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Spinale Leitungsbahnen und Reflexe

Abstract

Das Rückenmark ist die Schaltstelle zwischen der Körperperipherie und dem Gehirn. Es nimmt Informationen aus der Peripherie mit Sensoren (bspw. Mechanosensoren der Haut) auf, deren Axone über die Hinterwurzeln ins Rückenmark eintreten. Im Rückenmark werden diese Reize über die sensiblen Bahnen des Verbindungsapparates zum Gehirn geleitet. Andererseits entsendet das Gehirn zur Steuerung der Körperperipherie (bspw. der Muskeln) absteigende (motorische) Bahnen.

Neben dem Verbindungsapparat besitzt das Rückenmark auch einen sog. Eigenapparat, der die verschiedenen Rückenmarkssegmente untereinander verbindet. Diese Querverbindungen erlauben es dem Rückenmark ohne die Einwirkung des Gehirns eigenständige Funktionen zu vermitteln, die sog. spinalen Reflexe. Hierbei handelt es sich um stereotype Antworten (bspw. Muskelkontraktion) auf charakteristische Reizungen (bspw. Dehnung) eines Sensors (bspw. einer Muskelspindel). Ein typisches Beispiel spinaler Reflexe sind Muskeleigenreflexe, die im Rahmen der neurologischen Untersuchung geprüft werden.

Neben den bereits erwähnten sensiblen und motorischen Neuronen des Rückenmarks existieren in bestimmten Bereichen des Rückenmarks Ansammlungen von vegetativen Neuronen. Diese dienen u.a. der Steuerung des vegetativen Nervensystems und der Verschaltung sog. visceraler und gemischter Reflexe.

Verbindungsapparat und Eigenapparat

Das Rückenmark hat zwei Hauptfunktionen: Das Verbinden von verschiedenen Nervenzentren miteinander und die eigenständige Verschaltung von spinalen Reflexen (s.u.). Die Bahnen des Rückenmarks verlaufen in der weißen Substanz und verbinden einerseits das Rückenmark mit dem Gehirn (Verbindungsapparat) und andererseits verschiedene Rückenmarkssegmente untereinander (Eigenapparat). Der Verbindungsapparat kann funktionell in sensible (aufsteigende) und motorische (absteigende) Bahnen unterteilt werden.

Verbindungsapparat

Die Namen der auf- und absteigenden Bahnen sind i.d.R. nach ihrem Ursprungs- und Zielort benannt. Die zuerst genannte Struktur stellt i.d.R. den Ursprung der Bahn dar und die zweitgenannte Struktur deren Zielort. So verbindet bspw. der Tractus corticospinalis anterior den (motorischen) Cortex mit dem Rückenmark (Medulla spinalis), der Tractus spinothalamicus lateralis hingegen das Rückenmark (Medulla spinalis) mit dem Thalamus!

Eigenapparat

Sensible Bahnen

Die sensiblen Bahnen des Rückenmarks leiten die afferenten Informationen der Sinneszellen der Peripherie (bspw. der Haut) über das Rückenmark zum Gehirn. Der Verlauf der sensiblen Bahnen ist leicht unterschiedlich, ihr Aufbau jedoch sehr ähnlich. Ihr 1. Neuron liegt im Spinalganglion, ihr 2. Neuron im Hinterhorn oder Hirnstamm, ihr 3. Neuron im Thalamus und ihr Ziel ist der somatosensible Kortex.

Überblick des prinzipiellen Verschaltungsmusters

1. Neuron
2. Neuron
3. Neuron

Überblick der sensiblen Bahnen des Verbindungsapparates

Name des Bahnsystems Zugehörige Bahnen Faserqualitäten Verlauf Somatotopische Gliederung

Vorderseitenstrang (Anterolaterales System)

  • Schmerz
  • Temperatur
  • Grobe Druckempfindung
Hinterstrang (Lemniskales System)
  • Beide Hinterstränge (kaudalste Afferenzen liegen medial)
Kleinhirnseitenstrang

Im Gegensatz zu den anderen sensiblen Bahnen des Rückenmarks enden die Kleinhirnseitenstrangbahnen im Kleinhirn und nicht im sensiblen Kortex. Daher werden diese Informationen nicht bewusst wahrgenommen!

