Eine Reise durch die Physiologie - Wie der Körper des Menschen funktioniert
 

     
Humoral-neuronale Steuerung und Kontrolle von Organsystemen
 
  Autonomes Nervensystem

© H. Hinghofer-Szalkay

adrenerg: ad = bei, ren = Niere, εργον = Arbeit
cholinerg:
χολή = Galle (Cholin in Galle), εργον = Arbeit
Edinger-Westphal-Kern: Ludwig Edinger, Carl F.O. Westphal
enterisch: ἔντερον = Darm
ergotrop: ἔργον = Arbeit, τροπή = Richtung
Katecholamin: katechu = Extrakt aus der Gerberakazie, Amin von Ammonium - Ἄμμων = Gottheit (Ammoniumchlorid als 'sal ammoniacus')
Parasympathikus: παρά = neben, bei;
Sympathikus: συμ-πάθεια = Mit-empfindung  (Jacob Winslow)
prä-, postganglionär: prae = vor, post = nach, γάγγλιον = Aufschwellung
Splanchnikus: σπλάγχνα = Eingeweide
trophotrop: τροφος = Nahrung, τροπή = Richtung
vegetativ: vegetare = beleben (von vegere = munter sein, vegetus = lebhaft)



Das autonome Nervensystem (Vegetativum) steuert komplexe Vorgänge mit hohem Autonomiegrad. Es besteht aus drei Komponenten: Dem sympathischen, dem parasympathischen und dem Darmnervensystem. Eine zentrale Koordinationsstelle für autonom-nervöse Reflexe und Steuerung ist der Hypothalamus, ein Teil des limbischen Systems.

Parasympathische Efferenzen verlassen Hirnstamm (Hirnnerven) und Rückenmark (Sakralbereich), sympathische das Rückenmark (Thorakolumbalbereich). Die von ihnen gesteuerten Funktionen beziehen sich auf fast alle Systeme des Körpers, wie Kreislauf, Atmung, Sinnesfunktionen, Verdauung, Hormonbildung.

Präganglionäre Neurone arbeiten cholinerg (nikotinische Rezeptoren). Die Zahl der von einer präganglionären Faser beeinflussten postganglionären Neuronen (Divergenz) ist unterschiedlich, das Verhältnis reicht von 1:4 (Iris, Ziliarkörper - präzise Steuerbarkeit) bis zu mehreren hundert (Blutgefäße, Schweißdrüsen - breit gestreute Wirkung).

Von den Eingeweiden ziehen afferente (viszerosensible) Fasern zum ZNS (über N. facialis, glossopharyngeus, vagus, Beckennerven). Sie melden Dehnungs-, chemische und Schmerzreize; ihre thalamischen und kortikalen Projektionen tragen auch zu bewussten Empfindungen bei (Harn- und Stuhldrang, Übelkeit, Atemnot, Schmerz).

Die efferenten Wirkungen von Sympathikus und Parasympathikus sind außerordentlich vielfältig - teils lokal, teils breit gestreut. Generell kann man das Wirkmuster beim Sympathikus als ergotrop (ergon = Arbeit; nach außen gerichtet), beim Parasympathikus als trophotrop (trophos = Nahrung; nach innen gerichtet) bezeichnen.


Übersicht   Zentren & Reflexe  präganglionär postganglionär NANC viszerale Afferenzen  viszerale Efferenzen, Splanchnikussystem Kontrolle der Harnblase   "Sympathikustonus Synopsis: Sympathikus Parasympathikus


    Splanchnikussystem

Core messages
 
Das "autonome" Nervensystem besteht aus drei Teilen: Dem sympathischen, dem parasympathischen und dem Darmnervensystem. Letzteres ist tatsächlich autonom (in dem Sinne, dass es ohne Einflüsse aus dem ZNS funktionieren kann); der Sympathikus und der Parasympathikus hingegen sind Agenten des ZNS und können ohne es nicht funktionieren. Allerdings: Bewusster Kontrolle ist das autonome Nervensystem weitgehend entzogen. Außer der Skelettmuskulatur versorgt es jedenfalls alle Organe des Körpers mit efferenten Impulsen. Das bezieht sich insbesondere auf Kreislauf (Herztätigkeit, Blutgefäße) und Lunge, viszerale Motorik (Darm, Urogenitalsystem etc), Sinnesorgane, alle exokrinen und einige endokrine Sekretionstätigkeiten, Energiehaushalt, Stoffwechsel, Immunsystem.
 
Fast alle Gewebe werden vom autonomen Nervensystem versorgt
 
Das autonome Nervensystem (vegetatives Nervensystem, "Vegetativum" - autonomic nervous, vegetative, involuntary, visceral system) ist die neuronale Maschinerie, welche vor allem die Funktion der inneren Organe in Sekundenschnelle beeinflussen und koordinieren kann. Diese Kontrollfunktion übt es kontinuierlich aus, Tag und Nacht - in Abhängigkeit von Signalen, und Erfordernissen von Systemen, die mit Vorgängen befasst sind, die dem Bewusstsein weitgehend verborgen bleiben (Stoffwechsel, Kreislauf, Atmung, Verdauung, Funktionen der Nieren, des Urogenitalsystems, der Immunabwehr u.a.).
 

Abbildung: Organisation prä- und postgalglionärer Neurone in Sympathikus und Parasympathikus
Nach einer Vorlage in Boron / Boulpaep: Concise Medical Physiology, Elsevier 2021

Grundsätzliches Schema: Ein zentrales vegetatives Neuron tritt aus dem ZNS aus und bildet Synapsen an Neuronen in - zentral oder peripher gelegenen - Ganglien (Gruppierungen von Nervenzellen).
 
Das "zweite" (periphere) Neuron wirkt dann synaptisch / parakrin auf Zielzellen (z.B. glatte Muskelzellen, Drüsenzellen).
 
Ganglien sind keine simplen "Umschaltestationen", wie man aus der vereinfachten Darstellung fälschlich ableiten könnte: Sie enthalten neben afferenten und efferenten Nervenzellen auch Interneurone und sind mit einem dichten Fasergeflecht (Neuropil) miteinander verbunden, das eine beträchtliche Rechenleistung sowie Kon- und Divergenz ermöglicht

Es gibt einen zentralen (innerhalb des ZNS gelegenen) und einen peripheren Anteil des autonomen Nervensystems. Der periphere Abschnitt wird in das
 
    sympathische,
 

    parasympathische und

    intestinale (enterische, Darm-) Nervensystem eingeteilt (Gegenstand der Neurogastroenterologie).

Erstere innervieren glatte und Herzmuskelzellen, Drüsen, lymphatische Organe; letzteres stellt ein komplexes Nervengeflecht der Darmeingeweide dar, das auch unter der Kontrolle des sympathischen und parasympathischen Systems steht.
 

Abbildung: Organisation efferenter Neurone
Nach einer Vorlage in Boron / Boulpaep: Concise Medical Physiology, Elsevier 2021

Alle das ZNS verlassenden Neurone funktionieren cholinerg - nikotinisch (N1) oder muskarinisch (N2).
 
Oben: Das somatische System steuert mit motorischen Vorderhornzellen die Skelettmuskulatur.
 
Darunter: Autonomes System. Im Parasympathikus erfolgt die ganglionäre "Umschaltung" in der Peripherie, im Sympathikus prävertebral.
 
Präganglionäre sympathische Fasern schalten in den beiden paravertebralen Ketten von Ganglien ("sympathischer Grenzstrang") auf postganglionäre Neurone um, deren Axone wieder mit Spinalnerven verlaufen, oder sie schalten in unpaaren (median gelegenen) Ganglien um, wenn sie an Eingeweise im Bauch- oder Beckenraum adressiert sind. Chromaffine endokrine Zellen des Nebennierenmarks sind im Effekt modifizierte postganglionäre Zellen.
 
Parasympathische Ganglienzellen geben Acetylcholin, sympathische Noradrenalin ab. Das Nebennierenmark enthält chromaffine Zellen, die Adrenalin sezernieren


Das sympathische Nervensystem ist nicht unbedingt lebensnotwendig, soferne Umweltfaktoren gut kontrolliert und arm an Überraschungen sind. Es ist aber normalerweise immer aktiv, und das in sehr unterschiedlichem Ausmaß - sowohl was die Zeit als auch die betroffenen Organe angeht. Der Sympathikus macht den Körper fit für Aktivität und Krisensituationen; in diesen steigt sein "Tonus" (Aktivitätsgrad), und das wirkt sich auf zahlreiche Körperfunktionen aus. Das macht sich in einem starken Divergenzcharakter bei der Verschaltung von prä- auf postganglionäre Zellen bemerkbar: Die sympathische Wirkung projiziert auf breit gefächerte Körperareale, und sie kann ihre Intensität und ihr Muster je nach Anforderungen innerhalb von Sekunden ändern ("fight or flight").

Ein Ausfall des sympathischen Systems hat dramatische Folgen: So überhitzt der Organismus bei steigender Wärmebelastung; die notwendigen Gefäßreaktionen bleiben bei Muskelarbeit, Stress, Blutverlust oder Hypoxie aus; der Blutzuckerspiegel reagiert nicht
ausreichend bzw. sinkt bei plötzlicher Belastung; Ermüdung macht sich rasch bemerkbar.

