Inauguraldissertation zur Erlangung des Grades eines Doktors der Medizin des Fachbereichs Medizin der Justus-Liebig-Universität GießenVVB LAUFERSWEILER VERLAG STAUFENBERGRING 15 D-35396 GIESSEN Tel: 0641-5599888 Fax: -5599890 redaktion@doktorverlag.de www.doktorverlag.de VVB LAUFERSWEILER VERLAG édition scientifique 9 7 8 3 8 3 5 9 6 3 6 5 8 ISBN: 978-3-8359-6365-8 G o t h je L a u t e n s c h lä g e r E in f lu s s d e s B a r o r e f le x e s a u f d ie e n d o g e n e S c h m e r z h e m m u n g Gothje Lautenschläger Einfluss des Baroreflexes auf die endogene Schmerzhemmung Photo cover: © VVB VVB VVB LAUFERSWEILER VERLAG édition scientifique - eine Mikroneurographie Studie Einfluss des Baroreflexes auf die endogene Schmerzhemmung - eine Mikroneurographie Studie INAUGURALDISSERTATION zur Erlangung des Grades eines Doktors der Medizin des Fachbereichs Medizin der Justus-Liebig-Universität Gießen vorgelegt von Gothje Lautenschläger, geb. Klappstein aus Wilhelmshaven Gießen 2015 Aus dem Zentrum für Neurologie, Fachbereich Medizin, Justus-Liebig-Universität Gießen Direktor der Abteilung: Prof. Dr. Manfred Kaps Gutachter: Prof. Dr. Krämer-Best Gutachter: Prof. Dr. Skrandies Datum der Disputation: 18.01.2017 Inhaltsverzeichnis I. Einleitung 1 I. Nozizeptives System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 a. Periphere Nozizeptoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 b. Weiterleitung der nozizeptiven Reize ins Rückenmark . . . . . 3 c. Spinale nozizeptive Projektionsbahnen . . . . . . . . . . . . . 4 d. Kortikale Schmerzverarbeitung . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 e. Endogene Schmerzhemmung durch deszendierende schmerz- modulierende Systeme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 II. Autonomes Nervensystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 a. Sympathisches Nervensystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 III. Interaktion zwischen sympathischen Nervensystem und Schmerz . . . 10 IV. SIA-Stress-induzierte Analgesie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 a. Endogenes Opioidsystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 b. Monoaminerges System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 c. Stress-induzierte Analgesie - eine Top-down Kontrolle . . . . . 15 V. Andere Formen der endogenen Schmerzhemmung . . . . . . . . . . . 17 a. Plazebo-Effekt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 b. Habituation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 c. Condition modulated pain - CMP . . . . . . . . . . . . . . . . 18 VI. Mikroneurographie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 a. Muskuläre sympathische Nervenaktivität (MSNA) . . . . . . . 21 VII. Ziel und Fragestellung der Studie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 II. Methoden 24 I. Probanden-Kollektiv . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 II. Multi-Unit Mikroneurographie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 III. Bestimmung der thermischen Schmerzschwellen . . . . . . . . . . . . 26 IV. Stress-Stimulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 V. Versuchsprotokoll . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 VI. Statistische Methoden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 III.Ergebnisse 30 I. Ergebnisse der Mikroneurographie-Messungen . . . . . . . . . . . . . 30 a. Burstfrequenz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 b. Burstinzidenz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 II. Schmerzratings - VAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 a. Kälteschmerz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 b. Hitzeschmerz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 III. Emotionale Schmerzbewertung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 IV. Korrelationen zwischen MSNA-Parameter und Schmerz . . . . . . . . 44 V. Stress-Ratings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 VI. Herzfrequenz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 IV.Diskussion 48 I. MSNA während Hitze- und Kälteschmerz . . . . . . . . . . . . . . . . 48 II. MSNA und Stress . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 III. MSNA und Stress-induzierte Analgesie . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 IV. Fazit und Ausblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 V. Zusammenfassung - Summary 53 I. Zusammenfassung: Einfluss des Baroreflexes auf die endogene Schmerz- hemmung - eine Mikroneurographie Studie . . . . . . . . . . . . . . . 53 II. Summary: The impact of baroreflex function on endogenous pain con- trol - a microneurography study . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 Abkürzungsverzeichnis 57 Abbildungsverzeichnis 59 Tabellenverzeichnis 62 Literaturverzeichnis 63 Publikationsverzeichnis 77 I. Einleitung Schmerz ist eine lebenserhaltende Warnfunktion des Körpers, um vor Verletzungen oder Schädigung des Körpers zu schützen [BF09]. Die Wahrnehmung von Schmerz ist eine subjektive Sinnesempfindung, welche kognitiven und emotionalen Einflüssen unterliegt und dadurch zu einem sehr variablen Phänomen wird. Die Internationale Gesellschaft zur Erforschung des Schmerzes (IASP) definiert Schmerz folgenderma- ßen: ” Schmerz ist ein unangenehmes Sinnes- oder Gefühlsereignis, das mit tatsächli- cher oder potenzieller Gewebsschädigung einhergeht, oder von betroffenen Personen so beschrieben wird, als wäre eine solche Gewebsschädigung die Ursache“[MB94]. Die Empfindung ” Schmerz“ ist also als ein multifaktorielles Geschehen, welches von affektiv-emotionalen und sensorischen, aber auch von kulturellen und genetischen Aspekten geprägt wird [TM07]. Es ist wichtig, zwischen Nozizeption, welche auf der Detektion und Verarbeitung von nozizeptiven Reizen über das nozizeptive Sys- tem beruht, und der tatsächlichen Wahrnehmung und Bewertung des Schmerzes zu unterscheiden. Der empfundene Schmerz korreliert nicht linear zur nozizeptiven Er- regung sondern kann auf vielen Ebenen sowohl pronozizeptiv als auch antinozizeptiv moduliert werden. So kann beispielsweise die ängstliche Erwartung eines schmerz- haften Reizes, diesen Reiz in seiner Schmerzintensität verstärken, hingegen kann positiver Affekt die empfundene Intensität eines Schmerzreizes reduzieren [RM00]. Auch der bloße Anblick oder die Vorstellung davon wie jemandem Schmerz zugefügt wird, kann bereits das Phänomen Schmerz auslösen, wie aus der Definition der IASP hervorgeht. Eine wichtige Komponente, welche mit der Schmerzwahrnehmung unterschiedlich interagiert, ist das sympathische Nervensystem. Das sympathische Nervensystem ist Teil unseres autonomen Nervensystems und wird unter anderem durch Stress aktiviert [FSP+08]. Bei einem gesunden Menschen bewirkt eine kurzfristige Aktivie- rung des sympathischen Nervensystems eine Schmerzreduktion [SLT+84], während eine anhaltende Überaktivierung des sympathischen Nervensystems mit einer Chro- nifizierung von Schmerzsyndromen assoziiert sein kann [PB04]. In unserer Studie wurde die Interaktion zwischen Schmerz und dem sympathischen Nervensystem am Phänomen der sympathischen Analgesie untersucht, welches eine kurzfristige Schmerzminderung durch ein akutes Stressereigniss beschreibt [SLT+84]. Zur Beurteilung der sympathischen Nervenaktivität wählten wir die Methode der 1 Einleitung Mikroneurographie, um sympathische Nervenaktivität direkt aufzuzeichnen. I. Nozizeptives System a. Periphere Nozizeptoren Die primär nozizeptiven Afferenzen lassen sich in Abhängigkeit von der Erregungs- leitgeschwindigkeit in unterschiedliche Gruppen unterteilen und können verschie- dene Arten von Schmerzen detektieren. Die nozizeptiven Nervenfasern der Haut unterteilen sich in zwei Gruppen: 1. marklose C-Fasern (Nervenleitgeschwindigkeit (NLG) 0,4-1,8 m/s); 2. dünn-myeliniserte A-delta-Fasern (NLG 2-33 m/s) [JB01]. Aufgrund der unterschiedlichen Erregungsleitgeschwindigkeit kann zwischen zwei Schmerzkomponenten unterschieden werden. Die erste Schmerzkomponente, welche einen stechenden Charakter hat, wird über A-delta-Fasern geleitet. Die zweite, etwas später auftretende Komponente welche einen brennenden Charakter hat, wird über C-Fasern vermittelt [JB01]. Die meisten Nozizeptoren sind polymodal und können durch unterschiedliche somatosensorische Stimuli wie thermisch, mechanisch oder chemisch aktiviert werden. Es gibt jedoch auch Nozizeptoren, welche auf nur eine Art von Stimulus reagieren [SSF+95]. C-Fasernozizeptoren Die überwiegende Zahl unmyelinisierter C-Fasern sind polymodale Nozizeptoren und reagieren überwiegend sowohl auf thermische (H itze) als auch auf mechanische Rei- ze (M echanisch), weshalb sie auch als CMH (C-Mechano-Hitze) Nozizeptoren be- zeichnet werden [Mag11]. Chemische Reize können auch zu einer Aktivierung der Rezeptoren führen. Die durch Aktivierung von CMH Nozizeptoren hervorgerrufe- ne Schmerzen haben eine relativ lange Latenzzeit und einen primär brennenden Charakter. Insbesondere bei Hitzeschmerz scheinen CMH Nozizeptoren eine ent- scheidende Rolle zu spielen, denn trotz selektiver Blockade von A-Fasern bleibt die Wahnehmung von Hitzeschmerz nahezu unverändert bestehen [TH73]. A-delta-Fasern Bei den A-delta-Fasern können zwei unterschiedliche Arten von Fasern unterschie- den werden, zum einen finden sich A-delta-Mechanonozizeptoren (Typ I AMH) und zum anderen polymodale A-delta-Nozizeptoren (Typ II AMH) [Mag11]. Während die Mechanonozizeptoren primär auf mechanische Reize wie beispielsweise Nadel- stiche reagieren, werden die polymodalen Nozizeptoren vor allem durch thermische 2 Einleitung und chemische Reize erregt [SGZ01]. Anders als die CMH Nozizeptoren, welche bei wiederholter Applikation thermischer Reize eine Erschöpfung der Reizantwort zeigen (Habituation) [Mag11], sensibilisieren die Typ I AMH Fasern bei lang anhaltenden Reizen und reagieren ohne Ermüdung auf den einwirkenden Reiz [MC81]. Mechanoinsensitive “stumme“ Nozizeptoren Diese Gruppe stellt sich sowohl aus nozizeptiven Afferenzen aus der Gruppe der C- Fasern als auch der A-delta Fasern zusammen. Sie sind dadurch gekennzeichnet, dass sie im gesunden Gewebe sehr hohe Erregungsschwellen für mechanische Reize besit- zen, jedoch bei Gewebeverletzungen eine stark gesteigerte Sensitivität entwickeln. Aus diesem Grund werden sie auch als ” silent“ oder als ” schlafende“ Nozizepto- ren (CMiHi - C-mechanoinsensitiv und Hitzeinsensitiv) bezeichnet und spielen eine Rolle bei der Entstehung von Entzündungsschmerz [MRCR06, Mag11]. b. Weiterleitung der nozizeptiven Reize ins Rückenmark Transduktionsmechanismen an peripheren Nozizeptoren An peripheren Nozizeptoren findet die Umwandlung eines nozizeptiven Reizes in eine Membranpotenzialänderung statt. Dieses wird auf nozizeptive Zellen im Hinterhorn des Rückenmarks übertragen. Für diesen Vorgang sind zahlreiche Rezeptormoleküle und Ionenkanäle charakterisiert worden [JB01]. Ein wichtiger Rezeptor für noxische Hitze ist der Vanilloidrezeptor 1, welcher in die Gruppe der transienten Rezeptor- potenzialkanäle gehört (TRPV1) und überwiegend von unmyelinisierten Afferenzen (C-Fasern) exprimiert wird [CJ01]. Der Rezeptor kann sowohl durch Capsaicin, sowie durch Hitze (> 43◦C) und durch Säure (pH < 6, 9) aktiviert werden [JB01]. TRPV 2 Rezeptoren können wiederum durch starke Hitzereize, jedoch nicht durch Capsaicin aktiviert werden [WJ07]. Bei der Nozizeption von Kälte sind ebenfalls Rezeptoren aus der TRP-Familie sowie ein Kaliumkanal (TREK1) und amiloridsensitive Natri- umkanäle involviert [CGMss]. Für die Transduktion von mechanischen Reizen sind unterschiedliche Rezeptorgruppen relevant wie transiente rezeptorpotential Kanäle (TRPV) und ” acid sensing Ion Channel (ASIC)“ [LM04]. Weitere wichtige Rezep- toren, welche an afferenten Nervenendigungen exprimiert werden und die Nozizepti- on modulieren, sind unter anderem ATP-gesteuerte Kanäle, Cannabinoidrezeptoren, Bradykininrezeptoren, Histaminrezeptoren, Prostanoidrezeptoren, 5-HT-Rezeptoren sowie unterschiedliche Ionenkanäle [JB01]. 