Symptome isolierter Bahnschädigungen

Sensible Bahnen Symptome isolierter Bahnschädigungen

Vorderseitenstrang

(Anterolaterales System)

V.a. Ausfall der kontralateralen Temperatur- und Schmerzwahrnehmung unterhalb der Läsion

Hinterstrang

(Lemniskales System)

Ausfall des ipsilateralen feinen Tast- und Berührungssinns und der Propriozeption unterhalb der Läsion

Kleinhirnseitenstrang

Störungen der feinen Bewegungskoordination

Dissoziierte Empfindungsstörung z.B. bei Arteria-spinalis-anterior-Syndrom
Die Fasern des Vorderseitenstranges treten durch das Hinterhorn ein, kreuzen segmental in der Commissura anterior und verlaufen dann ventrolateral in der weißen Substanz als gebündelter Vorderseitenstrang zum Thalamus. Bei einer isolierten Schädigung der Commissura anterior (bspw. durch eine Blutung der A. spinalis anterior oder eine Raumforderung) sind lediglich die dort segmental kreuzenden Fasern betroffen, nicht jedoch der weiter lateral verlaufende Vorderseitenstrang. Daher kommt es zu einem isolierten Ausfall der Informationen der segmental kreuzenden Schmerz- und Temperaturfasern. Dies äußert sich klinisch in einem Ausfall der Schmerz- und Temperaturempfindungen des vom betroffenen Rückenmarkssegment versorgten Dermatoms. Da der feine Tastsinn (Hinterstränge) in diesem Segment unbeeinträchtigt bleibt, die Schmerz- und Temperaturempfindung jedoch vollständig ausgefallen ist, spricht man von einer sog. dissoziierten Empfindungsstörung.

Gangataxie bei Hinterstrangsyndrom
Sind die Hinterstränge beschädigt (bspw. durch einen Tumor), fehlt dem Menschen einerseits das feine Feedback der Druck-, Berührungs- und Vibrationssensoren der unteren Extremität und andererseits die bewussten Informationen aus den Lagesensoren des Bewegungsapparates wie bspw. den Muskelspindeln. Diese Informationen sind für die Koordination und Feinabstimmung der Gehbewegung jedoch immens wichtig, sodass die Betroffenen i.d.R. nur noch mit geöffneten Augen Gehbewegungen ausführen können. Das Gangbild ist dabei i.d.R. nicht normal, sondern eher unsicher und schwankend (sog. Gangataxie) und verschlechtert sich meist deutlich, wenn der Betroffene die Augen schließt.

Motorische Bahnen

Die motorischen (absteigenden) Bahnen des Rückenmarks lassen sich in Pyramidenbahnen und extrapyramidale Bahnen unterteilen. Die Pyramidenbahn verbindet v.a. den motorischen Cortex mit dem Rückenmark, die extrapyramidalen Bahnen hingegen verschiedene Gebiete des ZNS (bspw. den Hirnstamm) mit dem Rückenmark. Funktionell ist die Pyramidenbahn insb. für die feinere Motorik der distalen Extremitätenmuskulatur verantwortlich, wohingegen die extrapyramidalen Bahnen eher für gröbere Massenbewegungen der stammnahen Muskulatur zuständig sind.

Überblick der motorischen Bahnen

Name des Bahnsystems Zugehörige Bahnen Faserqualitäten

Verlauf

Somatotopische Gliederung

Pyramidenbahn

  • Motorik v.a. der stammfernen Extremitätenmuskulatur

Extrapyramidale Bahnen

  • Motorik v.a. der stammnahen Extremitäten- und Rumpfmuskulatur
  • Keine

Eine Zuordnung der Pyramidenbahn und der extrapyramidalen Bahnen zu willkürlicher und unwillkürlicher Motorik ist nicht möglich. Die extrapyramidalen Bahnen sind auch an Willkürbewegungen beteiligt, was sich bspw. bei Ausfall der Pyramidenbahn in einer Restbeweglichkeit der Extremitäten durch die Innervation der extrapyramidalen Bahnen widerspiegelt.

Läsionen der motorischen Bahn

Mögliche Schädigungsformen und deren Symptome
Schädigungsform

Muskeltonus /

-trophik

Reflexniveau Pathologische Reflexe Beispiele typischer Ursachen

Schädigung des 1. Motoneurons

↑ (spastisch) / normotroph

Pyramidenbahnzeichen

Multiple Sklerose, Tumoren, Schlaganfall/Hirnblutung

Schädigung des 2. Motoneurons

↓ (schlaff) / atroph

↓ / nicht auslösbar Keine

Läsionen des peripheren Nerven, periphere Neuropathien, Bandscheibenprolaps mit Wurzel- oder Nervenkompression