Kurzum, der Sympathikus ist ein für generelle rasche Anpassung an Stressoren notwendiges "Kampfsystem". Das Spektrum kann von eher harmlosen (z.B. Absinken des Blutzuckerspiegels, Blutdruckabfall durch Aufrichten) bis zu tatsächlich lebensbedrohlichen Situationen reichen. Für den "Alltag" kann man sagen, dass beide Äste des autonomen Nervensystems - jeweils ausgewogen - mehr oder weniger aktiv sind und sich in ihren Wirkungen funktionell ergänzen.

Das parasympathische System
ist auf jeden Fall lebensnotwendig. Es zeigt im Gegensatz zum Sympathikus kaum Divergenz, vielmehr präzise Steuerungseigenschaften. Es ist auf homöostatische Funktionen spezialisiert, vor allem die Erhaltung von Organfunktionen und Energiekonservierung. Seine Funktionen machen sich z.B. im Kreislauf (Herzschonung und Blutdrucksenkung), respiratorischem System (Schutz- und Säuberungsfunktion in Bronchien), Auge (Schutz vor Austrocknung und übermäßigem Lichteinfall), Verdauungssystem (Anregung), Blase und Rektum (Entleerung), Immunsystem (Antigenerkennung u.a.) bemerkbar.

Das autonome Nervensystem steuert Körperfunktionen im Sinne der

      Aufrechterhaltung eines inneren Milieus (Homöostase) und der

      Anpassung an wechselnde Anforderungen der Umgebung des Organismus.
  
Seine Efferenzen versorgen alle innervierten Körperstrukturen bis auf die Skelettmuskulatur (die von somatischen Nerven versorgt wird). Seine distalen Umschaltungen liegen in autonomen Ganglien, sämtlich außerhalb des ZNS; postganglionäre Fasern sind nichtmyelinisiert (langsame Leitung). Eine Blockade peripherer autonomer Nerven führt nicht zu totalem Funktionsausfall des betroffenen Gebietes, Drüsen- und glatte Muskelzellen erhalten einige Spontanaktivität. (Im Gegensatz dazu
atrophiert denervierter Skelettmuskel.)

Afferenzen aus viszeralen Strukturen bringen sensorische Information zum ZNS (zentralen Nervensystem) und laufen über zwei Stränge:
 
    Kraniales System: Über parasympathische Afferenzen der V., VII., IX. und X. Hirnnerven zum Hirnstamm / nucl. tractus solitarii;
 
    Spinales System: über sympathische und parasympathische Fasern zum Rückenmark.

Diese Afferenzen ermöglichen autonome Reflexe, deren Bögen meistens über das ZNS laufen (außer Axonreflexe). Dabei betreffen über das kraniale System geleitete Impulse hauptsächlich Mechano- und Chemosensibilität, das spinale System vorwiegend Information betreffend Temperatur und Gewebeverletzung / Schmerz (mechanisch, chemisch, thermisch).

Sensorische Informationen aus viszeralen Organen gelangen auch über Spinalnerven in das ZNS, z.B. betreffend muskuläre Chemosensitivität.

Abhängig von der Umweltsituation steuert das autonome System u.a.

     Endogene Rhythmen, wie die Schlaf-Wach-Folge,

     Kreislauffunktion,

     Atemtätigkeit,

     Ernährung / Verdauungsfunktionen,

     Blasenmotorik,

     Genitalreflexe,

     Hautdurchblutung,

     Pupillenweite und Akkommodation.


Das autonome Nervensystem versorgt glatte Muskulatur (Iris- und Ziliarmuskel, Bronchien, Darmmuskulatur, Urogenitaltrakt), Herzmuskel und Drüsen efferent und afferent. Afferente Fasern vermitteln z.B. Informationen über die Dehnung der Lunge, Blutgase, Blutvolumen und Blutdruck, Nahrung und Verdauungssystem, Füllung von Blase und Mastdarm.

Ganglienzellen erhalten auch Impulse von afferenten Fasern, so dass der Zustand der Peripherie (z.B. der Niere) in die efferente Steuerung für den postganglionären Ausgang einbezogen wird.


Bei autonomen Afferenzen sind zahlreiche Neurotransmitter im Spiel (Glutamat, VIP, CCK, Somatostatin, Substanz P, ATP, CGRP?). Solche afferente Information kann durch Enkephaline blockiert werden.
  
Zentren und Reflexe
 
Das autonome Nervensystem wird von einem zentralen Netzwerk gesteuert, das sich durch das gesamte Gehirn erstreckt und dessen Komponenten miteinander verknüpft sind. Es erhält Afferenzen aus der viszeralen Körperperipherie ( Abbildung) und projiziert auf diese zurück (nächste Abbildung).
 

Abbildung: Afferenzen aus der Peripherie zum zentralen autonomen Netzwerk
Nach einer Vorlage in Kandel / Koester / Mack / Siegelbaum (eds), Principles of Neural Sciences, 6th ed. 2021 (McGraw Hill)

Neuronale Information aus den Eingeweiden (viszerale Sensibilität) gelangt über Splanchnicus- und Hirnnerven zum nucleus tractus solitarii und weiter zu parasympathischen Neuronen (dorsaler Vaguskern, nucleus ambiguus), zur ventrolateralen medulla oblongata (Atmungs- und Kreislaufreflexe), zu Brücke (nucl. parabrachialis) und Mittelhirn (zentrales Höhlengrau) und schließlich zum Vorderhirn.
 
Die parabrachialen Kerne projizieren weiters auf zahlreiche rostral von ihnen gelegene Teile des zentralen Netzwerks, z.B. viszerale und Geschmackskerne des Thalamus (punktierte Linien)


Die zentrale Kontrolle wird von Strukturen wie präfrontaler Kortex, limbisches System (insbesondere Mandelkerne), oder dem zentralen Höhlengrau wahrgenommen. Letzteres kann z.B. im Fall einer Kampfsituation die Verteilung des Herzminutenvolumens vom gastrointestinalen System (Vasokonstriktion → Perfusionsminderung) zugunsten der aktiven Muskulatur (Vasodilatation) ändern und so die Bewältigung einer akuten Stresssituation unterstützen.

Das Frontalhirn beteiligt sich an der Steuerung autonomer Funktionen (was sich z.B. bei Stress, Angst, Schlafmangel, Nervosität zeigt) und wird seinerseits von Meldungen aus den Eingeweiden beeinflusst. Das gilt insbesondere für "überwältigende" Sensationen wie Dyspnoe (Lufthunger), Vergiftung (Übelkeit), Substratmangel (Hunger), Hyperthermie, Hypothermie, starke Dehnung der Blase (Harndrang) oder des Rectums (Stuhldrang).

Neben den in der Abbildung gezeignen Bahnen vermitteln andere Impulse aus der Peripherie an verschiedene Teile des limbischen Systems; viszerale Projektionen aus dem Rückenmark gelangen auch in den somatosensorischen Thalamus (nucl. posterolateralis ventralis). Der Hypothalamus übernimmt zahlreiche "Vermittlerfunktionen" zwischen Großhirn (Frontalkortex, limbisches System) und Hirnstammkernen.

  Zur autonomen Regulation des Kreislaufs s. dort

Ein autonomer Kern von großer Bedeutung ist der nucleus tractus solitarii (NTS) im verlängerten Mark. Seine ("zweiten") Neurone erhalten Informationen von Chemo- und Barorezeptoren sowie weitere nicht-nozizeptive Meldungen aus Thorax und Abdomen (insbesondere viszerale Afferenzen des N. vagus). Der NTS steht mit mehreren anderen Zentren (Frontalhirn, Hypothalamus, Hirnstammkerne) in Verbindung, reguliert viszerale Funktionen und beteiligt sich an zahlreichen autonomen Reflexen.
 

Abbildung: Efferenzen des zentralen autonomen Netzwerks
Nach einer Vorlage in Kandel / Koester / Mack / Siegelbaum (eds), Principles of Neural Sciences, 6th ed. 2021 (McGraw Hill)

Die hier dargestellen Bahnen ziehen direkt zu autonomen (präganglionären) Neuronen. Projektionen aus dem Hypothalamus erfolgen sowohl auf sympathische als auch auf parasympathische Nervenzellen.
 
Weitere Projektionen (nicht dargestellt) erfolgen von monoaminergen Zellgruppen des Hirnstamms (noradrenerg, serotoninerg)


Das Zentrale Netzwerk vermittelt auch konditionierte emotionale vegetative Reaktionen - spezifische Reize führen zu autonomen Antwortmustern, z.B. Tachykardie (erhöhte Pulsfrequenz).

Läsionen im Bereich der Mandelkerne (nuclei amygdaloidei) können solche erlernten Reaktionen zum Verschwinden bringen.

Das zentrale Netzwerk ist mit Neuronen, welche - direkt oder indirekt - hormonbildende Zellen beeinflussen, zum neuroendokrinen System verknüpft - insbesondere im Bereich des Hypothalamus. Hormonsysteme und autonomes Nervensystem sind eng miteinander verbunden und ihre Funktionen aufeinander abgestimmt.