3 Einleitung Erregungsleitung ins Rückenmark Durch die Aktivierung eines Rezeptors an der Nervenendigung kommt es durch den Einstrom von Ionen zu einer Membranpotentialveränderung und dadurch zum Auslösen eines Aktionspotentials. Für die Fortleitung des Aktionspotential spielen spannungsabhängige Natriumkanäle eine wichtige Rolle, diese können in unterschied- liche Subgruppen unterteilt werden. Es sind 10 Alpha-Untereinheiten und 4 Beta Un- tereinheiten bekannt [CGMss]. Die Alpha-Untereinheiten beeinhalten unter anderem den spannungsabhängigen Sensor und die Kanalpore, die Beta-Untereinheiten neh- men Einfluss auf biophysische Merkmale wie die Verteilungsdichte an der Zellmem- bran. Durch verschiedene Untereinheiten haben die Natriumkanäle unterschiedliche pharmakologische und biophysische Merkmale [CGMss]. Die Rezeptoren kommen sowohl in myelinisierten als auch in unmyeliniserten Axonen vor [CGMss]. Spinale Projektion von primär afferenten Nozizeptoren Primäre Afferenzen von Nozizeptoren treten über die Hinterwurzel der Spinalnerven ins Rückenmark ein und werden im Hinterhorn des Rückenmarks auf ihre Zielneu- rone verschaltet. Nozizeptive sowie thermorezeptive Afferenzen von A-delta Fasern und C-Fasern verlaufen vor allem in der Lamina I und II des Hinterhorns [Tod10]. Das zweite nozizeptive Neuron, welches ipsilateral im Hinterhorn des Rückenmarks lokalisiert ist, kreuzt mit seinem Axon zur kontralateralen Seite. Dort zieht es im kontralateralen Voderseitenstrang (anterolaterales System) unter anderem zum Tha- lamus, sowie Bereiche des Mittelhirns und Hirnstammes [TRdS05, Mag11]. Eine weitere Population von Neuronen, die ihren Input von primären Afferenzen erhalten, sind Interneurone. Diese sind wichtig für motorische und vegetative Re- flexbögen, spielen aber auch eine Rolle bei der Modulation der intraspinalen Reiz- weiterleitung [Mag11]. Sie haben häufig eine inhibitorische Wirkung [Tod10]. An ex- zitatorischen Synapsen innerhalb des Rückenmarks ist Glutamat der primäre Trans- mitter [CKVM93]. c. Spinale nozizeptive Projektionsbahnen Nach Verschaltung im Hinterhorn des Rückenmarks ziehen die Axone der spinalen Projektionsneurone über den kontralateralen spinothalamischen/trigeminothalamischen Trakt (TSTT) zum Thalamus. Von hier ziehen sie über den spinoretikulären Trakt und den spinomesenzephalen Trakt zu Schaltzentren im Mittelhirn, in der Medulla und im Hirnstamm [TM07]. Folgende Gehirnregionen sind bei der Weiterleitung spinaler Projektionsneurone in- volviert, aus Todd 2010 [Tod10]: 4 Einleitung • die kaudale ventrolaterale Medulla oblongata • der Nucleus tractus solitarius • die laterale parabrachiale Region • das periaquaeductale Grau • verschiedene Nuclei im Thalamus Die Projektion spinaler Nozizeptoren in Regionen des Hirnstammes ist vor allem wichtig für die Integration nozizeptiver Information mit autonomen Prozessen sowie die weitere Projektion zu supraspinalen Strukturen [TM07]. d. Kortikale Schmerzverarbeitung Bei der Integration und Schmerzverarbeitung sind multiple Areale involviert, unter anderem der insuläre Kortex, Anteile des anterioren cingulären Kortex, die somato- sensorischen Cortices sowie der Thalamus [WPT08, YDD+10, VST10]. Diese Struk- turen stehen unter anderem in Zusammenhang mit der sensorisch-diskrimativen Komponente nozizeptiver Reize und wurden in der Vergangenheit als sogenannte ” Pain matrix“ bezeichnet [IM10]. Jedoch handelt es sich bei diesen Arealen nicht nur um schmerzspezifische Areale sondern vielmehr um ein generell reizwahrneh- mendes System, auch als ” salience detection“ bezeichnet, das auch bei anderen sen- sorischen Reizen aktiviert wird [V. 11]. Die Inselregion hat außerdem eine wichtige Funktion bei der affektiv-emotionalen Schmerzverarbeitung, insbesondere bei der Schmerzmodulation durch Angst und Bedrohung [WT13]. Weitere Areale, welche in Bezug auf die affektiv-emotionalen Verarbeitung von Schmerzen eine wesentliche Rolle spielen, sind unter anderem Hippokampus, Amygdala, der anteriore cinguläre Kortex, mediale Anteile des Thalamus, insuläre Anteile sowie präfrontale Korte- xareale [VB09, VST10]. Insbesondere die Amygdala, der anteriore insuläre Kortex und der präfrontale Kortex sind involviert in Schmerzverstärkung durch Antizipa- tion. Es wird ihnen eine entscheidende Rolle im sogenannten ” Schmerzgedächtnis“ zugewiesen [TM07]. 5 Einleitung e. Endogene Schmerzhemmung durch deszendierende schmerzmodulierende Systeme Abbildung I.1. Deszendierende Schmerzhemmung, Grafik von Tracey et al. [TM07] Der empfundene Schmerz korreliert nicht mit dem nozizeptiven Input in der Peripherie sondern wird durch z.B. Erwartung, Af- fekt, etc. moduliert. Um ein besseres Verständnis für die Modulation von Schmerzen zu entwickeln, wurde in den letzten Jah- ren eine Vernetzung kor- tikaler und subkortika- ler Strukturen untersucht, welche eine schmerzmo- dulierende Funktion ein- nehmen [TM07]. Für das Periaqueductale Grau (PAG) und dem Nucleus cuneiformes (NCS) konn- te in Tierexperimenten so- wohl eine pro- als auch ei- ne antinozizeptive Funkti- on nachgewiesen werden [Geb04]. Auch in bildgebenden Studien an Menschen konnte eine Aktivität dieser Areale bei Schmerzmodulation nachgewiesen werden [HDBT06]. Weitere Areale, welche sowohl pro- als auch antinozizeptiv fungieren können, sind die rostroventrale Medulla oblongata (RVM) und der parabrachia- le Nucleus (PBN) [TM07]. Die Areale im Hirnstamm sind als ein Netzwerk zu verstehen, welches ankommende nozizeptive Reize über deszendierende Bahnen im Rückenmark sowohl pro- als auch antinozizeptiv modulieren kann. Mit übergeordne- ten kortikalen Strukturen stehen sie im Sinne einer ” Top-down-Regulation“ [TM07] in Verbindung. So konnte zwischen PAG und NCS eine Konnektivität über den Tha- lamus zum präfrontalen Kortex nachgewiesen werden [HDBT06], welcher wiederum eine wichtige Instanz der affektiv-emotionalen Schmerzwahrnehmung darstellt. 6 Einleitung II. Autonomes Nervensystem Das autonome Nervensystem, oder auch als unwillkürliches Nervensystem bezeich- net, wird nicht bewusst wahrgenommen und kann nicht willkürlich beeinflusst wer- den. Wesentliche Funktion des autonomen Nervensystems ist die Steuerung und Funktion der inneren Organe und der Aufrechterhaltung der körperlichen Homöost- ase [Jor01]. Das autonome Nervensystem besteht aus zwei miteinander in Wechsel- wirkung stehenden Komponenten, zum einen das sympathische, und zum anderen das parasympathische Nervensystem. Beide Komponenten haben antagonistische Wirkungen auf ihre Erfolgsorgane [Jor01]. Das sympathische Nervensystem ist für eine schnelle Rekrutierung und Mobilisierung von Energie zuständig, so kommt es unter anderem zu einer Adrenalinausschüttung, Induktion der Glykolyse, zu einer Steigerung der Herzfrequenz und Kontraktilität des Herzmuskels sowie einer bronchodilatativen Wirkung. Insgesamt lässt sich die Funktion des sympathischen Nervensystems auch als Stress-Reaktion zusammenfas- sen [Gab01]. Das parasympathische Nervensystem hingegen ist für die Regeneration wichtig und bewirkt unter anderem die Glykogenbildung in der Leber, regt durch Verdauungsenzyme den Magen-Darm-Trakt an, wirkt bronchokonstriktorisch und negativ chronotrop am Herzen [Gab01]. In der aktuellen Arbeit wird nur auf das sympathische Nervensystem Bezug genom- men. a. Sympathisches Nervensystem Die erstmalige Verschaltung der sympathischen Neurone findet in zentralnervösen Zentren im Bereich des Hirnstammes statt. Danach erfolgt eine zweite Verschaltung in den peripher gelegenen vegetativen Ganglien, von wo aus die Innervation der Effektororganen ihren Ursprung nimmt [Gab01]. Die sympathischen Nervensfasern werden unmittelbar nach Austritt aus dem Rückenmark in den paravertebral liegen- den Ganglien des Truncus sympathicus oder auch des sympathischen Grenzstranges umgeschaltet. Danach ziehen die Fasern der zweiten Neurone mit den jeweiligen pe- ripheren Nerven zu den Effektororganen. Darüber hinaus bilden die sympathischen Fasern nach Verschaltung den Plexus caroticus, Plexus cardiacus, Plexus oesopha- geus, Plexus pulmonalis und Plexus coeliacus, von wo aus die Efferorgane innerviert werden [Gab01]. Das Nebennierenmark kann als Äquivalent eines sympathischen Ganglions aufgefasst werden. Hier enden präganglionäre sympathische Fasern, wel- che jedoch nicht umgeschaltet werden, sondern über Innervation der endokrinen Zellen des Nebennierenmarks die Adrenalin/und Noradrenlin Ausschüttung beein- flussen [Har55]. Die Beckenorgane werden durch sympathische Grenzstrangganglien 7 Einleitung aus den sakralen Wirbelsäulenbereichen und von Neuronen aus den Lumbalmark bis L2 versorgt [Gab01]. Zentrale sympathische Zentren Im Wesentlichen wird das vegetative Nervensystem über Zentren im Hirnstamm gesteuert, aber auch kortikale Strukturen wie die insulären Cortices, der anterio- re cinguläre Kortex, der orbitofrontale Kortex, die Amygdala sowie der Thalamus und cerebelläre Areale sind involviert [KAB+13]. Die Formatio reticularis ist ein vegetatives Integrationssystem bestehend aus mehreren Kernen, welches sich über den gesamten Hirnstamm vom Ende des Rückenmarks bis zum Übergang ins Zwi- schenhirn erstreckt. In diesem System werden die Funktionen der jeweiligen Hirn- stammkerne koordiniert, weiterhin hat sie einen wesentlichen Stellenwert in Schlaf- und Wachrhythmen [CMB+86]. Die Aufrechterhaltung eines stabilen Blutdruckes ist eine weitere wesentliche Aufgabe des autonomen Nervensystems. Hierbei kommt dem Baroreflex eine Schlüsselfunktion zu [Jor01]. Arterielle Barorezeptoren sind un- ter anderem im Aortenbogen und im Glomus caroticus lokalisiert und registrieren kontinuierlich den Blutdruck und leiten die Information an kortikale Strukturen weiter. Strukturell spielen die Medulla oblongata und der Nucleus tractus solitari- us eine entscheidende Rolle [Jor01]. Aus Tierstudien konnte der autonome Schalt- kreis des Baroreflexes im Bereich des Hirnstammes weitestgehend aufgeklärt werden [DHT+03]. Der Nucleus tractus solitarius erhält neuronale Affenzen von den arte- riellen Barorezeptoren und stellt die erste Schaltstation des Baroreflexes dar. Vom Nucleus tractus solitarius wiederum erhält die kaudale ventrolaterale Medulla oblon- gate exzitatorische Einflüsse, welche zu einem inhibitorischen Effekt auf die rostrale ventrolaterale Medulla oblongata führen und damit eine Hemmung sympathischer Efferenzen zur Folge hat [DHT+03, MH10, KAB+13]. In fMRT Studien an Menschen konnte eine Aktivierung dieser Areale ebenfalls nachgewiesen werden [MH10] und wird detailliert in dem Kapitel ” zentrale Repräsentation der MSNA“ beschrieben. Messmethoden des sympathischen Nervensystems Es gibt viele Methoden die Aktivität des sympathischen Nervensystems zu messen. Die meisten Methoden spiegeln sympathische Nervenaktivität nur indirekt wieder, sind daher sensibel für externe Einflüsse und dadurch zur sicheren Quantifizierung sympathischer Aktivität nur eingeschränkt nutzbar. Eine Möglichkeit zur indirekten Quantifizierung sympathischer Aktivität ist die Ableitung von Parametern der je- weiligen Effektororgane. So können beispielsweise die Herzrate, Blutdruck oder die Vasokonstriktion der Haut herangezogen werden [FSP+08]. Als weiterer Paramter, 8 Einleitung sowohl der kardialen sympathischen als auch der parasympathischen Aktivität, wur- de die Herzratenvariabilität (HRV) herangezogen, in welcher die Frequenzspektren der Herzfrequenz analysiert werden [YSS+93]. Jedoch stellt auch diese Methode kei- ne direkte Messung sympathischer Aktivität dar sondern zeigt die Organ-Reaktion auf sympathische Aktivität auf [KTK+94]. Eine weitere Möglichkeit ist die Bestim- mung des Noradrenalin Spiegels im Blut [DM80], wobei die Konzentration von No- radrenalin nicht nur von der Ausschüttung, sondern auch vom Abbau des Trans- mitters abhängt. Desweiteren besteht eine kontinuierliche Basiskonzentration von Noradrenalin im Blut [Esl82]. Als genauere Messung wurde die ” Übertritt-Rate“ (Spill-over) von Noradrenalin ins Plasma bestimmt, jedoch kann bei der generellen Spill-over Bestimmung keine Aussage zum Ort der Ausschüttung gemacht werden [Esl82]. Durch radioaktive Tracer war es möglich, organspezifische Spill-over Raten zu errechnen [Esl95]. Es bleibt aber immer noch der