbindung mit psychiatrischen Erkrankungen:
  • Angststörungen
  • Stimmungsstörungen (z. B. Depression)
  • Schlafstörungen
  • Somatisierungsstörung Somatisierungsstörung Somatische Belastungsstörung / Somatisierungsstörung
• Kann als primäre Erkrankung auftreten (z. B. Fibromyalgie Fibromyalgie Fibromyalgie-Syndrom)

Die Gate-Control-Theorie des Schmerzes

• In jedem gegebenen Wirbelsäulensegment existiert im Bereich des Hinterhorns (oder Hirnnervenkern) ein physiologisches sensorischer Kontrollpunkt („Gate“).
  • Nur eine gewisse Menge an Sinnesinformationen kann gleichzeitig durch dieses Gate gelangen.
  • Eintretende sensorischen Informationen, die von größeren, stärker myelinisierten, schneller leitenden Nervenfasern Nervenfasern Nervensystem: Histologie übertragen werden, werden bevorzugt weitergeleitet
  • Ein „offenes“ Gate ist ein Hinterhorn, das isoliert schädliche (schmerzhafte) Reize empfängt.
  • Ein „geschlossenes“ Gate ist ein Hinterhorn, das gleichzeitig physikalische (nicht-schädliche) Reize empfängt.
• Eingehende Schmerzsignale werden größtenteils von A-δ- (relativ langsam leitend) und Typ-C- (langsam leitend) Fasern geleitet, während A-α- und A-β-(schnell leitend) Fasern unschädliche physikalische Reize (z. B. Bewegungen, Vibrationen, Druck, Temperatur, elektrische Stimulation) übertragen.
  • Diese Unterscheidung wird sehr wichtig, wenn gleichzeitig schmerzhafte (schädliche) und andere physikalische Reize (nicht schädlich) im rezeptiven Feld eines peripheren Nervs auftreten.
  • Nicht-schädliche physikalische Reize (mittels schnelleren, größere, stärker myelinisierte Fasern geleitet) werden bevorzugt durch das Gate geleitet → Verringerung/Eliminierung des eingehenden Schmerzreizes (schädlicher Reiz)
• Menschen wenden dieses Konzept täglich unwissentlich an, um triviale Schmerzreize zu lindern. Beispielsweise:
  • Kratzen (unschädlicher physikalischer Reiz) einen Mückenstich (schädlicher chemischer Reiz) zur Linderung des Juckreizes (Schmerzen)
  • Reiben (unschädlicher körperlicher Reiz) des Ellenbogens ( Nervus ulnaris Nervus ulnaris Axilla und Plexus brachialis), nachdem dieser gegen einen Türrahmen gestoßen wurde (schädlicher körperlicher Reiz), um die Schmerzen zu lindern
• Klinische „Schmerzteams“ wenden dieses Konzept gezielt zur pharmakologischen und nicht-pharmakologischen Schmerztherapie Schmerztherapie Schmerztherapie an:
  • Massage
  • Physiotherapie
  • Periphere Nervenstimulation
  • Rückenmarkstimulation

Klinische Relevanz

• Chronischer Schmerz: Schmerz, der über die erwartete Heilungsdauer hinausgeht (> 3 Monate), mit einer zugrunde liegenden Pathologie, die das Vorhandensein oder Ausmaß der Schmerzen nicht erklären kann. Chronische Schmerzen können die Schlafqualität, die täglichen Aktivitäten und die psychosoziale Funktionsfähigkeit beeinträchtigen. Chronische Schmerzen treten häufig bei Personen mit onkologischen Erkrankungen auf und erfordern einen sehr individuellen Behandlungsansatz.
• Schmerztherapie Schmerztherapie Schmerztherapie: Heutzutage existieren vielfältige sowohl pharmakologische als auch nicht-pharmakologische Möglichkeiten, Schmerzen zu behandeln. Die spezifische Behandlungsstrategie hängt von der Art des Schmerzes und den Umständen, der Prognose und der zugrunde liegenden Erkrankung der einzelnen Person ab.
• Komplexes regionales Schmerzsyndrom Komplexes regionales Schmerzsyndrom Komplexes regionales Schmerzsyndrom (CRPS) ( CRPS CRPS Komplexes regionales Schmerzsyndrom (CRPS)): Zustand, der durch unerträgliche Schmerzen gekennzeichnet ist, die in keinem Verhältnis zum auslösenden Ereignis stehen und unter anderem von Allodynie, Temperaturanomalien, Hautverfärbungen und Ödemen begleitet werden. Dieses Syndrom betrifft Frauen häufiger als Männer und wird oft durch Traumata ausgelöst. Die Diagnose erfolgt klinisch (unterstützt durch den Budapester Konsens). Das komplexe regionale Schmerzsyndrom ist eng mit gerichtlichen Auseinandersetzungen bezüglich arbeitsbezogener Probleme verbunden und erfordert einen besonderen sorgfältigen Umgang durch das medizinische Personal.