In diesem Kapitel wird der neuronale Anteil des neuroendokrinen Systems dargestellt. Dieser besteht aus dem sympathischen, dem parasympathischen und dem intestinalen Nervensystem:

Einige Organe / Gewebe werden (fast) ausschließlich durch den Parasympathikus beeinflusst (Bronchien, m. sphincter pupillae), andere (fast) nur durch den Sympathikus (Blutgefäße, Schweißdrüsen, m. dilatator pupillae), andere wiederum durch beide "Schenkel" des vegetativen Systems (Speicheldrüsen, Sinusknoten im Herz). Das Darmnervensystem stellt die dritte Komponente des autonomen Nervensystems dar ( s. dort).
 

Abbildung: Vegetatives Nervensystem
Nach einer Vorlage in Banich / Compton, Cognitive Neuroscience, 4th ed. 2018, Cambridge Univ. Pressu

Der Sympathikus ist unter "Fight or flight"-Bedingungen aktiv, der Parasympathikus unter "Rest or digest"-Bedingungen. Zwischen diesen beiden Extrempolen gibt es zahlreiche Zwischenzustände, die Aktivierung einzelner Systeme kann unterschiedlich gewichtet erfolgen.
 
Die Axone präganglionärer sympathischer Neurone (in thorako-lumbalen Rückenmarkspartien gelegen) verzweigen sich, viele steigen im Grenzstrang auf und ab und erreichen zahlreiche postganglionäre (nor)adrenerge Zellen (starke Divergenz, breite Streuung von Erregunsmustern). Die (langsamer leitenden, weil nicht isolierten) postganglionären Fasern ziehen - mit Spinalnerven und Blutgefäßen - zu ihren Erfolgsorganen.
 
Parasympathische präganglionäre Zellen in Hirnstamm und Sakralmark ziehen bis zum Erfolgsorgan und schalten erst hier auf postganglionäre Zellen um, die Wirkungen sind dadurch gezielter. Im Edinger-Westphal-Kern des Mittelhirns entspringen parasympathische Fasern des III. Hirnnerven (N. oculomotorius). Diese vermitteln Pupillenverengung und Akkommodation.
 
Der nucleus salivatorius superior steuert parasympathische Faserrn des VII. Hirnnerven (N. facialis) und der nucleus salivatorius inferior solche des IX. Hirnnerven (N. glossopharyngeus) bei (Tränen- und Speicheldrüsen).
 
Der dorsale Vaguskern (X. Hirnnerv) versorgt den thorako-abdominalen Eingeweideblock (Herz, Lunge, Leber, Pankreas, gastrointestinales System bis Teile des Colons) mit parasympathischen Fasern.
 
Parasympathische Fasern für Becken- und untere Baucheingeweide (Blase, Rectum, Genitalien) entspringen aus dem Sakralmark (als Nn. erigentes) und schalten in pelvischen Ganglien (die sowohl sympathische als auch parasympathische Fasern enthalten) auf zielorgannahe postganglionäre Neuronen um


  "Vegetative Reflexe" laufen weitgehend unbewusst ab, z.B. betreffend

    Blutdruckstabilisierung

    Miktion

    Defäkation

    Anpassung der Pupillenweite und Linsenkrümmung im Auge

    Sexualfunktionen
 
Limbisches System und Hypothalamus (Koordinationsstelle für hormonelle, autonom-nervöse und Verhaltensprogramme) steuern gemeinsam das autonome Nervensystem. Ihnen sind die autonom-nervösen Zentren des Hirnstamms (Bereich autonomer Hirnnervenkerne) und Rückenmarks (Bereich des Seitenhorns) zugeordnet. Sie koordinieren sympathische und parasympathische Funktionen.

Teilsysteme können dabei - je nach erforderlichem Funktionsmuster - antagonistisch (entgegengesetzt) oder synergistisch (zusammenwirkend) aktiviert werden.

 
Die Zentren des Parasympathikus liegen im Hirnstamm und im Sakralmark (S2-4) - ”kranio-sakrales System“ (cranium = Schädel). Die Umschaltung von prä- auf postganglionär erfolgt organnah (peripher) bzw. im Organ selbst

Die Zentren des Sympathikus liegen im Thorakal- und Lumbalmark (Th1 bis L3) - ”thorako-lumbales System“; die Umschaltung erfolgt organfern (im oder in der Nähe des Grenzstrang(s), Ausnahme Nebennierenmark - s. Abbildungen).
 
Vereinfachend kann man das Funktionsgleichgewicht Sympathikus / Parasympathikus als "Fight-or-flight" vs. "Rest-and-digest" bezeichnen: Ersterer steht bei Kampf- oder Fluchtsituationen im Vordergrund (Ergotropie ), letzterer bei körperlicher Ruhe bzw. Verdauungstätigkeit (Trophotropie ).

Das efferente autonome Nervensystem hat einen vor der finalen Umschaltung in einem vegetativen Ganglion, und einen nach dieser Umschaltung gelegenen Teil. Die Ausstattung mit Rezeptoren und z.T. die verwendeten Transmitter sind unterschiedlich und daher pharmakologisch gezielt beeinflussbar.
 
Präganglionäres System
 
Präganglionäre autonome Nervenfasern sind myelinisiert; alle sind nikotionisch-cholinerg (der N2-Rezeptor-Subtyp unterscheidet sich vom N1-Subtyp an motorischen Endplatten).

Sympathische
präganglionäre Nervenfasern entspringen im Seitenhorn des Rückenmarks (1. Thorakal- bis 3. Lumbarsegment) und bilden auf postganglionären Neuronen in para- und prävertebralen Ganglien synaptische Kontakte; parasympathische entspringen im Hirnstamm und Sakralmark (S2 bis S4) und haben synaptische Kontakte auf postganglionären Neuronen in peripheren Ganglien - in unmittelbarer Nähe des jeweiligen Zielorgans.

Der präganglionäre Transmitterstoff ist Acetylcholin (wirkt auf nikotinische Rezeptoren); dabei werden unterschiedlich viele postganglionäre Zellen erreicht (Divergenz), das Verhältnis reicht von 1:4 (Ziliarganglion; relativ präzise Steuerung der Iris und des Ziliarkörpers) bis 1 zu mehrere hundert postganglionäre Zellen (Blutgefäße, Schweißdrüsen), wodurch eine starke Verbreitung auf große Gebiete erreicht wird.

Diese cholinerge Übertragung auf nikotinische NN-Rezeptoren der postganglionären Nervenzelle ist durch den - heute nur noch experimentell angewendeten - Ganglienblocker Hexamethonium blockierbar. Die Rezeptoren werden mit den Buchstaben NN charakterisiert, um sie von den - ebenfalls nikotinischen - NM-Rezeptoren an der motorischen Endplatte zu unterscheiden (diese sind durch D-Tubocurarin blockierbar). Nikotinische Rezeptoren öffnen Ionenkanäle, ihre Aktivierung depolarisiert die Zelle.
 

Abbildung: Organisation des peripheren sympathischen Systems
Nach einer Vorlage in Boron / Boulpaep: Concise Medical Physiology, Elsevier 2021
Die Axone der präganglionären sympathischen Neuronen verlassen das Rückenmark über die Vorderwurzel (zusammen mit motorischen Fasern) und laufen dann über den ramus communicans albus (albus = weiß: Markscheiden!) zu postganglionären Neuronen.
 
Der ramus communicans griseus (griseus = grau) enthält langsamer leitende postganglionär-efferente Zellen. Afferente (viszeral-sensorische) Fasern mischen sich zu sympathisch-efferenten und ziehen über die Hinterwurzel zum Rückenmark.

Präganglionäre Fasern rot, postganglionäre grün, afferente blau unterlegt



Im sympathischen (thorakolumbaren) System treten präganglionäre ("weiße", da noch etwas markhaltige) Fasern über rami communicantes albi in den Grenzstrang ein und nehmen unterschiedliche Verläufe:
  
    Sie schalten nur zum Teil auf gleicher Höhe um, viele breiten sich nach oben und unten aus und schalten auf postganglionäre Zellen; dieses Muster ist typisch für die Versorgung von Gefäßmuskulatur und Schweißdrüsen in Rumpf und Extremitäten, ferner Augen (Mydriasis!) und Thoraxeingeweiden
 
    Sie ziehen in Eingeweidenerven (Nn. splanchnici ) weiter und schalten in einem prävertebralen Ganglion um (Versorgung von Bauch- und Beckeneingeweiden)
 
    Sie ziehen bis zum Nebennierenmark und schalten erst hier auf chromaffine Zellen um, wobei diese zur Ausschüttung von Katecholaminen (4/5 Adrenalin, 1/5 Noradrenalin) angeregt werden.

Dabei treten an der postganglionären Zelle mehrere Effekte im Zeitbereich zwischen Millisekunden (Spike-Generierung) bis Minuten auf (peptiderges EPSP, Abbildung).
 