Nachteil, dass der Noradrena- lin Spill-over vom neuronalen Reuptake oder der präsynaptischen Modulation der Transmitter Ausschüttung abhängt [Esl95]. Die Messung von Cortisol im Blut und im Speichel kann ebenfalls herangezogen werden, [KH94, FCD+00] unterliegt jedoch auch weiteren endokrinen Einflüssen. Eine Methode den sympathischen outflow si- cher zu quantifizieren, ist die intraneuronale Ableitung der sympathischen Aktivität mittels der Methode der Mikroneurographie, welche in dieser Studie angewandt wur- de. 9 Einleitung III. Interaktion zwischen sympathischen Nervensystem und Schmerz Es besteht eine komplexe Interaktion zwischen dem autonomen Nervensystem und der Schmerzwahrnehmung. Zum einen führt Schmerz zu einer Reaktion des autono- men Nervensystems. Schmerz aktiviert Neurone im Hinterhorn des Rückenmarks, welche monosynaptisch zu segmentalen präganglionären sympathischen Neuronen projizieren und damit die Grundlage für somatosympathische und viszerosympathi- sche Reflexe darstellen [Ben06]. Autonome Reaktionen auf nozizeptive Reize werden auch über das periaquaeductale Grau (PAG), den Nucleus parabrachialis (PBN), den Nucleus tractus solitarius (NTS) sowie den Nucleus Raphe in der ventrolatera- len Formatio reticularis vermittelt [Ben06]. So können zur Prädiktion von Schmerzen autonome Parameter wie Pupillen-Durchmesser und Hautleitfähigkeit herangezogen werden [GGOB14]. Als Bindeglied zwischen Schmerz und den autonomen Paramtern wurden der Hypothalamus und der Locus coeruleus (LC) diskutiert, die über spino- thalamische und spinoretikuläre Bahnen nozizeptive Afferenzen erhalten [GGOB14]. Der PBN hat eine wichtige Funktion für Salivation, Steuerung von gastrointestinaler als auch kardiovaskulärer Aktivität [Ben06]. Die ventrolaterale Formatio reticularis inklusive des Nucleus Raphe ist zusammen mit dem Nucleus tractus solitarius eine wesentliche Schaltstation für Herzkreislauffunktion [Ben06]. Diese Strukturen sind wiederum verbunden mit der Inselrinde, dem anterioren cingulären Kortex und der Amygdala. Sie spielen bei der Steuerung von autonomen Funktionen [Ben06], aber auch bei der affektiv/emotional beeinflussten Schmerzverarbeitung eine wesentliche Rolle [TM07]. Das sympathische Nervensystem kann wiederum auch Einfluss auf die Schmerzver- arbeitung nehmen. Bei gesunden Menschen führt eine kurze Aktivierung des sym- pathischen Nervensystems zu einer subjektiven Schmerzminderung, auch bekannt als Phänomen der ” Stress-induzierten-Analgesie“ (SIA) [BF09]. Andererseits ist eine anhaltende Überaktivität des sympathischen Nervensystems mit Schmerzchronifizie- rung assoziiert [PB04, SB08, Ben06]. Beispielsweise wird bei dem Krankheitsbild der Fibromyalgie, einem chronischen Schmerzsyndrom mit bisher ungeklärter Äthiopa- thogenese [Mod04], eine Dysregulation der Hypothalamus-Hypophyse-Nebennieren (HPA)-Achse beschrieben [Mod04]. Es kommt zu einer verminderten Produktion von CRH und Kortisol, welches eine höhere Schmerzempfindlichkeit zur Folge haben kann und bei diesem Krankheitsbild eine Rolle zu spielen scheint [TSS+05, Mod04]. In der aktuellen Arbeit wird die Interaktion zwischen Schmerz und sympathischem Nervensystem in Hinblick auf die Stress-induzierte Analgesie untersucht. 10 Einleitung IV. SIA-Stress-induzierte Analgesie Der Begriff der ” Stress-induzierten Analgesie“(SIA) beschreibt eine durch Stress hervorgerrufene Schmerzhemmung [BF09]. Dieses Phänomen kann soweit führen, dass in extremen Stresssituation, wie beispielsweise einem Autounfall oder Kriegs- verletzungen, die nur gering empfundene Schmerzintensität in deutlichem Wider- spruch zum Ausmaß der Verletzung steht [Bin10]. Unter evolutionären Gesichts- punkten betrachtet, hat dies eine biologische, lebenserhaltende Funktion. Dadurch war es Säugetieren möglich, in einer Stresssitation, wie zum Beispiel einer Bedrohung durch ein Raubtier, Verletzungen zum Trotz, Fluchtmechanismen aufrecht erhalten zu können. In den siebziger Jahren konnte SIA in Tierversuchen reproduziert werden, in welchen Mäuse einer Stresssituation durch wiederholt auftretende Stromschläge der Pfoten ausgesetzt wurden. Im Anschluss konnte mittels eines tail-flick-test eine temporäre Analgesie sowie eine erhöhte Konzentration von Opioiden nachgewiesen werden (footshock-induced-analgesia) [MAPB77, TSL+84]. Bei dem Tail-flick test wird der Schwanz eines Versuchstieres auf einer Platte erwärmt und die Zeit bis zum Wegziehen des Schwanzes als Maß für die Schmerzschwelle gemessen [DS41]. SIA konnte in zurückliegenden Studien zuverlässig bei gesunden Probanden repro- duziert werden [FSK+09]. Als Schmerzreiz wurden meistens thermische, elektri- sche oder mechanische Stimuli wie tonischer Druck verwendet [FSK+09, YDD+10]. Um das sympathische Nervensystem zu aktivieren, können verschiedene Stimula- tionsmöglichkeiten herangezogen werden. Mentaler Stress kann durch das Zeigen von Bildern aus dem International Affective Picture System (IAPS), color-word- interference Test, Kopfrechnen, lautes Singen oder Vortrag halten ausgelöst werden [FSP+08]. Diese Methoden zur sympathischen Aktivierung wurden erfolgreich in an- deren Studien angewandt [FSK+09, ELH+06, HY97]. Einen wichtigen Aspekt bei der Induktion von Stress-induzierter Analgesie durch mentalen Stress zeigte eine Studie von Fechir und Mitarbeitern [FSK+09], bei welchen die Schmerzreduktion abhängig vom Grad der sympathischen Aktivierung im Sinne des empfundenen Stress war. Als Parameter der sympathischen Aktivierung wurde die Herzfrequenz herangezo- gen. Nur bei den als schwer eingestuften Kopfrechnen Aufgaben kam es zu einem signifikanten Anstieg der Herzfrequenz verbunden mit einer stärkeren Schmerzreduk- tion als bei den einfachen Kopfrechnen Aufgaben [FSK+09]. Somit ist anzunehmen, dass das Phänomen SIA durch mentalen Stress nur effektiv funktioniert, wenn die- ser als stressvoll und schwierig empfunden wird. Ob die Methode der sympathischen Aktivierung auch unterschiedliche Wirkung auf die Schmerzwahrnehmung hat, wur- de ebenfalls von Fechir und Kollegen [FSK+09] untersucht. An Probanden wurde SIA einmal während thermoregulatorischen Stress mittels Thermoanzügen und mit 11 Einleitung den Stress-Konditionen color-word-interference Test und Kopfrechnen durchgeführt. Beide Methoden führten zu einem Anstieg der sympathischen Parameter, wobei der color-word-interference Test und Kopfrechnen zu einem Anstieg des Blutdruckes, Herzfrequenz, periphere Vasokonstriktion und Schwitzen führten, die Thermoregu- lation hingegen führte bei Kälte zu einem Anstieg des Blutdruckes und bei Hitze zu einer Steigerung der Herzfrequenz und zu vermehrtem Schwitzen. Allerdings führ- ten nur die Stress-Konditionen Kopfrechnen und der color-word-interference Test zu einer signifikanten Schmerzabnahme [FSK+09]. Der analgetische Effekt bei der SIA wird durch ein endogenes Opioidsystem sowie über adrenerge und serotonerge deszendierende Bahnen vermittelt, [Mil02, SB08, BF09] welche im Folgendem detailliert beschrieben werden. a. Endogenes Opioidsystem Die ersten Hinweise für ein endogenes analgetisches System konnten in Tierversu- chen gefunden werden. Durch die Stimulation bestimmter Regionen im Hirnstamm (SPA - stimulation produced Analgesia) von Ratten konnte eine ausgeprägte Anal- gesie erzielt werden [MWA+71]. Dieser Effekt zeigt sich insbesondere bei Stimulation des periaequeductalen Grau und des Nucleus raphe magnus [BF79]. Parallel dazu wurden Hirnregionen identifiziert, welche bei der Opioid induzierten Analgesie be- teiligt sind. Diese beinhalten ebenfalls das periaqueductale Grau sowie Strukturen in der rostroventralen Medulla oblongata, welche viele Opioid- und Enkephalin Re- zeptoren aufweisen [BF78]. Zusätzlich konnte durch die Injektion von Naloxon der analgetische Effekt der SPA aufgehoben werden [Ada76]. So ist man bereits 1970 zu der Erkenntnis gekommen, dass der Effekt der SPA durch das körpereigene Opioid- system vermittelt wird [WM82]. Im Bereich des periaequeduktalen Grau (PAG), der rostroventralen Medulla oblon- gata (RVM) und im Hinterhorn des Rückenmarks sind viele μ-Opioid sowie in etwas geringerer Zahl κ - δ- Rezeptoren vorhanden [BF84]. Das periaqueductale Grau und die rostroventrale Medulla oblongate sind vielschichtig vernetzt [OLK+04]. So führt eine Erregung der Neurone im PAG auch zu einer Aktivierung der Neurone in der Medulla oblongata. Die Opioid produzierenden Neurone des PAG und der RVM projizieren ins Hinterhorn des Rückenmarks und können dort nozizeptive Neurone inhibieren [WHM77, OLK+04]. Innerhalb der RVM können unterschiedliche Popu- lationen von Neuronen identifiziert werden; zum einen liegen ON und zum anderen OFF Zellen vor. Während eine Erregung der OFF Zellen zu einer Schmerzinhibition führt, haben die ON Zellen einen pronozizeptiven Effekt [OLK+04, Geb04]. Auch in suprakortikalen Strukturen wie dem anterioren cingulären Cortex, Insel, Thala- 12 Einleitung mus und Hypothalamus konnten Opioid Rezeptoren nachgewiesen werden. Alle drei Opioid Rezeptoren finden sich auch an primären Afferenzen der C-Fasern und der A-delta-Fasern sowie an deren Projektionsneuronen im Hinterhorn des Rückenmarks [BF09, OLK+04]. Die Rolle des endogenen Opioid-Systems bei der SIA sowie die Interaktion mit dem autonomen Nervensystem wurde 2012 von Fechir und Mitarbeitern [FBK+12] näher untersucht. Als mentaler Stressor wurde der color-word interference Test an- gewandt, den Probanden wurde ein Schmerzreiz durch elektrische Stimulation zu- geführt. Durch den color-word-interference Test kam es zu einem Anstieg der sympa- thischen Parameter (Blutdruck, Herzrate und Baroreflexsensitivität) sowie zu einer Schmerzreduktion. Naloxon verhinderte eine Schmerzhemmung und schwächte die Parameter der sympathischen Aktivierung ab. Dadurch ist anzunehmen, dass das endogene Opioid System auch mit der Regulation des sympathischen Nervensystems interagiert [FBK+12]. b. Monoaminerges System noradrenerges System Eine weitere Komponente der SIA ist die Schmerzmodulation durch absteigende ad- renerge Bahnen [BF09, Mil02]. Durch die Gabe von Alpha-2-Agonisten (Clonidin) wurde in Tierversuchen eine Potenzierung des antinozizeptiven Effekts der SIA ge- zeigt [BMS83, BF09]. Für das adrenerge System haben catecholaminerge Zellen (A7 Zellen), die im dorsolateralen pontinen Tegmentum lokalisiert sind, eine wichtige Funktion [NP00]. Sie erhalten ihre Afferenzen unter anderem aus der rostroven- tralen Medulla und dem periaqueductalen Grau. Die A7 katecholaminergen Zel- len wiederum stehen in Verbindung mit den Laminae I-IV des dorsalen Rücken- marks. Die Laminae I-IV sind Endstelle vieler nozizeptiver Afferenzen [CP91]. Die adrenergen Zellkörper werden durch GABAerge Affenzen tonisch inhibitiert. Eine Disinhibition dieser GABAergen Neurone führt zu einer Aktivierung der adrenergen Zellkörper, welche sich in zwei Subtypen unterscheiden und unterschiedliche Wir- kung auf Schmerzwahrnehmung haben. Die eine Population vermittelt über Alpha- 2-Rezeptoren eine deszendierende Schmerzhemmung während die andere Population über Alpha-1-Rezeptoren zu einer Schmerzverstärkung führen kann [NP00]. serotonerges System Die serotonergen Zellen sind hauptsächlich im dorsalen Nucleus Raphe angesiedelt. Die Efferenzen dieser Zellkerne führen über deszendierende Bahnen bis in das Hin- terhorn des Rückenmarks, hier insbesondere in Laminae IV-VI [Mil02]. Die Rolle der serotonergen Bahnen ist komplex und eng mit dem Opioidsystem verknüpft. Es 13 Einleitung können unterschiedliche Gruppen mit unterschiedlicher Wirkung auf das serotoner- ge System differenziert werden. Die primäre Zellgruppe enthält 5-HT-Rezeptoren und κ-Opioidrezeptoren und wird tonisch durch GABAerge Afferenzen inhibiert [QPN94, PWO90]. Opioide können diese Zellen durch eine Disinhibition der GA- BAergen Afferenzen aktivieren und somit auch die absteigenden, im Hinterhorn an- tinozizeptiv wirkenden serotonergen Bahnen, aktivieren. Die sekundären Zellen sind GABAerge Neurone, welche die primären Zellen inhibieren [PWW93]. Eine Inhibiton dieser Zellen über μ- und δ-Opioid Agonisten führt ebenfalls zu einer Aktivierung von primären Zellen und den deszendierenden Bahnen. [PWW93, Mil02] Die seroto- nergen Bahnen können jedoch auch faszilatorische Einflüsse auf Nozizeption haben [Mil02]. 