Brown-Séquard-Syndrom
Neben vollständigen Querschnittssyndromen ist theoretisch jede Form der inkompletten Schädigung denkbar. Beim sog. Brown-Séquard-Syndrom handelt es sich um eine besondere Form des inkompletten Querschnitts, bei dem eine komplette Rückenmarkshälfte mit all ihren Bahnen geschädigt ist. Auf der Seite der Schädigung werden folgende Bahnen beschädigt: Pyramidenbahn (ipsilaterale Motorik), Hinterstränge (ipsilateraler feiner Tastsinn) und Vorderseitenstränge (kontralaterale Schmerz-, Temperatur- und grobe Druckreize). Daher fallen die noch nicht gekreuzte, ipsilaterale Hinterstrangbahn und die Pyramidenbahn aus. Dies führt einerseits zu einem Verlust des feinen Tastempfindens und andererseits (nach einem spinalen Schock) zu spastischen Paresen unterhalb der Läsion. Zusätzlich wird der auf Läsionsseite verlaufende Tractus spinothalamicus beschädigt, der jedoch die Schmerz- und Temperaturempfindungen der kontralateralen Körperseite führt. Daher ist ipsilateral das Schmerz- und Temperaturempfinden unterhalb der Läsion erhalten (da sie kontralateral verläuft), jedoch kontralateral (auf der nicht geschädigten Seite) erloschen. Da die kontralateralen Hinterstrangbahnen unbeschädigt bleiben, bleibt auch das feine Tast- und Berührungsempfinden (bei erloschenem Temperatur- und Schmerzempfinden) erhalten, was als dissoziierte Empfindungsstörung bezeichnet wird. Eine Besonderheit ist das Segment, wo die Schädigung vorliegt, da es hier durch direkte Schädigung der Vorder- und Hinterwurzeln zum Ausfall der kompletten Sensibilität sowie zu schlaffen Paresen kommen kann.

Amyotrophe Lateralsklerose
Zeigt ein Patient in der klinischen Untersuchung Symptome, die für eine zentrale Schädigung der Pyramidenbahn sowie für die Schädigung der peripheren Endstrecke der motorischen Bahn sprechen, sollte an die Amyotrophe Lateralsklerose (ALS) gedacht werden. Diese neurodegenerative Erkrankung führt zu einem Untergang des 1. und 2. Motoneurons der Pyramidenbahn, sodass die Betroffenen ein kombiniertes Schädigungsmuster aus u.a. schlaffen und spastischen Paresen zeigen. Hiervon können auch die Motoneurone der Hirnnerven betroffen sein, was sich bspw. in Sprech- und Schluckstörungen äußern kann und als bulbäre Symptomatik bezeichnet wird. Therapeutisch kann der Krankheitsverlauf zwar mit anti-glutamatergen Medikamenten wie Riluzol verzögert werden, jedoch existiert keine kausale Therapie der amyotrophen Lateralsklerose.

Querschnittssyndrome
Ist der gesamte Querschnitt des Rückenmarks von einem schädigenden Prozess (bspw. durch Wirbelsäulenverletzung oder Tumor) betroffen, spricht man von einem Querschnittssyndrom. Findet dieser Prozess oberhalb des Segments L1/L2 statt, ist das eigentliche Rückenmark betroffen, unterhalb dieses Segments die Cauda equina. Ist nur das Rückenmark betroffen, handelt es sich um eine sog. zentrale Läsion, die sich nach einer Zeit des anfänglichen spinalen Schocks in gesteigerten Reflexen und spastischen Paresen unterhalb der Läsion äußert. In Höhe der Läsion kommt es durch direkte Schädigung der Motoneurone der Vorderwurzel (im Gegensatz zur Pyramidenbahn) zu einer segmentalen schlaffen Parese. Ist ausschließlich die Cauda equina betroffen, handelt es sich streng genommen um eine periphere Nervenläsion, die sich in schlaffen Paresen unterhalb des Läsionsortes äußert. Da die sensiblen Bahnen bei allen kompletten Querschnittssyndromen betroffen sind, zeigen die Betroffenen einen vollständigen Sensibilitätsverlust unterhalb der Läsion. Besonders gefürchtet sind Querschnittssyndrome, die im Bereich von C4 oder darüber liegen, da hierbei auch das Zwerchfell gelähmt sein kann, was zu lebensbedrohlicher Ateminsuffizienz führen kann.

Spinale Reflexe

Neben der Verbindung des peripheren Nervensystems mit dem Gehirn hat das Rückenmark noch eine zweite Hauptfunktion: Es verschaltet eigenständig Informationen von peripheren Sensoren und löst in peripheren Effektoren (bspw. Muskeln) stereotype Reizantworten aus (sog. spinale Reflexe).