Abbildung: EPSP- und IPSP-Effekte an einer autonomen Ganglienzelle
Nach einer Vorlage bei Katzung BG, Masters SB, Trevor AJ: Basic and Clinical Pharmacology, 11th ed. McGraw-Hill 2009

Eine Elektrode in der postganglionären Nervenzelle erlaubt intrazelluläre Ableitungen des Membranpotentialverlaufs.
 
Erregung des präganglionären Neurons setzt Acetylcholin frei (rosa Pfeil) und bindet an Acetylcholinrezeptoren, die postganglionäre Zelle reagiert zunächst mit zwei EPSPs (NN-Rezeptor), wobei in diesem Beispiel das zweite überschwellig wird und ein Spike (Aktionspotential) entsteht (Millisekundenbereich).
 
Es folgt ein IPSP durch Aktivierung von muskarinischen (M2-) Rezeptoren. Dann tritt ein weiteres, M1-Rezeptor-abhängiges EPSP auf (Sekundenbereich), schließlich ein noch langsameres, peptidinduziertes EPSP (Minutenbereich)
Näheres s. dort



Einzelne präganglionäre Aktionspotentiale reichen oftmals aus, um postganglionär überschwellig zu wirken (starke EPSPs, ähnlich der Übertragungssicherheit an motorischen Endplatten). So bilden sich - analog zur motorischen Einheit - "autonome Einheiten" zur effizienten Ansteuerung bestimmter Aufgaben (wie Sudomotorik oder Vasodilatation in definierten Hautgebieten zur Thermoregulation).

Weiters exprimieren Nervenzellen in vegetativen Ganglien neben nikotinischen auch muskarinische (M) Acetylcholinrezeptoren. Diese sind über G-Proteine funktionell an Kaliumkanäle (KCNQ) gekoppelt und bewirken bei wiederholter Aktivierung (höherfrequente präsynaptische Aktivität) über mehrere Sekunden andauernde, erregungsfördernde Depolarisation ("langsame EPSPs",
Abbildung).
 

  
Acetylcholin findet sich kaum im Blut; seine Wirkungen sind lokal begrenzt und von kurzer Dauer (hohe Konzentration von Acetylcholinesterase an cholinergen Synapsen).
 

Abbildung: Präsynaptische Beeinflussung der Transmitterfreisetuung
Nach einer Vorlage in Ritter / Flower / Henderson / Loke / MacEwan / Rang, Rang & Dale's Pharmacology, 9th ed. Elsevier 2020

Links: An sympathischen Synapsen freigesetztes Noradrenalin (NA) sowie vom Zielgewebe gebildete Prostaglandine hemmen die präsynaptische NA-Freisetzung.
 
Rechts: An para
sympathischen Synapsen freigesetztes Acetylcholin (ACh) sowie von Endothelzellen freigesetztes NO hemmen die präsynaptische ACh-Freisetzung.
 
Zusätzlich können Kollateralen präsynaptischer Fasern die Transmitterfreisetzung präsynaptischer Neurone im jeweils anderen autonomen System inhibieren (heterotrope Interaktion)


Im Gegensatz zu somatomotorischen Efferenzen (motorische Vorderhornzellen), welche direkt auf ihre Zielzellen schalten (motorische Endplatten), verfügen autonom-nervöse Efferenzen (zu Muskel- und Drüsenzellen) über eine periphere Zwischenschaltung (autonome Ganglien) - ZNS-nahe beim Sympathikus und zielgewebsnahe beim Parasympathikus. Dadurch eröffnet sich die Möglichkeit vielfacher Rückkopplungen und zusätzlicher Steuerungen. An diesen autonomen Synapsen wirken nicht nur freigesetzte Transmitter und Mediatoren auf präganglionäre Fasern zurück, sondern es gibt auch wechselseitige Inhibition durch präsynaptische Kollateralen des jeweils anderen Zweigs des autonomnen Systems (heterotrope Interaktion, Abbildung). Beeinflussung der Effizienz der Transmitterfreisetzung an einer Synapse nennt man Neuromodulation.

  Über Neuromodulation in autonom-nervösen Systemen s. dort
  

Abbildung: Einige Einflüsse auf die Freisetzung von Noradrenalin aus sympathischen Ganglien
Nach einer Vorlage in Ritter / Flower / Henderson / Loke / MacEwan / Rang, Rang & Dale's Pharmacology, 9th ed. Elsevier 2020

Links: Hemmenden Einfluss üben u.a. Acetylcholin und Katecholamine (über alpha- und Dopaminrezeptoren), Purine (ATP, Adenosin), Histamin, Serotonin (5-HT), Prostaglandin E, Endorphine und Endocannabonoide aus.
 
Rechts: Anregend wirken Adrenalin (beta-adrenerg) sowie Angiotensin II



Zusätzlich zu präsynaptischer besteht die Möglichkeit postsynaptischer Neuromodulation - so wirkt z.B. der Cotransmitter Substanz P durch Senkung der K+-Leitfähigkeit (verzögert) exzitatorisch. Neuromodulation wirkt in einem Zeitbereich von Sekunden bis Tagen (im Gegensatz zu Neurotransmission, die innerhalb von Millisekunden greift).

Sowohl im sympathischen als auch im parasympathischen System unterscheiden sich präsynaptische Autorezeptoren von postsynaptischen.
 
     Dieser Unterschied kann pharmakologisch genutzt werden, wenn entsprechende Agonisten oder Antagonisten
ihre Hauptwirkung entweder präsynaptisch oder postsynaptisch entfalten. So können ganglienstimulierende Stoffe oder Ganglienblocker selektiv präsynaptisch, diverse Peptide oder Nichtpeptide postsynaptisch auf adrenerge oder cholinerge Rezeptoren wirken.
 
Postganglionäres System
 
Postganglionäre autonome Nervenfasern sind unmyelinisiert; parasympathische funktionieren muskarinisch-cholinerg, die meisten sympathischen adrenerg (Ausnahme: Muskarinisch-sympathische Innervation der Schweißdrüsen).

Zahlreiche postganglionäre Fasern haben
Auftreibungen (Varikositäten) entlang des Neuriten, aus denen die Transmitter via Exozytose in das Gewebe freigesetzt werden (folgende Abbildung). Die Entfernung zu den Zielzellen (Diffusionsstrecke) kann bis zu einigen Zehntelmillimetern betragen (synapses à distance, synapses en passant).

Besonders zahlreich sind Varikositäten entlang sympathischer postganglionärer Fasern, die ja bis zum Zielorgan teils lange Strecken überspannen (vom sympathischen Grenzstrang bis zum peripheren Zielorgan - parasympathische postganglionäre Fasern hingegen sind kurz, die Umschaltung erfolgt peripher, d.h. zielorgannahe). Sympathische Neurone setzen neben Noradrenalin Cotransmitter frei, typischerweise ATP und Neuropeptid Y. In den meisten Zielgeweben ist die Noradrenalinkonzentration proportional zur Innervationsdichte mit sympathischen Fasern (z.B. 5 bis 50 nM pro Gramm Gewebe in Herzmuskel, Samenleiter oder Milz).

Die Noradrenalinsynthese ist kurzfristig durch Inhibition des Endproduktes (Noradrenalin) auf das geschwindigkeitsbestimmende Enzym (Tyrosinhydroxylase) stabilisiert (s. dort), längerfristig (Stunden bis Tage) über Regulation der Synthese dieses Enzyms (Gentranskription).

 


Abbildung: Vorgänge an autonom-nervösen Varikositäten: Beispiel noradrenerger (sympathischer) Neuroeffektor

Nach Wehrwein EA, Orer HS, Barman SM. Overview of the Anatomy, Physiology, and Pharmacology of the Autonomic Nervous System. Compr Physiol 2016, 6: 1239-78

Varikositäten des autonomen Nervensystems setzen bei Aktivierung postganglionärer Fasern aus ihren Vesikeln gespeicherten Transmitter (z.B. Noradrenalin) in das umliegende Interstitium frei ("synapse en passant"). Dadurch erreicht eine ausreichende Menge Transmitter relativ zügig viele umliegende (glatte Muskel- oder andere) Zellen (etwa bei einer fight & flight-Reaktion).
 
Dopamin (DA) wird mittels VMAT (vesikulärer Monoamin-Transporter) aus dem Zytoplasma in Vesikel transportiert und zu Noradrenalin (NE) verwandelt ( s. dort). Strömen - erregungsbedingt - Ca++-Ionen ein, dann fusionieren Vesikel mit der Außenmembran und setzen Noradrenalin frei, zusammen mit Kotransmittern - Neuropeptid Y (NPY) und Adenosintriphosphat (ATP).
 
VAMPs (vesicle‐associated membrane proteins) befördern die Anlagerung der Vesikel, SNAPs (synaptosome‐associated proteins) unterstützen die Freigabe der Transmittermoleküle.
 