14 Einleitung c. Stress-induzierte Analgesie - eine Top-down Kontrolle Abbildung I.2. Prinzip der Stress-induzierten Analgesie mit beteiligten Strukturen, Grafik von Schlereth et al. [SB08] Vor allem durch Fortschritte in der bildgebenden Diagnostik, insbeson- dere der funktionellen Magnetreso- nanztomographie (fMRT) und der Positronen-Emissions-Tomographie konnten die kortikal und subkortikal involvierten Strukturen beim Men- schen untersucht werden und so neue Aufschlüsse zu den Mechanismen der endogenen Schmerzhemmung, in die- sem Fall der SIA, gewonnen werden [VPMR+13]. Die subkortikal gelegenen Regionen, welche in Zusammenhang mit der SIA identifiziert werden konnte, sind der Nucleus tractus solitarius, parab- rachial Nucleus, das periaquaeducta- le Grau und die rostroventromedia- le Medulla oblongata [TM07, BF09]. Diese schmerzhemmenden Areale auf Ebene des Hirnstamms können über deszendierende Bahnen nozizepti- ve Verarbeitung im Hinterhorn des Rückenmarks reduzieren [BF09]. Die kortikalen, mit den schmerzhemmenden Struk- turen im Hirnstamm in Verbindung stehenden Areale, sind bislang noch nicht vollständig untersucht. In einer aktuellen bildgebenden Studie zur Stress-induzierten Analgesie von Vachon- Presseau [VPMR+13] wurde nachgewiesen, dass erhöhter Stress die Konnektivität zwischen dem anterioren midcingulären Kortex und dem periaqueductalen Grau so- wie der rostroventralen Medulla reduziert. Es zeigte sich eine negative Korrelation zwischen der Konzentration des Kortisols und dem empfundenen Schmerz auf ther- mische Reize [VPMR+13]. Dementsprechend scheinen hemmende Einflüsse auf die deszendierenden schmerzhemmenden Bahnen des PAG bei Stress nachzulassen. Die Stress-induzierte Analgesie ist als ein Phänomen der ” Top-down-Kontrolle“ an- zusehen. Die antinozizeptiven Pfade beginnen auf kortikaler Ebene und erreichen über Verschaltung subkortikaler Strukturen im Hirnstamm, hier insbesondere des periaqueductalen Graus und der rostroventralen Medulla oblongata, deszendierende 15 Einleitung Bahnen, welche bis zur Hinterhornzellen des Spinalmarks führen. Auf dieser Ebene können die ankommenden nozizeptiven Reize bereits auf Ebene des Rückenmarks moduliert werden und damit der nozizeptive Input reduziert werden [Bin10]. 16 Einleitung V. Andere Formen der endogenen Schmerzhemmung Es sind verschiedene Formen der endogenen Schmerzhemmung beschrieben. Der Placebo-Effekt wird klinisch-therapeutisch schon lange benutzt. Auch weitere Phäno- mene, die der endogenen Schmerzhemmung zuzuordnen sind, wie z.B. Habituation, Ablenkung oder die konditionierte Modulation von Schmerzreizen (CMP = conditi- on modulated pain) wurden im Rahmen von Studien näher untersucht. Ein besseres Verständnis der pathophysiologischen Grundlagen kann hier auch therapeutische Relevanz nach sich ziehen. a. Plazebo-Effekt Unter einem Plazebo-Effekt versteht man einen physiologisch oder psychologisch positiven Effekt durch Einnahme eines ” Scheinmedikaments“, also eines Medika- ments ohne Wirkstoff [BLS+06]. In Kontext mit Schmerz bedeutet dies, dass nur die Erwartung einer schmerzlindernden Wirkung einen analgetischen Effekt erzeugen kann [TM07]. Der Mechanismus des Plazebo Effektes ist multifaktoriell, jedoch sind das endogene Opioidsystem und die dezendierende Schmerzmodulation auch hier wichtige Instanzen [BT08]. Durch aktuelle Positronen-Emissions-Tomographie Stu- dien, die μ-Opioide als Tracer nutzen, wurde gezeigt, dass es während der Plazebo- Hypoalgesie zu einer Ausschüttung von Opioiden in schmerz-assoziierten Gehirna- realen wie dem dorsolateralen, präfrontalen Kortex, dem rostralen anterioren cin- gulären Kortex und dem periaqueductalen Grau kommt [BT08]. Darüber hinaus kam es zu einer verminderten Aktivität im Thalamus, den insulären Cortices und dem dorsalen Anteil des cingulären Kortex [WRS+04]. Auch andere Studien bestätigten eine erhöhte Aktivität im präfrontalen Kortex und dem dorsalen Anteil des anterio- ren cingulären Kortex [LJB+04, ZBJ+05]. Eine Konnektivität zwischen dem ante- rioren cingulären Kortex, dem periaqueductalen Grau und der Amygdala [BLS+06] scheinen bei der Plazebo-Hypoalgesie eine wichtige Rolle zu spielen. Das der Plaze- boeffekt durch Gabe von Naloxon antagonisiert werden kann, wurde bereits in den 80er Jahren festgestellt [GAG83]. Mittels fMRT konnten Eippert und Mitarbeiter [EBS+09] zeigen, dass es nach Gabe von Naloxon zu einer Reduktion der Aktivität im dorsolateralen präfrontalen Kortex, dem rostralen anterioren cingulären Kortex, dem Hypothalamus, dem periaqueductalen Grau sowie der rostroventralen Medulla oblongata kommt. Die Konnektivität zwischen dem anterioren cingulären Kortex und dem periaqueductalen Grau war ebenfalls abgeschwächt [EBS+09]. Somit ist anzunehmen, dass die Plazebo-Hypoalgesie über eine Aktivierung des präfrontalen Kortex und dem anterioren cingulären Kortex, folgender subkortikaler Verschal- tung mit dem periaqueductalen Grau und der rostroventralen Medulla oblongata, und dann über dezendierende antinozizeptive Bahnen vermittelt wird. Diese ver- 17 Einleitung laufen von der rostralen Medulla oblongata, speziell dem Nucleus Raphe Magnus (NRM), über Bahnsysteme im lateralen Seitenstrang des Rückenmarks zu Nozizep- toren im Hinterhorn des Rückenmarks. Es kommt zu einer Inhibition von Interneu- ronen und spinothalamisch und spinoretikulär projizierenden nozizeptiven Neuronen [BF78, BF84]. b. Habituation Eine mögliche Form der Schmerzmodulation bei Menschen und bei Tieren ist die Habituation. Diese bezeichnet die verminderte schmerzhafte Wahrnehmung eines identischen nozizeptiven Stimulus in Folge einer repetetiven Wiederholung des Rei- zes [Str78]. Dieses Phänomen trifft auch für andere sensorische Reize, wie zum Bei- spiel auditorische oder visuelle Reize zu. Somit ist die Habituation als ein zentra- ler Prozess anzusehen. Das auch hier das endogene Opioidsystem eine Rolle spielt, konnte bereits 1978 gezeigt werden, indem die Habituation nozizeptiver Reize durch Naloxon in Tierexperimenten verhindert werden konnte [JLG78]. Eine aktuelle bild- gebende Studie von Bingel und Kollegen [BSH+07] untersuchte das Phänomen der Habituation. Bei gesunden und freiwilligen Probanden wurde an acht aufeinander folgenden Tagen sowie am 22. Tag Hitzeschmerz appliziert, wodurch es zu einer signifikanten Schmerzreduktion kam. Die Reduktion in den Schmerzratings konn- te mittels fMRT in einer abnehmenden Aktivierung in den schmerzverarbeitenden Strukturen wie des Thalamus, des insulären Kortex, des somatosensorischen Kor- tex und im Putamen wiedergespiegelt werden. Eine Zunahme cerebraler Aktivität hingegen konnte im rostralen Anteil des anterioren cingulären Kortex nachgewiesen werden [BSH+07]. Somit scheint auch bei der Habituation der anteriore cinguläre Kortex eine entscheidende Rolle zu spielen. c. Condition modulated pain - CMP ” Schmerz unterdrückt Schmerz“ ist ein lang bekanntes Prinzip, was bisher unter dem Begriff DNIC (diffus-noxious-inhibitory-control) untersucht wurde. Im Tierversuch werden durch einen spino-bulbären-spinalen Regelkreis, schmerzverarbeitende Neu- rone im Hinterhorn des Rückenmarks und im N. trigeminus durch einen zweiten, an einer anderen Körperstelle applizierten und ” konkurrienden“ Schmerzreiz gehemmt [LBDB79]. Bei Menschen wurde dieses Phänomen ebenfalls untersucht und der Be- griff des ” condition modulated pain = CMP“ eingeführt [YANB+10]. Hierbei wird in der Regel ein tonischer Schmerzreiz (Test-stimulus) kombiniert mit einem zusätz- lichen, kurz andauernden Schmerzreiz (konditionierter Schmerzreiz), wodurch die Schmerzintenistät des Test-stimulus abnimmt. Der Effekt des ” condition modulated pain“ ist nicht ausschließlich durch Ablenkung, welche ebenfalls zu einer Schmerz- 18 Einleitung hemmung führt, zu erklären. Ein additiver analgetischer Effekt von CMP und Ab- lenkung konnte gezeigt werden [MPS+10]. Vielmehr scheint ein kortikales Netzwerk dieses Phänomen zu vermitteln. So konnte mittels EEG-basierter, standartisierter ” low-resolution brain electromagnetic tomography“(sLORETA), eine erhöhte cere- brale Aktivität im orbitofrontalen Kortex und in der Amygdala, eine reduzierte Aktivität hingegen in schmerzverarbeitenden Regionen wie dem somatosensorischen Kortices, der Inselrinde, dem anterioren cingulären Kortex und dem Motorkortex festgestellt werden [MCL+11]. In einer fMRT Studie wurde eine erhöhte cerebra- le Aktivität in Subregionen des anterioren cingulären Kortex, sowie eine höhere Aktivität einer Konnektivität zwischen dem anterioren cingulären Kortex und sub- kortikal gelegenen Schaltstationen der endogenen Schmerzhemmung gezeigt. Dieser Effekt war zum Teil durch Naloxon antagonisierbar. Somit sind auch bei diesem Phänomen sowohl das endogene Opioidsystem mit subkortikalen Schlüsselstruktu- ren, als auch kortikale Areale beteiligt [BB11]. 19 Einleitung VI. Mikroneurographie Abbildung I.3. Simultane Aufnahme von SSNA und MSNA jeweils im N. peroneus mit Aufzeichnung des Blutdrucks und der Herzrate. Während die MSNA eine inverse Beziehung zum Blutdruck aufweist, ist die SSNA unabhängig. Gra- fik von Vallbo et al. [VHW04] Die Methode der Mi- kroneurographie wurde in den siebziger Jahren in Schweden entwickelt. Sie stellt eine Methode dar, intraneuronal sympathi- sche Nervenaktivität auf- zuzeichnen. Folgende Pa- rameter können unter- schieden werden: muskuläre sympathische Nervenakti- vität (MSNA - muscle sympathetic nerve acti- vity) und sympathische Nervenaktivität der Haut (SSNA - skin sympathetic nerve acitivity). Während beim MSNA das Erfolgsorgan die Widerstandsgefäße im Muskelbett (MSNA) sind, sind hingegen beim SSNA die Erfolgsorgane die Blutgefäße, Schweißdrüsen und die piloerektorische Muskulatur der Haut (SSNA). Abbildung I.4. Mikroneurographie Aufnahme der MSNA aus dem N. peroneus Je nach Technik können sowohl Po- tentiale einzelner (single-unit) als auch die Potentiale mehrerer (multi- unit) sympathischer Neurone erfasst werden [VHW04, Man98]. Das Ab- leiten der MSNA erfolgt über eine multi-unit Mikroneurographie. Die Punktion des Nervs wird mit einer Wolfram Nadel durchgeführt, welche in die sympathisch efferenten Faszikel des Nervs platziert wird. Nach Verstärkung des Signals kann die Aktivität der efferenten sympathischen Fasern als sogenannte bursts sichtbar gemacht werden (siehe Abbildung I.3). Die Amplitude der bursts variiert in Abhängigkeit der Anzahl der entladenden Neurone. Die Burstfrequenz (b/min.) ist jeweils individuenspezifisch und im jeweiligen Individuum reproduzier- bar, jedoch existieren interindividuell durchaus beachtliche Unterschiede der Burst- frequenz [SW77]. 