Grundlagen spinaler Reflexe

Somatische Reflexe

Die somatischen Reflexe des Rückenmarks lassen sich anhand der Anzahl der beteiligten Synapsen in mono- (Eigen‑) und polysynaptische (Fremd‑) Reflexe unterteilen. Bei monosynaptischen (Eigen‑)Reflexen sind lediglich zwei Neurone über eine Synapse miteinander verbunden. Bei polysynaptischen Fremdreflexen sind hingegen mehrere Neurone beteiligt, die über mehrere Synapsen miteinander verbunden sind. Für die klinische Anwendung siehe: Neurologische Untersuchung.

Eigenreflex

Fremdreflex
  • Definition: Monosynaptischer Reflex, bei dem Sensor und Effektor im gleichen Organ liegen
  • Definition: Polysynaptischer Reflex, bei dem Sensor und Effektor in zwei verschiedenen Organen liegen und der auf mehreren Rückenmarkssegmenten verschaltet wird
  • Beispiel: Rückziehreflexes des Beines
  • Ziel: Wegziehen des Fußes nach mechanischer Verletzung (bspw. der Fußsohle), um weiteren Schaden zu verhindern
  • Sensor: Nozisensoren
  • Adäquater Reiz: Mechanische Gewebsverletzung
  • Grober Ablauf
    1. Reizung der Nozisensoren der Haut
    2. Weiterleitung der Erregung zum Rückenmark
    3. Aktivierung von Interneuronen im Rückenmark
    4. Interneurone aktivieren
      • Ipsilaterale α-Motoneurone → Kontraktion der ipsilateralen Kniebeuger (Flexorenreflex)
      • Kontralaterale α-Motoneurone → Kontraktion der kontralateralen Kniestrecker (gekreuzter Extensorenreflex)
    5. Aktivierung/Hemmung weiterer Neurone (bspw. der jeweiligen Antagonisten) durch Verzweigung von Kollateralen zu weiteren Rückenmarkssegmenten
  • Weitere Beispiele: Analreflex, Bauchhautreflex, Kremasterreflex

I.d.R. werden auch monosynaptische Eigenreflexe von multisynaptischen Verschaltungen begleitet, da bspw. zur Auslösung eines Beugerreflexes der entsprechende Antagonist gehemmt werden muss. Dies wird als reziproke bzw. antagonistische Hemmung bezeichnet.

Jendrassik-Handgriff
Im klinischen Alltag gibt es Patienten, deren Muskeleigenreflexe nur sehr schwach oder gar nicht auslösbar scheinen. Diesbezüglich existieren verschiedene klinische Manöver, die die Reflexantwort verbessern sollen. So kann man bspw. bei der Prüfung der Reflexe der unteren Extremität den Patienten bitten, die vor der Brust ineinander verhakten Finger kräftig auseinander zu ziehen, was als sog. Jendrassik-Handgriff bezeichnet wird. Hierdurch ist der Patient einerseits abgelenkt, wodurch die willkürlichen Einflüsse auf die Reflexprüfung (bspw. bewusstes Muskelanspannen) reduziert werden, andererseits kommt es zu einer sog. Bahnung der Reflexe der unteren Extremität, sodass die Schwelle zur Auslösung dieser Reflexe leichter erreicht wird. Zur Bahnung der Reflexe der oberen Extremität kann der Patient analog zum Jendrassik-Handgriff gebeten werden, die Zähne fest aufeinander zu beißen.