   Über den Synaptobrevin- Syntaxin- Mechanismus s. auch dort

Noradrenalin und Kotransmitter können an G-Protein-gekoppelten oder ligandengekoppelten Ionenkanalrezeptoren ansetzen. Noradrenalin kann auch mittels des Monoamintransporters NET (norepinephrine transporter) in die Varikosität zurückgelangen. Auto- und Heterorezeptoren modulieren die Transmitterfreigabe


       Vgl. dort
 
Nervenzellen in vegetativen (vor allem prävertebralen) Ganglien verarbeiten sowohl afferente als auch efferente Impulse (räumliche und zeitliche Summation). Um Aktionspotentiale auszulösen, müssen ausreichend depolarisierende Synapsenreize vorhanden sein - hemmende Impulse verzögern die Erregungsbildung dementsprechend. Unterschiedliche Eingänge werden komplex verrechnet - vegetative Ganglien sind mehr als nur "Relaisstationen".

Das Resultat dieser integrativen Leistung wird via postganglionäre Fasern in die Peripherie gesendet:
Postganglionäre Fasern sind marklos ("grau") und verlassen den Grenzstrang über rami communicantes grisei.

     Der parasympathische Transmitter ist Acetylcholin (wirkt auf muskarinische Rezeptoren vom M3-Typ). Die Rezeptoren stimulieren G-Proteine. Diese können unterschiedliche Wirkung haben:
 
     Aktivierung des IP3-Mechanismus, Anstieg des intrazellulären Calciumspiegels und Aktivierung von Proteinkinase C;
 
     Hemmung der Adenylatzyklase und Senkung des cAMP-Spiegels; oder
 
     direkte Modulierung von Kaliumkanälen durch den freigesetzten βγ-Komplex.
 
 
   Im sympathischen System wirken Katecholamine (Noradrenalin / Adrenalin ~ 20:1; adrenerge Rezeptoren), in Ausnahmefällen (Schweißdrüsen) Acetylcholin (Rezeptoren vom M3-Typ).

Hypersensitivität (supersensitivity): Kommt es zu einem Verlust der Wiederaufnahme von Noradrenalin in postganglionär- sympathische Nervenfasern, kommt es durch das längere Verbleiben des Transmitters an der betreffenden Stelle zu Übererregung (Hypersensitivität) der Zielzellen.
  
NANC
 
Andere Transmitter als Acetylcholin / Noradrenalin: So wie andere Nervenzellen, benutzen auch autonome Neurone außer den "klassischen" Transmitterstoffen auch weitere, die als NANC (non-adrenergic non-cholinergic) - autonom-nervöse Cotransmitter - bezeichnet werden. Zu diesen gehören ATP, VIP, NPY, NO (s. Tabelle). Cotransmitter können u.U. stärker wirksam sein als "klassische" Überträgerstoffe, sie wirken langsamer und länger anhaltend - ATP relativ schnell, NO mäßig rasch, NPY und VIP langsam.

Nach der Geschwindigkeit des
postganglionären Wirkungseintritts ergibt sich das folgende Muster:
  Rasche Antwort: Acetylcholin (parasympathisch), ATP (sympathisch)
  Intermediäre Antwort: NO (parasympathisch), Noradrenalin (sympathisch)
  Langsame Antwort: VIP (parasympathisch), NPY (sympathisch)
 
NANC und andere Cotransmitter

Nach Ritter / Flower / Henderson / Loke / MacEwan / Rang, Rang & Dale's Pharmacology, 9th ed. Elsevier 2020
Transmitter
Lage
Funktion
Nicht-Peptide
ATP
Postganglionäre sympathische Neurone
Rasche Depolarisierung / Kontraktion glatter Muskeln (z.B. Blutgefäße, vas deferens)
GABA

5-HT
Darmnerven
Peristaltik
Dopamin
Renale und andere sympathische Neuronen
Vasodilatation
NO
Nerven in Magen und Beckenregion
Magenentleerung
 
Erektion
Peptide
NPY
Postganglionäre sympathische Neurone Verstärkt konstriktorische Wirkung,
hemmt Freisetzung von Noradrenalin
VIP
Salivatorische parasympathische Nerven
NANC-Steuerung von Luftwegen
Vasodilatation
 
ACh-Cotransmitter
 
Bronchodilatation
GnRH Sympathische Ganglien
Langsame Depolarisierung
 
ACh-Cotransmitter
Substanz P Sympathische Ganglien
Darmnerven
Langsame Depolarisierung
 
ACh-Cotransmitter
CGRP Unmyelinisierte sensorische Neurone
Vasodilatation
 
Entzündung

Wozu mehrere Neurotransmitter? Zu den Vorteilen der Cotransmission zählt man unterschiedliche Abbaucharakteristika der beteiligten Signalstoffe (längerdauernde Effekte) und die Möglichkeit variierender Transmitterbeteiligung (getrennte Ansteuerung der Exozytose verschiedener Speichervesikelpopulationen bei unterschiedlichern Muster der Nervenentladungen).

  Zu NANC s. auch Kapitel über enterales Nervensystem, Atemwege
 
Afferenzen
 
Viszerale Afferenzen reagieren auf mechanische (Dehnung), chemische sowie Schmerzreize. Ihre Fasern ziehen u.a. wie somatische über das Hinterhorn des Rückenmarks und haben thalamische und kortikale Projektionen. Damit bilden sie nicht nur afferente Schenkel vegetativ-viszeraler Reflexe, sondern führen auch zu bewussten Empfindungen (Harn- und Stuhldrang, Übelkeit, Atemnot, Schmerz). Diese Fasern vermitteln also viszerosensible Afferenzen. Etwa 90% der viszeral-afferenten Fasern sind unmyelinisiert (C-Fasern).

Viszerosensible Afferenzen stammen von Eingeweiden, der Wand von Hohlräumen (Peritoneum etc), Drüsen und Blutgefäßen. Sie sind meist zu sympathischen oder parasympathischen Fasern kolokalisiert und werden daher oft als "vegetativ" eingestuft ("autonome sensible Nerven"); die Bezeichnung "autonom" ist aber in Hinblick auf die efferente Innervation geprägt worden. Besser ist die Bezeichnung spinal-viszerale (Äste der Splanchnicusnerven) und vagal-afferente (auch einige glossopharyngeale) Nerven (also Hirnnerven). Letztere innervieren praktisch alle Eingeweide, etwa 20% von ihnen das Respirationssystem.

Viszerale Sensibilität wird über Hirnnerven (VII - facialis, IX - glossopharyngeus, X - vagus) und über Beckennerven geleitet.
Afferenzen aus Gebieten über der Thorax- und unter der Becken-Schmerzlinie folgen parasympathischen, solche von Gebieten dazwischen sympathischen Bahnen. 
Die größte Zahl viszeraler Afferenzen finden sich im Vagusnerven, der zu 80% afferente (sensorische) Fasern enthält (Dehnungszustand von Blutgefäßen, Herzräumen, Bronchien; Chemorezeption: Blutgase, Glucosespiegel etc; Zustand und Inhalt des Gastrointestinalsystems; viszeraler Schmerz).
 
Efferenzen
 

Präganglionäre Fasern ziehen aus dem ZNS zu autonomen Ganglien außerhalb des ZNS und projizieren hier cholinerg auf postganglionäre Nervenzellen.
 

Abbildung: Autonom-nervöse Efferenzen
Nach einer Vorlage in Butler / Brown / Stephenson / Speakman, Animal Physiology - An Environmental Perspective, Oxford University Press 2021

Links: Der Zellkörper (soma) sympathisch-präganglionärer Neurone liegt im Vorderhorn des Thorakal- und Lumbalmarks. Ihre Axone schalten synaptisch auf postganglionäre Neurone - einige im Grenzstrang, einige in kollateralen Ganglien.
 
Rechts: Das parasympathische System mit seinem kranialen (Hirnnerven) und sakralen Teil. Die synaptische Projektion auf postganglionäre Neurone erfolgt organnahe (peripher)


     Sympathische Efferenzen aus dem anterolateralen Bereich der Rückenmarksegmente Th1 bis L3 gelangen zum Großteil über Blutgefäße an ihr Ziel - paravertebrale, prävertebrale und terminale Ganglien.

     Rami communicantes verbinden die paravertebralen Ganglien (22 Paare, links und rechts vor der Wirbelsäule gelegen) mit den Segmentnerven; rami communicantes albi ("weiß", markhaltig) enthalten prävertebrale, rami communicantes grisei ("grau", marklos) postganglionäre Nervenfasern. Letztere ziehen zu Schweißdrüsen und Piloerektoren in der Haut sowie zu Blutgefäßen in Haut und Skelettmuskulatur. Die Kette des sympathischen Grenzstrangs beginnt mit den Zervikalnanglien (ggl cervicale superius,

     Prävertebrale Ganglien liegen vor der Wirbelsäule im Bauch- und Beckenbereich. Sie sind entlang der Aorta angeordnet und durch zahlreiche neuronale Verbindungsstränge miteinander verbunden. Diese bilden Geflechte aus (plexus aorticus mit plexus coeliacus, mesentericus superior, renalis, uretericus, testicularis / ovaricus, mesentericus inferior, hypogastricus superior und inferior), in denen die Ganglien "eingesponnen" sind.