20 Einleitung a. Muskuläre sympathische Nervenaktivität (MSNA) Die MSNA spiegelt die sympathisch innervierte Efferenz zu den Widerstandsgefäßen des Muskelbettes wieder und reguliert damit den peripheren Gefäßwiderstand. Es wurde bereits früh festgestellt, dass die Entladungen der MSNA pulssynchron sind und durch Schwankungen im Blutdruck verändert werden können [VHW04]. Bei Erhöhung des Blutdrucks kommt es zu einer Reduktion der Entladungen, während hingegen ein Abfall des Blutdrucks zu einer Erhöhung der Entladungsrate führen kann [SW78, MIT06]. Dies ist dadurch zu erklären, dass spontane Blutdruckschwan- kungen im Wesentlichen durch den Baroreflex reguliert werden. Barorezeptoren im Karotissinus und Aortenbogen messen kontinuierlich Änderungen im Blutdruck und leiten diese zum Hirnstamm weiter. Diese Schwankungen werden durch den Baro- reflex abgefangen, zum einen durch die hauptsächlich parasympathisch beeinflusste Änderung der Herzfrequenz und zum anderen durch sympathisch innervierte Va- sokonstriktion der peripheren Blutgefäße [KAB+13]. Das MSNA stellt den sym- pathisch efferenten Kontrollarm des Baroreflexes dar. Durch Vasokonstriktion der Widerstandsgefäße wird der periphere Gefäßwiderstand erhöht und dadurch eine Erhöhung des zentralen Blutvolumens zur Aufrechterhaltung des Blutdruckes er- reicht [VHTW79]. Die SSNA hingegen ist unabhängig vom kardialen Kreislauf und kann durch taktile Stimuli der Haut oder andere sensorische Stimuli, wie laute au- ditorische Reize, ausgelöst werden [MIT06]. Zentrale Repräsentation der MSNA 2010 gelang es Macefield Henderson in einer real-time-fMRT Studie mit zeitgleicher Ableitung der MSNA, die Strukturen des Baroreflexes darzustellen [MH10]. Es zeig- te sich, dass eine Steigerung der MSNA zu einer Aktivierung in der dorsolateralen Region der Medulla oblongata führt. Diese scheint beim Menschen das Äquivalent zu der im Tierversuch gut beschriebenen rostral ventrolateralen Medulla oblongata zu sein. Weiterhin kommt es zu einer Deaktivierung im Nucleus tractus solitarius und in der kaudal ventrolateralen Medulla oblongata [MH10]. Dem kortikalen auto- nomen Netzwerk, welches mit den eben genannten Hirnstammstrukturen interagiert und diese beeinflusst, können folgende Strukturen zugerechnet werden: bifrontaler, dorsolateraler präfrontaler Kortex, posteriore cinguläre Kortex bilateral, mittlere Inselregion, Precuneus, der Hypothalamus [JMH13] und der linke orbitofrontalen Kortex [KAB+13]. Stimulation der MSNA Mentaler Stress kann MSNA verändern. Durch mentalen Stress kommt es trotz Erhöhung des Blutdrucks, welches normalerweise eine Hemmung der MSNA zur 21 Einleitung Folge hätte, zu einer Erhöhung der MSNA [AWM87]. Hier scheint der ” Stress“ der wesentliche Faktor zu sein. Callister et al. [CSS92] zeigten in einer Mikroneuro- graphie Studie, dass kognitive Aufgaben wie der color-word-interference Test und Kopfrechnen nur dann zu einer Erhöhung der MSNA führen, wenn der Schwie- rigkeitsgrad der Aufgaben als stressvoll empfunden wurden [CSS92]. Unterschiede zwischen den Stimuli fanden sich nicht [CSS92]. Auch sensorische Stimuli können die MSNA beeinflussen, eine kurzzeitige Abnahme der MSNA zeigte sich bei sen- sorischen Stimuli durch elektrischen Stimulus der Haut und durch visuelle Reize mittels Blitze [DKK+02]. Jedoch waren hier starke interindividuelle Unterschiede zu verzeichnen [DKK+02]. Für Applikation von akutem Schmerz, wie z.B. mechanischer Druck [SRB+96], konnte ebenfalls ein Anstieg der MSNA erfasst werden. Sowohl bei oberflächlichen als auch bei tiefen Muskelschmerzen, ausgelöst durch Applikation von hypertoner Lösung in den M. tibialis anterior, kam es zu einem Anstieg der Burstfrequenz der MSNA [BBB+09]. Die Reaktion der MSNA auf thermische Reize ist bislang noch nicht ausreichend untersucht. Lokale Applikation von Wärme scheint MSNA zu hem- men [TNK+11]. Durch den stark schmerzhaften Cold-Pressor-Test kommt es zu einer Aktivierung des sympathischen Nervensystems mit einem Anstieg des Blutdruckes und einem Anstieg der MSNA [VLS+87]. Es existieren jedoch keine Studien die un- tersuchen, wie die Kombination aus mentalen Stress und thermischen Schmerzreizen die MSNA beeinflussen. Die unterschiedliche Wirkung von thermischen Reizen auf die MSNA war eine Fragestellung, welche in unserer Studie näher untersucht wurde. Eine andere Möglichkeit die MSNA zu erhöhen ist durch Baroreflexstimulation mit- tels LBNP (lower-body-negative-pressure). LBNP führt durch den Unterdruck an den unteren Extremitäten zu einem erniedrigten intrathorakalen Druck und über Kompensationsmechanismus zu einer Erhöhung der MSNA [Man98, KAB+13]. Ne- ben dem Baroreflex können auch die Blutgase die MSNA beeinflussen. Chemore- zeptoren am Glomus Caroticum und am Glomus Aorticum erfassen den Sauerstoff- partialdruck als auch den Kohlendioxidpartialdruck im Blut. Beide Komponenten beeinflussen die MSNA, indem sowohl eine Hypoxie als auch eine Hyperkapnie einen Anstieg der MSNA zur Folge hat [MCPS95, CSK+04]. 22 Einleitung VII. Ziel und Fragestellung der Studie Ziel dieser Dissertationsarbeit zugrunde liegender Studie war es, eine quantita- tiv objektive Aussage über die Veränderung der sympathischen Aktivität während Schmerz und Stressstimulation zu treffen. Als objektiver Paramter wurde die MSNA erfasst. Unsere Fragestellung lautete: 1. Führen thermische Schmerzreize zu einer Veränderung der MSNA? 2. Führt Stress zu einer zusätzlichen Aktivierung der MSNA? 3. Ist es möglich, die Stress-induzierte Analgesie mittels MSNA zu objektivieren? 4. Ist eine Korrelation zwischen Reduktion des Schmerzreizes und Aktivierung des sympathischen Nervensystems möglich? 5. Haben Hitze- und Kälteschmerz unterschiedlichen Einfluss auf die MSNA? 6. Inwiefern haben die unterschiedlichen Stress-Aufgaben Einfluss auf a) den induzierten Schmerz? b) die MSNA? 23 II. Methoden I. Probanden-Kollektiv 23 gesunde Männer nahmen freiwillig an der Studie teil. Von 18 Männern konnte eine suffziente Ableitung der MSNA während des gesamten Versuchsablaufs aufgezeich- net werden. Bei 2 Probanden kam es zu einer temporären Taubheit im Bein weshalb die Untersuchung unverzüglich abgebrochen wurde und sich die Sensibilitätsstörung daraufhin zurück bildete. Bei 3 Probanden konnte durch Dislokation der Elektrode keine kontinuierlich Aufzeichnung der MSNA erzielt werden, so dass die Datensätze von der Analyse ausgeschlossen werden mussten. Das Durchschnittsalter der 18 Probanden betrug 28 Jahre (IQR 27-31 Jahre). Rekru- tiert wurden die Probanden durch Aushang und mündlicher Empfehlung der Studie. Alle Teilnehmer waren Studenten der Justus Liebig Universität oder Assistenzärzte der neurologischen Klinik. Bei keinem der Probanden lag eine Krankheit oder eine Medikamenteneinnahme mit Einfluss auf das sympathische Nervensystem vor. Auch orale Antikoagulanzien wurden nicht eingenommen. Bei keinem der Probanden gab es Hinweise für eine Schädigung des N. peroneus. Vor Beginn der Messung wur- de eine schriftliche Einverständniserklärung eingeholt. Die Studie wurde durch die Ethikkomission der medizinischen Fakultät der Justus-Liebig-Universität genehmigt (220/12). II. Multi-Unit Mikroneurographie Während der Messung lagen die Probanden in entspannter Position auf einer Liege mit Lagerung des zu untersuchenden Beines auf einem Vakuumkissen. Die Ablei- tung der MSNA erfolgte entweder im rechten N. peroneus (n= 8) oder im linken N. peroneus (n= 10) auf Höhe des Caput fibulae. Das Set-Up ist vergleichbar mit dem vom Hornyak et. al [HCE+91]. Aufgezeichnet wurde die MSNA mit sterilisier- ten Wolfram Mikroelektroden (Schaft-Durchmesser 0,2 mm; Spitze Durchmesser 5 μm). Zuerst wurde mittels transkutaner elektrischer Stimulation der Verlauf des Nervs nachvollzogen. Der Einstich durch die Haut erfolgte an der Stelle, an welcher bei der transkutanen Stimulation die deutlichste Muskelkontraktion der peronealen Muskelgruppe auftrat. 24 Methoden Zuerst wurde eine Referenzelektrode ca. 2-3 cm von der Ableitstelle entfernt subku- tan eingestochen. Danach wurde die Ableitelektrode (Impedanz 20-100 kOhm) an der vorher markierten Stelle durch die Haut punktiert und mit elektrischer Stimula- tion der N. peroneus aufgesucht. Umso näher die Nadel an den Nerv herangeschoben wurde, um so geringer wurde der nötige Strom (mA) zur Auslösung einer motori- schen Antwort. Nach erfolgreicher Platzierung der Nadel in den Nervenfaszikel war die sympathische Nervenaktivität als ” bursts“ sichtbar. Durch bewegungsabhängige Stimulation der Dehnungsrezeptoren ist eine Aktivierung der afferent verlaufenden Neurone möglich und kann zur Kontrolle der korrekten Lage herangezogen werden. Durch den Apnoe-Test wurde eine Zunahme der MSNA als Beweis der korrekten Lage der Nadel registriert. Bei einem Teil der Probanden konnte zunächst die sympa- thische Innervation der Haut dargestellt werden, welche unabhängig vom Blutdruck ist, und durch taktile Reize oder laute auditorische Reize stimuliert werden kann. In diesem Fall wurde die Nadel nachjustiert bis MSNA verlässlich aufgezeichnet werden konnte. Abbildung II.1. Schematischer Aufbau des verwendeten Mikroneurographie Versuchsaufbaus Das intraneurale Signal wurde durch einen Vorverstärker und einem Hauptverstärker auf das 5000fache amplifiziert. Die Hoch- und Tiefpassfilter wurden mit einer Band- breite zwischen 0,7 - 2 kHz gefiltert und mit einer Zeit-Konstante von 100 ms integriert. Mit einem Computerprogramm, welches von der Abteilung für Neuro- physiologie der Sahlgrenska Universität in Göteburg (Schweden) entwickelt wurde 25 Methoden Abbildung II.2. Messelektrode, Referenzelektrode und Vor- verstärker am Bein eines Probanden erfolgte die Analyse der Signale. MSNA- Bursts wurden durch das System auto- matisch erkannt, jedoch wurden alle Si- gnale zusätzlich visuell durch den Unter- sucher kontrolliert und bestätigt. Einen schematischen Aufbau des in dieser Ar- beit verwendeten Mikroneurographie- Aufbaus zeigt Abbildung II.1. Abbil- dung II.2 zeigt die Lage der Mess- elektrode, der Referenzelektrode sowie des Vorverstärkers während des Ver- suchs. Es wurden sowohl die Burstfrequenz (Bursts pro Minute) und Burstinzidenz (Bursts pro 100 Herzschläge) untersucht. Während die Burstfrequenz die Übertragung der sympathischen Aktivität auf die Effektororgane wiederspiegelt, reflektiert die Burs- tinzidenz die zentrale Kontrolle der sympathischen Aktivität [SW77]. Bei erfolgreicher Aufzeichnung der MSNA erfolgte immer zuerst eine Aufnahme der Baseline. Um die Stimulus erzielten Veränderungen der MSNA besser darzustellen, wurde die MSNA zur Baseline normiert [ACMN+10]. III. Bestimmung der thermischen Schmerzschwellen Abbildung II.3. Fotographie des thermal sensory Analyzers II Die Schmerzschwellen für Hitze und Kälte wurden für jeden Probanden indi- viduell mit dem thermal sensory Analyzer II (TSA 2001-II, Medoc Inc., Is- rael) vor Beginn der Mi- kroneurographie getestet. Mit dem TSA-II ist es möglich, durch ein com- putergestütztes Gerät, un- ter anderem die Funk- tion der unmyelinisierten C-Fasern und der dünn- 26 Methoden myelinisierten Aδ-Fasern quantitativ zu erfassen. Entwickelt wurde die quantitativ sensorische Testung um Plus- und Minussympto- me von neuropathischen Schmerzen zu erfassen und pathophysiologisch zuzuord- nen. In einer vollständigen quantitativ sensorischen Testung werden Detektions- und Schmerzschwellen für Temperatur sowie Detektions- und Schmerzschwellen für mechanische Stimuli getestet. Weiterhin wird das Phänomen der Allodynie und ein Wind-Up Phänomen durch Summation von Einzelreizen getestet. Ein standarti- siertes Protokoll mit Alter- und Geschlecht angepassten Normwerten wurde in der Multicenter-Studie von Rolke et al. [RBM+06] veröffentlicht. Abbildung II.4. Fotographie der Thermode am Fußrücken Bei der Testung der ther- mischen Schmerzschwel- len wird eine Thermode auf den Fußrücken des Probanden platziert. Aus- gehend von einer Baseli- ne Temperatur von 32◦ C wird die Tempera- tur um 1◦C pro Sekun- de verändert bis maxi- mal 50◦C oder minimal 0◦C. Der Proband kann nach vorheriger Instrukti- on durch Mausklick die Temperatur anzeigen, bei welcher er die Wärme als Hit- zeschmerz und die Kälte als Kälteschmerz empfindet. Der Vorgang wird 4malig wiederholt, danach wird der jeweilige Mittelwert berechnet. Die individuelle Kälte- und Hitzeschmerzschwelle wurde während des Experiments appliziert. IV. Stress-Stimulation Die Stress-Stimulation in dieser Studie erfolgte durch drei unterschiedliche Stress Aufgaben, welche während der Schmerzapplikation durchgeführt wurden. Die aus- gewählten Stimulationen haben in vorherigen Studien eine zuverlässige Stimulation des sympathischen Nervensystems gezeigt [ELH+06, SKM91, FSP+08]. Folgende Aufgaben wurden den Probanden gestellt: • Kopfrechnen: Hierbei wurde der Zahlenraum von 1-250 ± 125 benutzt. Die Aufgaben wurden dem Probanden verbal gestellt, die Antwort erfolgte eben- falls verbal. 