Hoffmann-Reflex (H-Reflex)
Der monosynaptische (Eigen‑)Reflex kann nicht nur durch das Beklopfen der Sehnen (sog. T-Reflex), sondern auch durch eine elektrische Stimulation herbeigeführt werden (H-Reflex nach Hoffmann). Hierfür wird ein Nerv elektrisch gereizt und das Potential über dem innervierten Muskel abgeleitet (Elektromyographie). Zur Detektion des Potentials wird entweder eine Elektrode auf die Haut über dem Muskel geklebt oder als Nadelelektrode in den Muskel gestochen. Infolge der Nervenreizung entstehen zwei Ausschläge: Die erste Welle nennt man M-Welle, da sie durch die direkte Muskelantwort auf den Reiz entsteht. Die zweite Welle ist die H-Welle. Sie wird durch die Erregung der im Nerven verlaufenden Ia-Afferenzen ausgelöst. Diese laufen zum Rückenmark, wo sie auf die Aα-Motoneurone umgeschaltet werden, die wiederum den Muskel innervieren und somit zur Muskelantwort in Form der H-Welle führen. Bei niedrigen Reizen depolarisieren vor allem die empfindlichen Ia-Afferenzen (kleine M-Welle, große H-Welle). Bei größeren Reizen werden die Aα-Motoneurone hingegen direkt erregt (große M-Welle), während die Ia-Afferenzen im Rückenmark auf refraktäre Aα-Motoneurone treffen (kleine H-Welle). Die Latenzzeit zwischen auslösendem Ereignis (elektrische Reizung oder Schlag auf Sehne) und der Muskelkontraktion beruht daher vor allem auf der Strecke, die die Erregung zurücklegen muss (Strecke bei M-Welle < als bei H-Welle) und bei dem T-Reflex zusätzlich noch auf der Zeit, die die Muskelspindeln zur Detektion der Sehnendehnung sowie der Auslösung eines Aktionspotentials benötigen. Daher ergeben sich die Latenzzeiten wie folgt: M-Welle (direkte Reizung der Motoneuronen) < H-Welle (direkte Reizung der afferenten Muskelspindeln) < T-Reflex-Reaktion (Aktivierung der Muskelspindeln durch Schlag auf Sehne).

Viscerale Reflexe

Viscerale Reflexe steuern die Reaktion der Organe auf einen gewissen Zustand. So vermitteln sie bspw. die Entleerung der Blase und die Abwehrspannung bei akutem Abdomen.

  • Beispiel: Blasenentleerungsreflex (viscero-visceraler Reflex)
    • Ziel: Kontraktion und damit Entleerung der Blase
    • Sensor: Dehnungsrezeptoren in der Blasenwand
    • Adäquater Reiz: Dehnung durch die zunehmende Blasenfüllung mit Urin
    • Ablauf
      1. Aktivierung der Sensoren durch Dehnung
      2. Erregung des zugehörigen afferenten Neurons
      3. Reflektorische Erregung der zugehörigen Efferenz → Kontraktion des M. detrusor vesicae und Erschlaffung des M. sphincter vesicae
    • Beendigung des Reflexes
      1. Entdehnung der Dehnungsrezeptoren
      2. Aktivierung von sensorischen Afferenzen
      3. Erregung von Efferenzen → Erschlaffung des M. detrusor vesicae, Kontraktion des M. sphincter vesicae → Füllung der Blase
  • Weitere Beispiele: Peristaltik des Darmes

Gemischte Reflexe

Bei gemischten Reflexen kommt es zu einem Zusammenspiel von somatischen und visceralen Nerven.

  • Beispiel: Viscero-cutaner Reflex (Head'sche Zonen)
    • Ziel: Hinweis auf Erkrankungen von Organen durch fortgeleiteten Schmerz
    • Sensor: Nozizeptoren an den Organen
    • Adäquater Reiz: Reizung der Nozizeptoren im betroffenen Organ
    • Ablauf
      1. Aktivierung durch Nozizeptoren
      2. Erregung vegetativer, viscerosensibler Afferenzen in den Spinalnerven
      3. Weiterleitung zum Cortex, Zuordnung des Organs zu einem Hautgebiet
      4. Erregung efferenter Neurone des gleichen Spinalnerven → Übererregbarkeit des entsprechenden Dermatoms
    • Beendigung des Reflexes: Beseitigung der Ursache
  • Weitere Beispiele: Viscero-muskulärer Reflex (Abwehrspannung bei akutem Abdomen), cuti-visceraler Reflex (Entspannung gereizter Eingeweide durch Wärmeapplikation auf der Haut, z.B. Wärmflasche)

Wiederholungsfragen zum Kapitel Spinale Leitungsbahnen und Reflexe

Sensible Bahnen

Welche Qualitäten werden über den Vorderseitenstrang vermittelt und welche Bahnen gehören zu ihm? Beschreibe außerdem seinen Verlauf!

Welche Qualitäten werden über den Hinterstrang vermittelt und welche Bahnen gehören zu ihm? Beschreibe außerdem seinen Verlauf!

Motorische Bahnen

Welche Teile des Rückenmarks sind beim Brown-Séquard-Syndroms geschädigt und welche Symptome treten auf?

Spinale Reflexe

Was ist der Unterschied zwischen Eigen- und Fremdreflex? Nenne jeweils zwei Beispiele!

Was ist der sog. Hoffmann-Reflex und welche Potentiale kann man mit ihm ableiten?

Eine Sammlung von allgemeineren und offeneren Fragen zu den verschiedenen prüfungsrelevanten Themen findest du im Kapitel Beispielfragen aus dem mündlichen Physikum.