Man unterscheidet zahlreiche, nach Lage und Versorgungsorganen bezeichnete Ganglien:
 
Eingelagert in den sympathischen Grenzstrang finden sich folgende Paravertebralganglien:

   cervicale superius (das größte sympathische Ganglion, es enthält etwa eine Million Neurone; versorgt Auge und Speicheldrüsen),
 
   cervicale medius / inferior (versorgen zusammen mit den oberen ggl. thoracica - T1 bis T5 - Thoraxorgane (Herz, Lunge) sowie Schweißdrüsen und Piloerektoren in der Haut),
 
   thoracica (T6 bis  T12 zu ggl. coeliacum, aorticorenale, mesentericum superius, sowie zum Nebennierenmark),
 
   lumbalia (L1 bis L3 zum ggl. mesentericum inferius).

Vorgelagert - prävertebral - finden sich im Bauchraum folgende Ganglien, die miteinander über ein Geflecht von Nervenfaserbündeln (plexus coeliacus und hypogastricus) verflochten sind: Ganglion

   coeliacum (die zwei ggll. coeliaca sind die größten des autonomen Nervensystems, sie versorgen den Großteil des Verdauungstrakts - Magen, Pankreas, Leber),
 
   mesentericum superius auf der Höhe der a. mesenterica sup. (versorgt den Dickdarm),
 
   aorticorenale dexter und sinister (Nieren),
 
   spermaticum / ovaricum (Geschlechtsorgane),
 
   mesentericum inferius (unterer Dickdarm, Geschlechtsorgane)
 
   sowie weitere in den plexus hypogastricus (pelvicus) eingelagerte kleinere Ganglien (Harnblase, Urethra).
 

Abbildung: Verschaltungsschema im autonom-nervösen System
Nach einer Vorlage in Butler / Brown / Stephenson / Speakman, Animal Physiology - An Environmental Perspective, Oxford University Press 2021

Synaptische "Umschaltungen" von prä- auf postganglionäre Neurone (in einem vegetativen Ganglion) erfolgen grundsätzlich cholinerg-nikotinisch (N-Rezeptoren, nAChRs). Im parasympathischen System funktionieren auch die postganglionären Neurone (also der Effekt am Zielorgan) cholinerg, aber muskarinisch (M-Rezeptoren, mAChRs) - wie auch einige postganglionär-sympathische Fasern. Die meisten postganglionär-sympathischen Neurone arbeiten adrenerg, involvierte Rezeptoren sind vom Typ α / β



    Als Splanchnikussystem (gr. splagchna = Eingeweide) wird das von vegetativen Splanchnikusfasern versorgte Gebiet bezeichnet. Es steuert die Funktion (Durchblutung, Motorik, Sekretion) von Bauch- und Beckeneingeweiden. Der Nervus splanchnicus maior (Segmente Th5 - Th9) und minor (Th9 - Th11) sowie lumbale und sakrale Äste führen sympathische, solche zu Beckeneingeweiden parasympathische Fasern.

     Vereinzelt gibt es terminale sympathische Ganglien nahe dem Erfolgsorgan, wie Zervikalganglien im Halsbereich sowie Ganglien bei der Blase und dem Rectum.

Datüber hinaus gibt es auch einige kleine intermediäre Ganglien, vor allem i
n der thorakolumbalen Region, meist in der Nähe der rami communicantes.

Die wichtigsten Effekte sympathischer Aktivität beziehen sich auf den Kreislauf (
Tachykardie, Durchblutungssteigerung in Herz- und aktivem Skelettmuskel durch Gefäßerweiterung), die Atmung (Erleichterung der Luftströmung durch die Bronchien), hormonelle Umstellung (Stimulierung der Nebennieren, Blutzuckermobilisierung), Erweiterung der Pupillen.
 
     Parasympathische Efferenzen - präganglionäre Fasern ziehen bis in die Nähe des Erfolgsorgans, postganglionäre sind dementsprechend kurz - ziehen über

       Hirnnerven (III, VII, IX, X; 3/4 aller parasympathischen Fasern laufen über den N. vagus) oder den

       Pelvikusnerv (Nn. splanchnici pelvini - versorgen die Beckeneingeweide) an ihre Zielgewebe. 

Die Transmitter werden in Blutgefäßen, Herz, Lunge, Verdauungssystem, Hormondrüsen, Urogenitaltrakt, Haut, Sinnesorganen und Nervensystem freigesetzt und üben dort ihre spezifischen Wirkungen aus. Im Gegensatz zu den eher globalen sympathischen Effekten sind die Auswirkungen parasympathischer Aktivität enger gefasst und gezielter.

 
Beispiel: Steuerung der Harnblase
 
Das autonome Nervensystem steuert die Blasenmotorik ( Abbildung) in einer Weise, die beide Schenkel des autonomen Systems koordiniert nützt.


Abbildung: Kontrolle der Blasentätigkeit
Nach: Gulur DM & Drake MJ, Management of overactive bladder. Nature Rev Urology 2010; 7: 572-82

Vgl. dort     

Dichtigkeit:

Aktivität sympathischer Fasern aus dem Lumbalmark fördert den Tonus des inneren Schließmuskels und entspannt die Blasenwand (den Detrusormuskel). Das "Kontinenzzentrum" in der Brücke (pontines Blasenzentrum) aktiviert weiters somatomotorische Fasern im N. pudendus - diese entspringen im Onuf'schen Kern des Rückenmarks - und dadurch den äußeren Schließmuskel.


Ergebnis ist geringer Füllungsdruck und hoher Ausstromwiderstand, und dadurch Kontinenz (
Blasendichtigkeit).

Blasenentleerung:

Mit steigender Blasenfüllung nimmt der Innendruck zu, Dehnungsrezeptoren in der Wand der Harnblase werden gereízt, und afferente Impulse aktivieren das pontine "Miktionszentrum" (soferne dies von übergeordneten Zentren "freigegeben" wird).


Sympathische Neurone werden inhibiert (Hemmung des inneren Schließmuskels, Disinhibition des Detrusors), parasympathische Efferenzen aus dem Sakralmark regen den Detrusor (die Blasenwand) direkt an.
Ergebnis ist die Blasenentleerung (Miktion).

 
Was ist der Sympathikustonus?
 
Der Sympathikus sendet ständig Impulse aus, allerdings sind die Efferenzen zu den verschiedenen Organen (z.B. Muskeln, Nieren, Haut) unterschiedlich aktiv: Die Neuronengruppen im ventrolateralen Rückenmark sind organotop organisiert, ihr Erregungsgrad und Versorgungsgebiet sind jeweils situations- und organspezifisch. So kann Stresseinfluss die Hautdurchblutung drosseln (Erblassen durch Vasokonstriktion) und gleichzeitig die Muskeldurchblutung erhöhen (Vasodilatation).

Vasokonstriktorisch wirksame Fasern haben eine Grundaktivität von 0,5-1 Impulsen pro Sekunde und erreichen eine maximale Entladungsfrequenz von etwa 10/s. Die Aktivität oszilliert, die Aktionspotentiale kommen salvenartig (Skelettmuskeln) oder irregulär daher (Haut). Steigt die sympathische Aktivität zu einem Organ, dann sinkt üblicherweise dessen Durchblutung (Vasokonstriktion), der Blutinhalt des Organs nimmt ab (Verlagerung nach zentral), der periphere Widerstand nimmt zu (arterioläre Konstriktion),der Kapillardruck sinkt (präkapilläre Konstriktion, sinkende Filtration). Dieses Reflexmuster kann das Blutangebot an das Herz steigern, den arteriellen Druck erhöhen und den Kreislauf stabilisieren.

Je nach dem Einflussbereich auf die Aktivität der Neuronengruppen unterscheidet man hauptsächlich barosensitive Reflexbahnen (Ursprung Barorezeptoren, Einfluss auf Muskeln, Nieren, Baucheingeweide), thermosensitive (hypothalamische und emotionale Einflüsse auf die Durchblutung der Haut) und glukosensitive
Reflexbahnen (aktiviert durch Blutzuckerabfall und körperlliche Belastung, Adrenalinfreisetzung aus dem Nebennierenmark).

Als Symparthikustonus bezeichnet man die Frequenz der Aktionspotentiale, die über efferente sympathische Fasern laufen. Wie lässt sich diese Aktivität bestimmen? Diese Frage ist nicht trivial, denn der Sympathikus besteht aus mehreren Komponenten, die unterschiedlich aktiv sein können und deren spezifische Aktivität nur invasiv (oder gar nicht) messbar ist.

      Ableitungen von sympathischen Nervenfasern zu Muskeln (Muscle sympathetic nerve activity, MSNA) spiegeln den Zustand des Sympathikus zwar wider, die registrierte Aktivität ist aber insbesondere mit dem Baroreflex verknüpft (sie zeigt blutdruck- und atmungssynchrone Frequenzoszillationen).

      Sympathische Nervenfasern zur Haut (Skin sympathetic nerve activity, SSNA) sind hingegen durch Temperaturwechsel, Emotionen und Aufmerksamkeitswechsel beeinflusst, was wiederum MSNA-Signale nicht tangiert.
 