27 Methoden • lautes Singen: Die Probanden mussten dem Untersucher laut vorsingen. Die Lieder waren allgemein bekannte Volkslieder oder Weihnachtslieder. • freier Vortrag: Die Probanden erhielten ein vorher nicht bekanntes Thema und mussten spontan einen Vortrag dazu halten. Die vorgegebenen Themen umfassten Todesstrafe, Atomkraft, Euro-Schulden-Krise, Auslandseinsätze der Bundeswehr, Euthanasie oder andere Themen aus der aktuellen Politik. V. Versuchsprotokoll Zuerst wurden bei den Probanden mit der bereits erwähnten Methode die Schmerz- schwellen für Hitze- und Kälteschmerz bestimmt. Danach erfolgte das Aufsuchen des Nervs. Bei erfolgreicher Platzierung der Mikroneurographie Elektrode in den Nerv wurde mit der Aufzeichnung der MSNA begonnen. Zuerst wurde eine Ruhe- Baseline über 300 Sekunden aufgenommen (Baseline MSNA), danach erfolgte die weitere Aufzeichnung unter folgenden Bedingungen: 1. Applikation des Hitzeschmerzes oder Kälteschmerzes mittels Thermode auf dem Fußrücken des Probanden für 300 Sekunden ohne mentalen Stress-Stimulus 2. Applikation von Hitzeschmerz oder Kälteschmerz kombiniert mit Kopfrechnen über 300 Sekunden 3. Applikation von Hitzeschmerz oder Kälteschmerz kombiniert mit lautem Vor- singen über 300 Sekunden 4. Applikation von Hitzeschmerz oder Kälteschmerz kombiniert mit einem freien Vortrag zum vorgegebenen Thema über 300 Sekunden Zwischen allen Bedingungen wurde eine Ruhephase durchgeführt, um die sympathi- sche Aktivität wieder stabil auf das Ruheniveau zurückzuführen. Während der oben genannten Bedingungen mussten die Probanden auf einer visuel- len Analog-Skala (CoVAS, Medoc, Israel) kontinuierlich die hervorgerufene Schmer- zintensität beurteilen. Dabei war Null kein Schmerz und 100 der schlimmste vor- stellbare Schmerz. Erfasst wurde der Schmerz über einen manuellen Schieberegler, welcher mit der Computersoftware verbunden ist. Dadurch wird der Schmerz kon- tinuierlich elektronisch in der Versuchsaufzeichnung erfasst. Zusätzlich wurden die Probanden dazu angehalten, nach jeder mentalen Stress Aufgabe ihren empfunde- nen Stress auf einer Skala von null bis zehn (null = kein Stress, zehn = extremer Stress) zu bewerten. 28 Methoden Zuletzt wurden die Probanden dazu aufgefordert, den Schmerz emotional zu be- werten. Auf einer Skala von null bis zehn musste von den Probanden angegeben werden, wie unangenehm der Schmerz empfunden wurde. Dabei war ein null gar nicht unangenehm und zehn sehr unangenehm. VI. Statistische Methoden Die Daten wurden mit dem Programm SPPS Statistics (IBM, Version 22.0 für Windows) ausgewertet. Um die Effekte der thermischen Schmerzreize sowie der Stress-tasks auf die MSNA (betreffend Burstinzidenz und Burstfrequenz) darzustel- len wurde eine Varianzanalyse mit Messwiederholungen (ANOVA) angewandt, die verschiedenen Stimulationen wurden hierbei als Zwischensubjektfaktoren benutzt. Zur Korrektur von Verletzungen der Sphärizität der Daten wurde die Greenhouse Geisser Korrektur der Freiheitsgrade verwendet. Zur Präsentation des Zusammen- hanges zwischen den Hitze- und Kälte bedingten Einflüssen auf die MSNA und Schmerzintensität, sowie dem Stress-induzierter Einfluss auf die Schmerzintensität und den Stress Level wurden Korrelationen nach Pearson gerechnet. Kolmogorow- Smirnow-Tests wurde zur Analyse einer Normverteilung für alle Datensätze gerech- net und parametrische (t-Test) und nonparamtrische Test (Wilcoxon Test) kamen entsprechend zur Anwendung. Alle Werte werden als Mittelwert ± Standardfehler (SEM) bei Normalverteilung und als Mediane und interquatil Range (IQR) bei nicht Normalverteilung dargestellt. Als signifikant wurde ein p-Wert < 0, 05 definiert. 29 III. Ergebnisse I. Ergebnisse der Mikroneurographie-Messungen a. Burstfrequenz Ruhebaseline In der Ruhephase betrug die mittlere Burstfrequenz 31, 8 ± 1, 1 burst/min. die bei den Probanden über die Zeit stabil blieb. Veränderung der MSNA durch die thermischen Schmerzreize Die MSNA nahm durch die thermische Schmerzstimulation signifikant zu (Hitze- schmerz: F (4, 683, 14, 050) = 44, 65, p < 0, 001, Kälteschmerz: F (4, 683, 14, 050) = 33, 87, p < 0, 001.) Auffällig war, dass die Hitzestimulation die BF signifikant mehr erhöhte als die Kältestimulation (F (1, 1) = 4, 9, p = 0, 034), siehe Abbildung III.1. Abbildung III.1. Die Burstfrequenz zeigt einen signifikant höheren Anstieg durch die Hitzeappli- kation im Vergleich zur Kälteapplikation (F (1, 1) = 4, 9, p = 0, 034). 30 Ergebnisse Stress-Stimulation Die Stress-Stimulation durch die unterschiedlichen Stress Bedingungen (Kopfrech- nen, Vorsingen und Vortrag halten) führte, additiv zum Anstieg durch die thermische Schmerzapplikation, zu einem weiteren signifikanten Anstieg der MSNA bei Kälte- schmerz ( F (1, 1) = 32, 500, p < 0, 001) und bei Hitzeschmerz (F (1, 1) = 5, 651, p = 0, 021). Bei Kälteschmerz führten alle Stress Bedingungen einzeln betrachtet zu einer zusätzlichen Erhöhung der sympathischen Aktivität im Vergleich zur Kälteschmerz Stimulation alleine (siehe Tabelle III.1). Bei Hitzeschmerz ergaben die Bedingungen Singen und Vortrag halten einen signifikanten Anstieg der MSNA, Kopfrechnen er- reichte nicht das Signifikanzniveau (siehe Tabelle III.2). Eine detaillierte Darstellung findet sich in den Graphen III.2 und III.3 sowie in den folgenden Tabellen III.1 und III.2. Bei Vergleich des Stress induzierten Anstieges der MSNA zwischen den Stress Bedin- gungen während Hitzeschmerz und Kälteschmerz, zeigte die BF formal einen höheren Anstieg während der Kälteschmerzapplikation als während der Hitzeschmerzappli- kation (F (1, 1) = 7, 879, p = 0, 006). Allerdings ist hierbei zu berücksichtigen, dass die Hitzeschmerzapplikation ohne Stress per se einen höheren Anstieg der MSNA im Vergleich zu Kälteschmerz zeigte. In einer Kovarianz Analyse lässt sich berechnen, dass die Stress induzierte Zunahme der BF abhängig ist von der Reaktion der MS- NA während der thermischen Schmerzapplikation ohne Stress (F (1, 1) = 29, 408, p < 0, 001). Unter diesem Aspekt zeigt die MSNA Aktivität während der thermischen Schmerzapplikation und zusätzlichen Stress Stimulation keinen signifikanten Unter- schied. 31 E rg eb n is se Abbildung III.2. Burstfrequenz während Kälteschmerz (KS) unter den Bedingungen: Kälteschmerzapplikation allein (Viereck); Kälteschmerz mit Kopf- rechnen (Kreis); Kälteschmerz mit Singen (Dreieck); Kälteschmerz mit Vortrag halten (umgekehrtes Dreieck). Es zeigt sich ein signi- fikanter Anstieg der Burstfrequenz durch Kälteschmerz (F (4, 683, 14, 050) = 33, 87, p < 0, 001) und ein signifikanter additiver Anstieg durch alle Stress-Bedingungen ( F (1, 1) = 32, 500, p < 0, 001). 32 E rg eb n isse Abbildung III.3. Burstfrequenz während Hitzeschmerz (HS) unter den Bedingungen: Hitzeschmerzapplikation allein (Viereck); Hitzeschmerz mit Kopf- rechnen (Kreis); Hitzeschmerz mit Singen (Dreieck); Hitzeschmerz mit Vortrag halten (umgekehrtes Dreieck). Es zeigt sich ein signi- fikanter Anstieg der Burstfrequenz durch Hitzeschmerz (F (4, 683, 14, 050) = 44, 65, p < 0, 001) und ein signifikanter additiver Anstieg durch alle Stress-Bedingungen (F (1, 1) = 5, 651, p = 0, 021). Im einzelnen waren Hitzeschmerz mit Singen ( F (1, 1) = 8, 20, p = 0, 008) und Hitzeschmerz mit Vortrag halten ( F (1, 1) = 4, 95, p = 0, 04) signifikant, Hitzseschmerz mit Kopfrechnen n.s.. 33 Ergebnisse Tabelle III.1.: Ergebnisse Burstfrequenz bei Kälteschmerz Ergebnisse Burstfrequenz bei Kälteschmerz Kälteschmerz vs. Kälteschmerz mit Kopfrechnen F (1,1) = 32,72 P =< 0, 001 Kälteschmerz vs. Kälteschmerz mit Singen F (1,1) = 32,95 P < 0, 001 Kälteschmerz vs. Kälteschmerz mit Vortrag F (1,1) = 15,99 P < 0, 001 Alle Konditionen F (1,1) = 32,500 P < 0, 001 Tabelle III.2.: Ergebnisse Burstfrequenz bei Hitzeschmerz Ergebnisse Burstfrequenz bei Hitzeschmerz Hitzeschmerz vs. Hitzeschmerz mit Kopfrechnen F (1,1) = 1,63 P = 0,21 Hitzeschmerz vs. Hitzeschmerz mit Singen F (1,1) = 8,20 P = 0,008 Hitzeschmerz vs. Hitzeschmerz mit Vortrag F (1,1) = 4,95 P = 0,04 Alle Konditionen F (1,1) = 5,651 P = 0,021 34 Ergebnisse b. Burstinzidenz Ruhebaseline In den Ruhephasen blieb die MSNA Baseline bei den jeweiligen Probanden über die Zeit stabil blieb. Die mittlere Rate der Burstinzidenz beträgt 45, 9±1, 6 / 100 heart beats. Veränderung der MSNA durch die thermischen Schmerzreize Die MSNA konnte wieder sofort durch den Hitze- und Kälteschmerz signifikant angehoben werden. (Hitzeschmerz: F (4, 683, 14, 050) = 21, 32, p =< 0, 001, Kälte- schmerz: F (4, 683, 14, 050) = 40, 95, p < 0, 001). Der durch den Hitzeschmerz be- dingte Anstieg der MSNA war geringfügig höher als der MSNA Anstieg durch Kälte- schmerz, erreichte jedoch nicht Signifikanzniveau. Siehe Abbildung III.2 Abbildung III.4. Burstinzidenz zeigt einen tendenziell höheren Anstieg durch die Hitzeapplikation als durch Kälteapplikation; das Signifikanzniveau wird nicht erreicht. Stress-Stimulation Ähnlich wie bei der BF konnte durch die unterschiedlichen Stress Bedingungen (Kopfrechnen, Vorsingen und Vortrag halten) bei der BI, additiv zum Anstieg durch die thermische Schmerzapplikation, ein weiterer signifikanten Anstieg der MSNA während Kälteschmerz ( F (1, 1) = 25, 588, p < 0, 001), jedoch nicht bei Hitzeschmerz (F (1, 1) = 2, 711, p = 0, 105) beobachtet werden. Bei Kälteschmerz führten alle Be- dingungen auch einzeln betrachtet zu einem signifikanten Anstieg (siehe Tabelle 35 Ergebnisse III.3), hinsichtlich der einzelnen Stress-tasks bei Hitzeschmerz ergab sich nur für Hitzschmerz mit Singen ein signifikanter Anstieg der MSNA während die anderen Bedingungen das Signifikanzniveau verfehlten (siehe Tabelle III.4). Eine detaillierte Darstellung findet sich in den Graphen III.5 und III.6 sowie in folgenden Tabellen III.3 und III.4. Bei Vergleich des Stress induzierten Anstieges der MSNA zwischen den Stress Be- dingungen während Hitzeschmerz und Kälteschmerz, zeigte auch die BI formal einen höheren Anstieg während der Kälteschmerzapplikation als während der Hit- zeschmerzapplikation (F (1, 1) = 7, 49, p = 0, 007). Auch bei der BI lässt sich je- doch in einer Kovarianz Analyse nachweisen, dass die Stress induzierte Zunahme der BI abhängig ist von der Reaktion der MSNA während der thermischen Schmer- zapplikation ohne Stress (F (1, 1) = 31, 39, p < 0, 001). Unter diesem Aspekt zeigt die MSNA Aktivität während der thermischen Schmerzapplikation und zusätzliche Stress-Stimulation keinen signifikanten Unterschied. 36 E rg eb n isse Abbildung III.5. Burstinzidenz während Kälteschmerz (KS) unter den Bedingungen: Kälteschmerzapplikation alleine (Viereck); Kälteschmerz mit Kopf- rechnen (Kreis); Kälteschmerz mit Singen (Dreieck); Kälteschmerz mit Vortrag halten (umgekehrtes Dreieck). Es zeigt sich ein signi- fikanter Anstieg der Burstinzidenz durch Kälteschmerz (F (4, 683, 14, 050) = 40, 95, p < 0, 001) und ein signifikanter additiver Anstieg durch alle Stress-Bedingungen (F (1, 1) = 25, 588, p < 0, 001). 37 E rg eb n is se Abbildung III.6. Burstinzidenz während Hitzeschmerz (HS) unter den Bedingungen: Hitzeschmerzapplikation alleine (Viereck); Hitzeschmerz mit Kopf- rechnen (Kreis); Hitzeschmerz mit Singen (Dreieck); Hitzeschmerz mit Vortrag halten (umgekehrtes Dreieck). Es zeigt sich ein si- gnifikanter Anstieg der Burstinzidenz durch Hitzeschmerz (F (4, 683, 14, 050) = 21, 32, p =< 0, 001), der additive Anstieg durch die Stress-Bedingungen war nur für Hitzeschmerz mit Singen signifikant (F (1, 1) = 4, 54, p = 0, 042). 38 Ergebnisse Tabelle III.3.: Ergebnisse Burstinzidenz bei Kälteschmerz Ergebnisse Burstinzidenz bei Kälteschmerz Kälteschmerz vs. Kälteschmerz mit Kopfrechnen F (1,1) = 19,13 P < 0, 001 Kälteschmerz vs. Kälteschmerz mit Singen F (1,1) = 22,98 P < 0, 001 Kälteschmerz vs. Kälteschmerz mit Vortrag F (1,1) = 15,38 P < 0, 001 Alle Konditionen F (1,1) = 25,588 P < 0, 001 Tabelle III.4.: Ergebnisse Burstinzidenz bei Hitzeschmerz Ergebnisse Burstinzidenz bei Hitzeschmerz Hitzeschmerz vs. Hitzeschmerz mit Kopfrechnen F (1,1) = 0,09 P = 0,769 Hitzeschmerz vs. Hitzeschmerz mit Singen F (1,1) = 4,54 P = 0,042 Hitzeschmerz vs. Hitzeschmerz mit Vortrag F (1,1) = 2,345 P = 0,112 Alle Konditionen F (1,1) = 2,711 P = 0,105 39 Ergebnisse II. Schmerzratings - VAS Die Schmerzschwelle bezüglich des Hitzeschmerzes lag im Median bei 45,7 ◦C (IQR: 43,3 - 46,8◦C) und bei Kälteschmerz im Median bei 4,8◦C (IQR: 0 - 10,15◦C). Die durchschnittliche VAS während der Hitzeschmerzapplikation betrug 25, 54 ± 4, 10, die durchschnittliche VAS während des Kälteschmerzes betrug 19, 37± 3, 02. a. Kälteschmerz Durch die zusätzlichen Stress-Bedingungen (Kopfrechnen, Singen, Vortrag halten) konnte die empfundende Schmerzintensität von Kälteschmerz gesenkt werden (F (1, 1) = 10, 64, p = 0, 002). Bezüglich der einzelnen Bedingungen hat Singen (F (1, 1) = 10, 26, p = 0, 005) und Vortrag halten (F (1, 1) = 9, 16, p = 0, 007) zu einer si- gnifikanten Schmerzreduktion geführt während dies für die Bedingung Kopfrechnen nicht der Fall war. Für eine detaillierte Darstellung siehe Tabelle III.5 und Abbildung III.7. Tabelle III.5.: VAS Kälteschmerz Ergebnisse Schmerzintensität bei Kälteschmerz Kälteschmerz vs. Kälteschmerz mit Kopfrechnen F (1,1) = 2,48 P = 0,13 Kälteschmerz vs. Kälteschmerz mit Singen F (1,1) = 10,26 P = 0,005 Kälteschmerz vs. Kälteschmerz mit Vortrag F (1,1) = 9,16 P = 0,007 Alle Konditionen F (1,1) = 10,64 P = 0,002 40 Ergebnisse Abbildung III.7. Die Intensität des Kälteschmerzes (Viereck) wird durch die Stress-Tasks signifi- kant gesenkt (F (1, 1) = 10, 64, P = 0, 002). Dies ist für Kälteschmerz mit Sin- gen ( Dreieck; F (1, 1) = 10, 26, p = 0, 005) und mit Vortrag halten (umgekehrtes Dreieck; F (1, 1) = 9, 16, p = 0, 007) signifikant, die Bedingung Kälteschmerz mit Kopfrechnen (Kreis) hat das Signifikanzniveau verfehlt. 