Die Aktivität der zuständigen Zentren und Fasern gleichzeitig und getrennt zu registrieren ist schwierig bis unmöglich. Die Aktivität des Sympathikus kann jedoch in bestimmten Situationen, insbesondere bei genereller Herausforderung ("ergotrope" Reaktionslage, insbesondere bei physischer oder auch orthostatischer Belastung) insgesamt gut abgeschätzt werden:
 

Abbildung: Registrierung der Sympathikusaktivität (MSNA, rosa Feld)
Nach: Diedrich A et al, Baroreflex physiology studied in healthy subjects with very infrequent muscle sympathetic bursts.  J Appl Physiol 2013; 114: 203-10

Sinkender Blutdruck (blaue Linie) löst über der Barorezeptorreflex einen "Burst" sympathischer Entladungen aus (roter Pfeil, synchron sinkende Dauer der RR-Intervalle).
 
Dies hebt den Blutdruck, was wiederum die Herzfrequenz verlangsamt (Dauer der RR-Intervalle nimmt zu, grüne Linie)


    In Situationen genereller Herausforderung (Muskelarbeit, fight or flight o.ä.) kommt es über die breite Aktivierung sympathischer Zentren zu hoher Aktivität sympathischer Nervenfasern. Dies kann z.B. im Bereich des Wadenbeinkopfs mit feinen, an den Fibularisnerv gebrachten Elektroden (die durch die Haut geführt werden) registriert werden (muskulär-sympathische Nervenaktivität, MSNA - Abbildung).

Dies ist eine (wenn auch invasive) Standardmethode zur Quantifizierung des "Sympathikustonus" -
zwischen MSNA und Noradrenalinspiegel im Blut besteht eine enge Korrelation, beide sind gute Indikatoren der aktuellen mittleren Sympathikusaktivität.

 
  Eine andere (ebenfalls invasive) Vorgangsweise ist die - eventuell mehrfache - Bestimmung der Noradrenalinkonzentration im Blut.

  Noradrenalin (Plasma)
0,4-2 nM/l (80-520 ng/l)
höhere Werte bei Muskelbelastung und Orthostase
(innerhalb weniger Minuten auf ein Mehrfaches der Liegewerte)

~90% des im Blut befindlichen Noradrenalins stammt aus sympathischen Nervenfasern; der Noradrenalinspiegel im Blut ist daher ein guter Indikator der aktuellen Sympathikusaktivität. Noradrenalin ist kurzlebig (biologische Halbwertszeit ~1 min) und der Blutspiegel ändert sich mit der sympathischen Aktivität entsprechend rasch.


Die Konzentration im Blut ist für Noradrenalin typischerweise 4-5mal höher als für Adrenalin, die Harnausscheidungswerte verhalten sich etwa wie 10:1.

 
  Will man sich auf nichtinvasive Abschätzungen beschränken, besteht die Möglichkeit der Analyse autonom-nervöser Wirkungen an peripheren Organen. So gibt eine Analyse von Frequenzanteilen der Herzrhythmik (Puls-, Blutdruck- oder EKG-Registrierung) Hinweise über das autonom-nervöse Gleichgewicht: Plötzliche Wechsel der Herzfrequenz deuten auf überwiegenden Einfluss des Vagus (Acetylcholin: rasche Wirkung, s. oben), langsamere auf einen eher höheren Sympathikuseinfluss hin. Das ist zwar nicht sehr spezifisch, doch kann diese Herzfrequenzvariabilität diagnostisch genützt werden.

  Unter Herzfrequenzvariabilität (HRV: heart rate variability) versteht man die physiologische Unregelmäßigkeit der Pulsrate, was mit der Verknüpfung von Atmungs- und anderen Regulationsmechanismen im Hirnstamm zusammenhängt ("respiratorische Arrhythmie": Frequenzsteigerung bei Einatmung, Absinken bei Ausatmung). Gut trainierte Menschen zeigen ausgeprägte HRV, umgekehrt kann die HRV bei bestimmten Krankheitsbildern eingeschränkt sein.

 
  Ansonsten geben die Auswirkungen auf verschiedene gut messbare physiologische Zustandsvariable, wie Herzfrequenz oder Blutdruck, Hinweise auf den bestehenden "vegetativen Tonus".

    Der vegetative Tonus steht unter dem Einfluss mehrerer Regionen im Gehirn, insbesondere des limbischen Systems (zentrale Mandelkerne).
 
Die Rolle des sympathischen Nervensystems
Über adrenerge Transmission s. dort

Die Funktionen des - im Rückenmark (präganglionär) thorakolumbal angesiedelten - Sympathikus können rasch aktiviert werden und stehen insgesamt im Zeichen komplexer Reaktionen auf Situationen, in denen intensiv umweltbezogene Aktivitäten gefordert sind:

      Leistungsanpassung (ergotrope
Reaktion). Der Sympathikus stellt Kreislauf, Atmung, Nervensystem und Stoffwechsel (Hormone) auf die Akutbedürfnisse ein, die sich durch intensive Strapazierung des Bewegungssystems ergeben

      Autonom-nervös gesteuerte Reflexe, wie solche zur Blutdruckstabilisierung oder der Kohabitation, haben sympathische Anteile. Sympathisch koordiniert ist auch die Kontinenz (Harnblase, Enddarm) - diese Funktion steht im Dienste einer situationslogischen Abdichtung in Situationen, wo Entleerung weder möglich noch erwünscht wäre

      Spezielle Funktionen betreffen soziale Signale, zu denen auch die Erweiterung der Pupille gehören kann (Mydriasis), die vom Gegenüber als Interesse oder auch Kampfbereitschaft gewertet wird.

Selektivität: Der Sympathikus kann im Normalzustand (ungestresst) gezielte organspezifische Wirkungen ausüben, bei - insbesondere lebensbedrohlichen - Bedrohungssituationen erfolgt eine generalísierte Fight-or-Flight-Reaktion.

      Über adrenerge Rezeptoren s. dort.
  

Abbildung: Wirkungen des Sympathikus
Modifiziert nach einer Vorlage bei Pearson Education 2011

Links: Verteilung auf Haut und Körperwand, rechts: Verteilung auf innere Organe


Wirkungen auf glatte Muskulatur: In der Darmwend wirken sowohl α1- als auch ß-Rezeptoren relaxierend (außer in Sphinkteren, die α1-adrenerg kontrahieren), Bronchien und Myometrium relaxieren bei Reizung von ß2-Rezeptoren, der Blasenmuskel (Detrusor) bei Reizung seiner ß3-Rezeptoren. Ansonsten reagiert glatte Muskulatur auf Reizung von α1-Rezeptoren generell mit Kontraktion - vor allem in kleinen Arterien und Arteriolen der Haut und im Splanchnikusgebiet (Erhöhung des Strömungswiderstandes). Auch viele größere Gefäße kontrahieren (Reduktion der Compliance). Gefäße in Gehirn, Herzmuskel und Lunge reagieren kaum auf sympathische Impulse. ß2-Rezeptoren in Gefäßwänden wirken über NO vasodilatierend, vor allem in der Skelettmuskulatur.
 
Wirkungen auf den Herzmuskel: Stimulation von ß1-Rezeptoren wirkt positiv auf alle Herzqualitäten (Schlagkraft, Frequenz, Leitung etc) und erhöht den Sauerstoffverbrauch des Myokards.
 
Näheres s. dort
 
Wirkungen auf den Stoffwechsel: Sympathische Stimulation steigert die Nutzung von Energiespeichern (kurzzeitig Glykogen, über längere Dauer Fett) für den Verbrauch von Glucose und Fettsäuren, deren Blutspiegel ansteigen.
 
Katecholaminspiegel im Blut: Im Vergleich zum Kontrollzustand (Ruhe, liegende Position) erhöht sich der Noradrenalinspiegel
  
     bei psychischer Belastung wie einem öffentlichen Vortrag um rund 50% - der Adrenalinspiegel steigt stärker, auf mehr als das Doppelte (bei der vortragenden Person, nicht unbedingt bei den Zuhörern ),

     bei Wechsel zu stehender Position auf etwa das Doppelte (der Adrenalinspiegel um weniger als 50%),

     bei starker Hypoglykämie (Glucose <30 mg/dl) auf knapp das Dreifache (der Adrenalinspiegel bis mehr als 20-fach),


     bei mittelschwerer körperlicher Belastung auf das Vierfache (der Adrenalinspiegel auf knapp das Doppelte).

     Daraus ist zu erkennen, dass physische Belastung (Lagewechsel, Muskelarbeit), die vor allem eine Leistungssteigerung im kardiovaskulären System erfordert, eher die noradrenerge Achse des Sympathikus anregt, psychische und metabolische (und pharmakologische, z.B. durch Nikotin oder Coffein) eher die adrenerge (Nebennierenmark).

Spitzenreiter der Anregung stellt der Zustand des hämorrhagischen Schocks dar: In dieser Situation kann der Noradrenalinspiegel mehr als 8-fach, der Adrenalinspiegel sogar 25-fach ansteigen (verglichen mit Ruhe-Kontrollwerten).

Generell regen unterschiedliche Reizprofile unterschiedliche Wirkungsprofile im Vegetativum an, d.h. "der Sympathikus" reagiert situationsspezifisch und differenziert, nicht immer in gleicher Weise.