41 Ergebnisse b. Hitzeschmerz Bei der Hitzeschmerz Stimulation wurde durch die Stress-Bedingungen (Kopfrech- nen, Singen, Vortrag halten) eine signifikante Reduktion der Schmerzintensität er- reicht (F (1, 1) = 6, 50, p = 0, 015). Die Bedingungen im einzelnen betrachtet hat jedoch sowohl Singen (F (1, 1) = 4, 76, p = 0, 043) als auch Vortrag halten (F (1, 1) = 4, 5, p = 0, 048) zu einer signifikanten Schmerzreduktion geführt. Für Kopfrechnen war die gleiche Tendenz zu sehen, jedoch mit knapper Verfehlung des Signifikanz- niveaus (F (1, 1) = 4, 22, p = 0, 055). Für eine detaillierte Darstellung siehe Tabelle III.6 und Abbildung III.8. Tabelle III.6.: VAS Hitzeschmerz Ergebnisse Schmerzintensität bei Hitzeschmerz Hitzeschmerz vs. Hitzeschmerz mit Kopfrechnen F (1,1) = 4,22 P = 0,055 Hitzeschmerz vs. Hitzeschmerz mit Singen F (1,1) = 4,76 P = 0,043 Hitzeschmerz vs. Hitzeschmerz mit Vortrag F (1,1) = 4,5 P = 0,048 Alle Konditionen F (1,1) = 6,50 P = 0,015 42 Ergebnisse Abbildung III.8. Die Intensität des Hitzeschmerzes (Viereck) wird durch die Stress-Tasks signi- fikant gesenkt (F (1, 1) = 6, 50, p = 0, 015). Dies ist für Hitzeschmerz mit Sin- gen (Dreieck; F (1, 1) = 4, 76, p = 0, 043) und mit Vortrag halten (umgekehrtes Dreieck; F (1, 1) = 4, 5, p = 0, 048) signifikant, die Bedingung Hitzeschmerz mit Kopfrechnen (Kreis) hat das Signifikanzniveau knapp verfehlt. 43 Ergebnisse III. Emotionale Schmerzbewertung Die emotionale Schmerzbewertung der thermischen Schmerzreize ergab keinen si- gnifikanten Unterschied für Hitze- und Kälteschmerz (Hitzeschmerz: 5,4 +/ − 0, 7, Kälteschmerz bei 4,4 +/− 0, 7; n.s.). IV. Korrelationen zwischen MSNA-Parameter und Schmerz Burstfrequenz Bei zusammengefasster Analyse aller Stressbedingungen unter Hitze- und unter Kälteschmerz zeigt sich, dass die Schmerzintensität negativ mit der Burstfrequenz korreliert (r = −0, 304; p = 0, 012). Der Anstieg der Burstfrequenz und die Redukti- on der Schmerzintensität ergaben eine positive Korrelation (r = 0, 261; p = 0, 048). Burstinzidenz Es zeigte sich keine signifikante Korrelation zwischen Burstinzidenz und Schmer- zintensität. Bei Analyse der Hitze- und Kälteschmerzbedingungen zusammen er- gibt sich für die Schmerzintensität ein deutlicher Trend zur negativ Korrelation mit der Burstinzidenz, welche jedoch nicht Signifikanzniveau erreicht (r = −0, 221; p = 0, 07). V. Stress-Ratings Die empfundene Stressintensität wurde bei den jeweiligen Stress-Stimulationen un- terschiedlich bewertet (Stress-Ratings: Kopfrechnen: 5,03 +/ − 1, 5; Singen: 5,9 +/ − 2, 1; Vortrag halten: 3,8 +/ − 1, 8; F = 11, 022, p > 0, 001). Kopfrechnen und Singen wurde verglichen mit Vortrag halten als anstrengender empfunden ( Kopfrechnen p = 0, 003, Singen p < 0, 001). Ein linearer Zusammenhang zwischen den Stress-Ratings und dem MSNA Anstieg oder der Schmerzreduktion konnte nicht hergestellt werden. VI. Herzfrequenz Die Herzfrequenz zeigte sich stabil während der Baseline mit einer durchschnittli- chen Herzfrequenz von 70,32 +/ − 2, 60 pro Minute. Durch die unterschiedlichen Bedingungen mit Kälteschmerz und mit Hitzeschmerz ist es zu keinem signifikanten Anstieg der Herzfrequenz gekommen. Auch die jeweiligen Bedingungen im einzel- nen betrachtet haben weder bei Hitze- noch bei Kältestimulation mit Stress-Tasks zu einem signifikanten Anstieg der Herzfrequenz geführt (n.s.). Für eine detaillierte Darstellung siehe Abbildung III.9 und III.10 und Tabelle III.7 und III.8. 44 Ergebnisse Tabelle III.7.: Herzfrequenz bei Hitzeschmerz Ergebnisse Herzfrequenz bei Hitzeschmerz Hitzeschmerz vs. Hitzeschmerz mit Kopfrechnen F (1,1) = 1,116 P = 0,299 Hitzeschmerz vs. Hitzeschmerz mit Singen F (1,1) = 0,657 P = 0,425 Hitzeschmerz vs. Hitzeschmerz mit Vortrag F (1,1) = 0,3441 P = 0,563 Alle Konditionen F (1,3) = 0,425 P = 0,736 Tabelle III.8.: Herzfrequenz bei Kälteschmerz Ergebnisse Herzfrequenz bei Kälteschmerz Hitzeschmerz vs. Hitzeschmerz mit Kopfrechnen F (1,1) = 0,331 P = 0,569 Hitzeschmerz vs. Hitzeschmerz mit Singen F (1,1) = 0,237 P = 0,630 Hitzeschmerz vs. Hitzeschmerz mit Vortrag F (1,1) = 0,027 P = 0,870 Alle Konditionen F (1,3) = 0,279 P = 0,84 45 E rg eb n is se Abbildung III.9. Die Herzfrequenz zeigt keinen signifikanten Anstieg während der Kälteschmerz Bedingungen (Kälteschmerz = Viereck, Kälteschmerz mit Kopfrechnen = Kreis, Kälteschmerz mit Singen = Dreieck, Kälteschmerz mit Vortrag = umgekehrtes Dreieck). 46 E rg eb n isse Abbildung III.10. Die Herzfrequenz zeigt einen tendenziellen Anstieg bei den Hitzeschmerz Bedingungen, jedoch ist der Anstieg nicht signifikant (Hit- zeschmerz = Viereck, Hitzeschmerz mit Kopfrechnen = Kreis, Hitzeschmerz mit Singen = Dreieck, Hitzeschmerz mit Vortrag = umgekehrtes Dreieck). 47 IV. Diskussion Ziel dieser Studie war es durch direkte intraneuronale Ableitung der MSNA den Zu- sammenhang zwischen sympathischer Aktivität, thermischen Schmerzreizen und der Schmerz-Reduktion durch Stress-tasks näher zu untersuchen. Die thermischen Reize führten zu einer signifikanten Erhöhung der Vasokonstriktorenaktivität verglichen zur Ruhebaseline. Die unterschiedlichen Stress-Aufgaben hatten alle eine weitere Erhöhung der MSNA zur Folge welche unabhängig von dem empfundenen Stressle- vel war. Auch konnte durch die Stress-Aufgaben eine Reduktion der empfundenen Schmerzintensität erzielt werden. Unsere Ergebnisse unterstreichen den Einfluss der zentralen Baroreflex Regulation auf das endogene, schmerzhemmende System. I. MSNA während Hitze- und Kälteschmerz Nozizeptive Reize beeinflussen das sympathische Nervensystem und damit auch des- sen Stellgrößen wie den Blutdruck und die Verteilung des Blutflusses. Dass akute Schmerzereignisse sowohl die muskuläre sympathische Nervenaktivität als auch den Blutdruck erhöhen, konnte bereits durch schmerzhaften Druck auf das Nagelbett, bei Kontakt einer Seifen-Lotion mit dem Auge [NF95] oder durch mechanischen Druck auf die Haut [SRB+96] nachgewiesen werden. Bislang wurde angenommen, dass das Herz-Kreislauf System unterschiedlich reagiert, je nachdem der applizierte Schmerz tiefen Körperregionen oder oberflächlichen Körperregionen zugeführt wird. Bei Rattenversuchen provozierten Schmerzen durch Rotationen im Kniegelenk eine Erhöhung des Blutdruckes und der Herzfrequenz. Bei zusätzlicher Inflammation des Kniegelenks und damit assoziierter Sensibilisierung der unmyelinisierten C-Fasern, konnte dieser Effekt verstärkt und auch bei vorher nicht schmerzhaften Bewegungen ausgelöst werden [SSS84]. Ob sich dieser Effekt auch in der muskulären sympathi- schen Nervenaktivität wiederspiegelt, wurde 2009 von Burton et. al untersucht. Ein tiefer Muskelschmerz wurde provoziert durch Injektion von Kochsalzlösung in den M. tibialis anterior; der oberflächliche Schmerz wurde durch Injektion von Koch- salzlösung subkutan provoziert. Es konnte keine unterschiedliche Reaktion auf die Schmerzen beobachtet werden, die MSNA zeigte sowohl beim tiefen als auch beim oberflächlichen Schmerz einen signifikanten Anstieg [BBB+09]. In unserer Studie war bei allen Probanden ein deutlicher Anstieg der muskulären sympathischen Ner- 48 Diskussion venaktivität zu verzeichnen, zu einer Reduktion der MSNA kam es bei keinem der Probanden. Jedoch war während Kälteschmerz Stimulation ein geringerer MSNA Anstieg zu beobachten als während Hitzeschmerz Stimulation. Weder die Schmerzra- tings noch die emotionale Schmerzbewertung zeigten einen signifikanten Unterschied zwischen Hitze- und Kälteschmerz welche diesen Unterschied erklärt. Physiologisch führt die Erwärmung des ganzen Körpers beim Menschen zu einem Anstieg der MSNA [NMS+97, YST+97, CEF99, CWC02]. Es kommt zu einer Vasodilatation der Haut und dadurch zu einer Umverteilung des zirkulierenden Blutes. Die höhere Perfusion der Haut wird durch Vasokonstriktion der Blutgefäße im Gefäßbett kom- pensiert und zieht eine Erhöhung der MSNA nach sich [NMS+97]. Wir gehen jedoch davon aus, dass die Applikation von Hitzeschmerz mit einer Thermode von 9,0 Qua- dratzentimetern Fläche nicht ausreicht, um eine thermoregulatorische Umverteilung des Blutes nach sich zu ziehen. Bei lokaler Erwärmung von 42◦C am Schienbein zeigte eine Mikroneurographie Studie von Takahashi und Mitarbeitern sogar eine Abnahme der MSNA [TNK+11]. Die Ergebnisse unserer Arbeit werden durch die thermische Beeinträchtigung des Metaboreflex von Muskeln während muskulärer Anstrengung unterstützt. Der Mus- kelmetaboreflex wird über afferente Typ III und IV Nervenfasern mit chemosen- sitiven Nervenendigungen vermittelt [MVNW85]. Bei Muskelarbeit kommt es zur Freisetzung von Produkten aus dem anaeroben Stoffwechsel sowie freier Sauerstoffra- dikalen. Es kommt zu einer Steigerung der Herzfrequenz, des Blutdrucks und der muskulären sympathischen Nervenaktivität [HTJV94]. Lokale Wärme induzierte ei- ne Zunahme der MSNA Aktivierung während des ischämischen Händegriffes, mögli- cherweise induziert durch die Sensibilisierung der Rezeptoren und einer erleichter- ten afferenten Übertragung [RG97, KSKR09]. Lokale Kühlung hingegen schwächte die MSNA Aktivierung bei einer isometrischen Handgrip-Übung ab, ein Effekt den Ray und Mitarbeiter auf eine Verzögerung des Muskelmetaboreflex zurückführten [RHGM97]. Eine andere Erklärung könnte die unterschiedliche zentrale Verarbeitung von Hitze- und Kälteschmerz sein. Die kortikale Repräsentation von autonomen Funktionen und Schmerzverarbeitung sind eng miteinander verknüpft. So konnte eine Aktivierung des orbitofrontalen Kortex sowohl bei der Verarbeitung von Kälteschmerz [BVN+15] als auch bei der Baroreflex abhängigen Aktivierung der MSNA nachgewiesen wer- den [KAB+13]. Kürzlich konnte gezeigt werden, dass die autonome Reaktion auf Hitzeschmerz Stimulation durch den medialen präfrontalen Kortex vermittelt wird [POS+15], ein Areal, welches einen Teil des schmerzverarbeitenden Systems als auch einen Teil des autonomen Netzwerkes darstellt. Die zentralen Pfade für die Ver- 49 Diskussion arbeitung von Hitze und Kälte unterscheiden sich jedoch. Über spinothalamische Bahnen erreichen die Afferenzen von thermorezeptiven Neuronen des Rückenmarks den Hypothalamus, die erste wichtige Schaltstelle sowohl für Hitze- als auch für Kältereize [Ben07]. In Tierversuchen zeigte sich bei Nagetieren eine ausschlaggeben- de Rolle von Kälte sensiblen Neuronen lokalisiert im Nukleus raphe pallidus und im paraventrikulären hypothalamischen Nukleus für die sympathische Reaktion auf kurze Kältestimuli [CVR+12]. Bei Ratten wird diese sympathische Reaktion über das periaqueduktale Grau vermittelt, der kaudale Teil ist involviert in einer Reaktion auf Kältestimuli während der rostrale Teil durch Wärmestimulation aktiviert wird [YKN+05]. Bei Katzen zeigt sich zusätzlich eine Beteiligung des kaudalen Anteils des Nukleus raphe pallidus bei Wärmestimuli [ASL+07]. Obwohl die unterschiedli- chen Signalwege von thermischen Stimuli beim Menschen noch nicht so detailliert erfasst sind, zeigen erste Studien bei bilateraler Stimulation mit Kälteschmerz eine lateralisierte Aktivierung der rechten, anterioren Inselregion, welche sich nicht bei bilateraler Hitzestimulation reproduzieren ließ [SDD+]. Auch beim Menschen ist da- her eine unterschiedliche Verarbeitung und sympathische Reaktion auf thermische Reize anzunehmen. II. MSNA und Stress Vorherige Mikroneurographie Studien zeigten eine Beeinflussung der MSNA durch mentalen Stress. Sowohl eine Zunahme als auch eine Abnahme der MSNA wurden durch kurze sensorische Stimuli und mentalen Stress dokumentiert [DLE+12]. Zum einen zeigte sich das Verhalten der MSNA abhängig vom Schweregrad des men- talen Stresses [CSS92], bei leichten Kopfrechnen Aufgaben kam es zur Abnahme, bei schweren Aufgaben zur Zunahme der MSNA [CSS92]. Carter und Mitarbeitern [CR09] zeigten, dass die Reaktion der MSNA bei Stress durch Kopfrechnen zwar auch variabel ist, jedoch unabhängig von dem empfundenen Stresslevel [CR09]. Die Zu- oder Abnahme der MSNA ist möglicherweise durch eine Verstärkung oder eine Hemmung der Baroreflexsensitivität zu erklären [DKC11]. Die Kombination aus tonisch applizierten thermischen Schmerzreizen und tonisch anhaltenden Stress erhöhte in unserer Studie die MSNA durchgehend. Die Schmerz- vermittelte Steigerung der MSNA wird durch bottom-up Aktivierung supraspinal gelegener sympathischer Kerne aufrechterhalten, weshalb dieses Phänomen bei Pa- tienten mit Rückenmarksverletzungen unterhalb der Höhe des geschädigten Rücken- marks nicht mehr nachweisbar ist [BBM08]. Der additive mentale Stress erhöhte die MSNA zusätzlich. Hierbei zeigte sich, dass eine hohe Aktivität der MSNA mit niedriger Schmerzintensität assoziiert ist und mit dem Maß der Stress induzier- ten Reduktion korreliert. Unterschiede im Ausmaß der sympathischen Aktivierung 50 Diskussion waren in unserer Studie während der verschiedenen Kombinationen aus mentalen Stressbedingungen und thermischen Schmerz, trotz voneinander abweichender Be- wertungen des empfundenen Stresslevels, nicht nachweisbar. Als ursächlich ist ein Ceiling-effect, im Sinne einer funktionierenden inhibitorischen Kontrolle der MSNA durch den Baroreflex, zu diskutieren. Die in unserer Studie festgestellte Zunahme der MSNA Aktivität durch Stress spie- gelt möglicherweise ein zentral gesteuertes Phänomen wieder. Dadurch können wir demonstrieren, dass die zentralen Steuerungsmechanismen des Baroreflex auch die Schmerzempfindung kontrollieren bzw. modulieren III. MSNA und Stress-induzierte Analgesie Unsere mentalen Stressbedingungen führten zu einer Erhöhung der MSNA und einer Reduktion der empfundenen Schmerzintensität. Die Schmerzreduktion kann als Fol- ge von Ablenkung oder als Folge der sympathischen Aktivierung auftreten. Leider haben wir keine Kontrollbedingungen für Ablenkung in unserem experimentellen Aufbau. Da jedoch die Stressbewertung, welche als ungefähres Maß für das Enga- gement und dem Grad der Ablenkung anzunehmen ist, nicht mit dem Ausmaß der Schmerzreduktion korrelierte, spricht gegen die Ablenkung als hauptursächlich und unterstützt die Annahme des führenden Einfluss der sympathischen Aktivierung auf die Schmerzreduktion. Stress-induzierte Analgesie ist ein komplexes Phänomen, welches auf ein deszendierendes endogenes Opioidsystem [VPMR+13, FBK+12], ab- steigende monoaminerge Pfade [Mil02, SB08] und Baroreflex Mechanismen [RE01] zurück zu führen ist. Vielfach wurde in Studien ein Einfluss des Baroreflexes auf die Schmerzmodulation gezeigt [BC04]. Durch Stimulation der Afferenzen des Barore- flexes mittels elektrischer Stimulation des N. vagus [KBSH00] oder Unterdruck im Bereich des Halses zur Stimulation der Barorezeptoren im Karotissinus [DER+94] konnte eine Schmerzreduktion gezeigt werden. In unserer Studie war eine Steigerung der MSNAmit einer Herabsetzung der Schmer- zintensität assoziiert und spiegelt damit die Stress-induzierte Schmerzreduktion wie- der. Die Aktivierung der MSNA kann womöglich auf eine Zunahme der zentralen Steuerung zurückgeführt werden. Folglich konnten wir zeigen, dass die zentralen Baroreflex Verbindungen sowohl im physiologischen als auch unter Stress einen kon- trollierenden Einfluss auf die Schmerzwahrnehmung haben. Viele mentale Stressbedingungen führen zu einer Erhöhung des arteriellen Blut- drucks und der Herzfrequenz [FSP+08]. Beide Parameter fungieren als Stellgrößen der sympathischen Aktivierung, werden reziprok über den Baroreflex kontrolliert, weisen jedoch eine höhere Variabilität auf [FG99, YDD+10]. Leider haben wir in unserem experimentellen Design den arteriellen Blutdruck nicht erfasst. Da sich die 51 Diskussion Herzfrequenz nicht signifikant verändert, ist eine signifikante Änderung des arteriel- len Blutdrucke unwahrscheinlich. Die Quantifizierung eines direkten intraneuronalen Korrelates der sympathischen Nervenaktivität scheint den anderen Methoden in vor- angegangenen Studien überlegen zu sein. IV. Fazit und Ausblick Unsere Ergebnisse spiegeln die enge Beziehung zwischen dem sympathischen Nerven- system und Schmerzempfinden wieder. Wir konnten zeigen, dass durch die Methode der Mikroneurographie eine deutlich differenziertere Exploration der Interaktion zwi- schen dem Baroreflex und Schmerz möglich ist. Unsere Studie trägt zum besseren Verständnis der Kontrollmechanismen zwischen endogener Schmerzhemmung und autonomen Nervensystem bei. Insbesondere bei chronischen Schmerzerkrankungen, in welchen die Mechanismen der endogenen Schmerzhemmung versagen, besteht ei- ne Assoziation zu sympathischer Fehlregulation. Mittels Mikroneurographie können auch hier Parameter der sympathischen Aktivierung quantifiziert werden und zum besseren Verständnis der sympathischen Interaktion beitragen. Eine Studie, wel- che den Zusammenhang zwischen chronischen Schmerzen am Beispiel von Fibro- myalgie Patienten und sympathischer Dysregulation näher beleuchtet, wird aktuell noch durchgeführt. Auch hier wird eine Fehlregulation des Baroreflex diskutiert welches durch Ableitung der MSNA näher exploriert wird. Weitere laufende Studien beschäftigen sich mit autonomen Fehlregulationen bei Parkinson Patienten. Im Zuge dieser Dissertation entstand folgende Publikation: ” The impact of baroreflex function on endogenous pain control - a microneurography study“, Autoren: Gothje Lautenschläger, Kathrin Habig, Christoph Best, Manfred Kaps, Mikael Elam, Frank Birklein, Heidrun H. Krämer. Die Publikation ist aktuell im European Journal of Neuroscience nach Revision resubmitted. 52 V. Zusammenfassung - Summary I. Zusammenfassung: Einfluss des Baroreflexes auf die endogene Schmerzhemmung - eine Mikroneurographie Studie Schmerz ist eine mutifaktorielle beeinflusste Empfindung und kann auf vielen Ebenen sowohl pronozizeptiv als auch antinozizeptiv moduliert werden. Ein wichtiger Ein- flussfaktor auf die Schmerzwahrnehmung ist das sympathische Nervensystem. Eine kurzfristige Aktivierung des sympathischen Nervensystems führt bei gesunden Men- schen zu einer Reduktion der Schmerzempfindung. Dies kann in Extremsituationen, wie einem Autounfall oder einer Kriegsverletzung, zu einer starken Diskrepanz zwi- schen dem Ausmaß der Verletzung und der empfundenen Schmerzintensität führen. Eine dauerhafte Aktivierung des sympathischen Nervensystems ist wiederum asso- ziiert mit chronischen Schmerzsyndromen. Das Phänomen der Stress-induzierten Analgesie wird über das endogene Opioidsys- tem als auch deszendierende adrenerge und serotonerge Bahnen vermittelt. Wichtige Schaltstationen sind im Hirnstamm lokalisiert und beinhalten des periaqueductale Grau und die rostroventromediale Medulla oblongata. Von hier nehmen deszendie- rende Bahnen ihren Ursprung, welche in den Hinterhornzellen des Rückenmarks enden und dort nozizeptive Reize antinozizeptiv modulieren können. Jedoch spielen auch kortikale Regionen eine wichtige Rolle bei der Schmerzmodulation. Bildgeben- de Studien zeigten, dass der anteriore cinguläre Kortex, Anteile des insulären Kor- tex, Thalamus und präfrontale Kortexareale essentielle kortikale Kontrollfunktionen einnehmen. Somit ist das Phänomen der Stress-induzierten Analgesie als ein Phäno- men der Top-down Kontrolle anzusehen, dessen Kontrollinstanzen kortikal sind und über Verschaltung wichtiger schmerzmodulierender Zentren im Hirnstamm, über desezendierende Bahnen die ankommenden nozizeptiven Reize bereits auf Rücken- marksebene hemmen. In unserer Studie wurde mittels der Methode der Mikroneurographie die Wirkung thermischer Schmerzreize auf den sympathischen Ausfluss sowie die Modulation des- sen durch mentalen Stress untersucht. Bei der Mikroneurographie wird die sympa- thisch innervierte Nervenaktivität zu den Vasokonstriktoren der Widerstandsgefäße 53 Zusammenfassung - Summary (MSNA = muskuläre sympathische Nervenaktivität) intraneuronal abgeleitet. Es nahmen 23 gesunde männliche Probanden an der Studie teil, von 18 Teilneh- mern konnte eine suffiziente MSNA abgeleitet werden. Als Schmerzreiz wurden thermische Reize auf den Fußrücken appliziert, die Schmerzschwellen für Hitze- und Kälteschmerz wurde vorher individuell bei jedem Probanden bestimmt. Der Hitze- und Kälteschmerz wurde allein und mit zusätzlicher sympathischer Aktivie- rung durch mentale Stressbedingungen appliziert. Das Versuchsprotokoll umfasste: 1. Ruhe-Baseline; 2. Hitzeschmerz oder Kälteschmerz allein; 3.Hitzeschmerz oder Kälteschmerz mit Kopfrechnen; 4. Hitzeschmerz oder Kälteschmerz mit lautem Sin- gen; 5. Hitzeschmerz oder Kälteschmerz mit Vortrag halten. Jede Bedingung wurde für 300 Sekunden und mit 300 Sekunden dazwischenliegender Pause appliziert. Die Probanden mussten während der Bedingungen kontinuierlich ihren Schmerz auf ei- ner numerischen Rating Skala bewerten. Es zeigte sich eine signifikante Erhöhung der MSNA durch die Applikation von Hit- zeschmerz und Kälteschmerz. Der Anstieg war bei Hitzeschmerz ausgeprägter als bei Kälteschmerz. Durch die zusätzlichen Stress-Bedingungen konnte ein weiterer Anstieg der MSNA erreicht werden. Bezüglich der Schmerzratings kam es durch die Stress-Bedingungen zu einer signifikanten Schmerzreduktion sowohl bei Hitze- und bei Kälteschmerz. Die Schmerzintensität unterschied sich nicht zwischen den thermischen Reizen. Die MSNA Aktivität zeigte eine negative Korrelation mit der Schmerzintensität und eine positive Korrelation mit der Schmerz-Reduktion. Die Herzfrequenz zeigte keinen signifikanten Anstieg. In Zusammenschau unserer Ergebnisse mit additivem MSNA Anstieg durch die Stress-Bedingungen und simultaner Schmerzreduktion sind wir überzeugt davon, dass der Baroreflex als Teil der endogenen Schmerzhemmung im Sinne der Stress- induzierten Analgesie gesehen werden kann. Auch Ablenkung kann zu einer Schmerz- reduktion führen, da jedoch der empfundene Stresslevel als Maß für die Ablenkung, keinen Einfluss auf die Schmerzreduktion hatte, gehen wir davon aus, dass in un- serem Fall die sympathische Aktivierung der wesentliche einflussnehmende Faktor ist. Die Aktivierung der MSNA kann womöglich auf eine Zunahme der zentralen Steuerung zurückgeführt werden. Folglich konnten wir zeigen, dass die zentralen Baroreflex Verbindungen sowohl im physiologischen als auch unter Stress einen kon- trollierenden Einfluss auf die Schmerzwahrnehmung haben. 54 Zusammenfassung - Summary II. Summary: The impact of baroreflex function on endogenous pain control - a microneurography study Pain is a feeling which does not directly correlate with the nociceptive input. It is a sensation that can be modulated by different mechanisms resulting in pain reduction or enhancement. One component that closely interacts with the sensation of pain is the sympathetic nervous system. In healthy humans stress is a natural stimulus that can trigger pain suppression, a phenomenon called stress induced analgesia (SIA). SIA explains the discrepancy between severe injuries and the little amount of pain felt in extreme stress situations like car accidents or war injuries. On the contrary, ongoing activation of the sympathetic nervous system is associated with the deve- lopment and maintenance of pain chronicity. SIA is mediated through a endogenous opioid-system and descending noradrenergic- and serotonergic pathways. Important subcortical structures are the periaquaeduc- tales gray and the rostroventromedial medulla oblon