  Tabelle: Auswirkung der Reizung von Rezeptoren im adrenergen System an verschiedenen Organen und Geweben
 


Abbildung: Beteiligung des Sympathikus an Immunantworten
Nach Rodriguez-Iturbe B, Pons H, Johnson RJ. Role of the Immune System in Hypertension. Physiol Rev 2017; 97: 1127-64

Das sympathische Nervensystem ist die Hauptverbindung von ZNS und Immunsystem. Seine Reizung erhöht Blutdruck und peripheren (systemischen) Gefäßwiderstand, das Herzminutenvolumen und die renale Wiederaufnahme von Natrium. Immunzellen exprimieren Adrenozeptoren und setzen vielleicht auch Noradrenalin frei, das die Mobilität von Lymphozyten sowie die Sekretion von Zytokinen beeinflussen kann.
 
Die Mehrzahl der immunologisch relevanten sympathischen Effekte wurde experimentell durch Infusion von Angiotensin ermittelt.

 
CD, Cluster of differentiation  IL, Interleukin   TLR, Toll-like Rezeptor


Das sympathische System hat darüber hinaus vielfache Wirkung auf das Immunsystem - dabei gibt es auch Zusammenhänge mit der Regulation der Kreislauffunktion ( Abbildung):

     Anregung des Sympathikus steigert einerseits den Blutdruck durch Erhöhung von peripherem Fließwiderstand (Arteriolentonus), Herzzeitvolumen (positive Inoptropie) und extrazellulärem Flüssigkeitsvolumen (Natrium-Rückresorption in der Niere).

     Immunzellen exprimieren andererseits Adrenozeptoren, deren Aktivierung sich u.a. auf die Bildung von Zytokinen auswirkt. Dabei können sowohl entzündungsfördernde (proinflammatorische) als auch entzündungshemmende (antiinflammatorische) Wirkungen auftreten, je nach auslösendem Reiz und Wirkungsmuster.

Der von der Milz produzierte plazentare Wachstumsfaktor (PlGF) kann sich an Blutdrucksteigerung und Immunzellen-Invasion des Nierengewebes beteiligen. Auf diesem Wege kann der Sympathikus in das Abwehrgeschehen eingreifen, u.U. in schädlicher Weise (Bluthochdruck, Entzündung).

Der Parasympathikus beteiligt sich hingegen an anti-inflammatorischen Mechanismen - Immunzellen exprimieren u.a. cholinerge Rezeptoren.


Die Rolle des parasympathischen Nervensystems
Über cholinerge Transmission s. dort
  
Der Parasympathikus (kranio-sakrales System, ursprünglich als "Nebensystem" zum Sympathikus aufgefasst, daher die Bezeichnung) dient der
Regeneration (rest and digest - trophotrope Reaktion). Die Steuerung des Darmnervensystems erfolgt vorwiegend über parasympathische Anteile.

Die prä- zu postganglionäre Umschaltung erfolgt organnahe, d.h. vom Rückenmark entfernt (ggl. ciliare zum Auge, ggl. pterygopalatinum zur Tränendrüse, ggl. submandibulare und ggl.
oticum zu Speicheldrüsen), oder direkt im Erfolgsorgan (Herz, Lunge, Leber, Darm, Urogenitalsystem).
  

Abbildung: Wirkungen des Parasympathikus
Modifiziert nach einer Vorlage bei Pearson Education 2011


     Parasympathische Anteile findet man in mehreren vegetativen Reflexen (Kohabitation, Miktion, Defäkation)
 
     Dazu kommen spezielle Aufgaben, z.B. Kontraktion des Ziliarmuskels (Akkommodation) und der Iris (Miosis)
 
     Der Parasympathikus verfügt über ein System von Nervenfasern, die gefäßerweiternd (vasodilatierend) wirken. Über Hirnnerven werden so arterielle Gefäße in Gehirn, Herzmuskel, Speicheldrüsen, Pankreas (exokrin) und gastrointestinale Mukosa parasympathisch beeinflusst; und aus dem Sakralmark Genitalien, Blase und Colon. Die aus der peripheren ganglionären Umschaltung entspringenden, kurzen postganglionären Fasern haben (so wie sympathische) Varikositäten, aus denen die Transmitter freigesetzt werden.

Freigesetzt werden Acetylcholin (Wirkung auf muskarinische M3- Rezeptoren), VIP, Substanz P und/oder NO. Die Wirkung in den Speicheldrüsen (über chorda tympani) erfolgt über Acetylcholin, VIP und Substanz P; diejenige in der Bauchspeicheldrüse hauptsächlich über VIP ("peptiderg"); diejenige in der Submukosa des Darms über Acetylcholin und endothelial gebildetes NO. Die Wirkung auf die Gefäße der Schwellkörper ist nitriderg.
 
     Die (relative) Aktivität des Parasympathikus kann über die Ermittlung der Herzfrequenzvariabilität (Zeit- oder Frequenzdomäne) abgeschätzt werden.
 
    
  Über Parasympathikolyse (Atropineffekt) s. dort.
 
Die Bezeichnung "Sympathikus" und "Parasympathikus" geht auf Galen zurück. Er meinte, dass Wirkungen auf einen Teil des Körpers auch andere Teile in Mitleidenschaft ziehen ("Sympathie der Teile"), und Reflexe wurden in diesem Licht gesehen (als "Sympathikus" wurden ursprünglich alle autonomen Reflexe eingeordnet). Später wurde der kraniosakrale Teil des autonomen Nervensystems als "Neben- (Para-) Sympathikus" definiert (John N. Langley)
 
  Tabelle: Auswirkung der Reizung von Rezeptoren im muskarinergen System an verschiedenen Organen und Geweben

 

 
      Das autonome (sympathische, parasympathische und intestinale) Nervensystem steuert innere Organe. Der Sympathikus unterstützt die Anpassung an wechselnde Anforderungen des Organismus (Sauerstoff- und Substrattransport für Kampf- oder Fluchtreaktionen, Schärfung der Sinne). Der Parasympathikus dient der Aufrechterhaltung eines inneren Milieus und zeigt im Gegensatz zum Sympathikus kaum Divergenz (präzise Steuerung). Eine Blockade peripherer autonomer Nerven führt (im Gegensatz zur Skelettmuskel) nicht zu totalem Funktionsausfall des betroffenen Gebietes, Drüsen- und glatte Muskelzellen erhalten ihre Spontanaktivität
 
      Afferenzen aus Eingeweiden bringen sensorische Information zum ZNS und laufen über zwei Stränge: Das kraniale System über Hirnnerven zum Hirnstamm, das spinale System zum Rückenmark. Diese Afferenzen (Dehnung der Lunge, Blutgase, Blutvolumen und Blutdruck, Nahrung und Verdauungssystem, Füllung von Blase und Mastdarm) ermöglichen autonome Reflexe - über das kraniale System hauptsächlich für Mechano- und Chemosensibilität, das spinale System vorwiegend betreffend Temperatur / Gewebeverletzung / Schmerz. Die Afferenzen beeinflussen endogene Rhythmen, Kreislauf und Atmung, Verdauung, Blasenmotorik, Genitalreflexe, Hautdurchblutung, Pupillenweite, Akkommodation. Autonome Efferenzen steuern glatte Muskulatur (Iris, Ziliarmuskel, Bronchien, Darmmuskulatur, Urogenitaltrakt), Herzmuskel und Drüsen
 
      Limbisches System und Hypothalamus steuern das autonome Nervensystem. Je nach Funktionsmuster werden Teilsysteme antagonistisch oder synergistisch aktiviert. Das Funktionsgleichgewicht Sympathikus / Parasympathikus entspricht der Balance Ergotropie / Trophotropie. Parasympathische Neuronengruppen liegen im Hirnstamm und im Sakralmark (S2-4, kraniosakrales System), die prä- auf postganglionäre Umschaltung erfolgt organnah. Sympathische Neuronengruppen liegen im Thorakal- und Lumbalmark (T1 bis L3, thorakolumbales System), die Umschaltung erfolgt im oder in der Nähe des Grenzstrang(s)
 
      Präganglionärer Transmitter ist generell Acetylcholin, die Rezeptoren nennt man nikotinisch. Die Wirkungen sind lokal begrenzt und von kurzer Dauer. Die Divergenz prä- auf postganlionär reicht von 1:4 (Ziliarganglion: hohe Präzision) bis 1: mehrere hundert (Blutgefäße, Schweißdrüsen). In den Ganglien erfolgt die Verrechnung zahlreicher Eingänge; postganglionäre Neuronen verteilen entsprechende Impulse auf die Peripherie. Varikositäten sezernieren via Ca++-Ionen, VAMPs und SNAPs den jeweiligen Transmitter zusammen mit Kotransmittern in das umliegende Interstitium. Postsynaptisch- parasympathisches Acetylcholin wirkt auf muskarinische (mit VIP, NO), sympathische auf adrenerge Rezeptoren (mit NPY, ATP). Kotransmitter wirken langsam, aber effektiv
 
      Die Blasenmotorik wird vom autonomen System gesteuert. Der Sympathikus (lumbal) unterstützt die Dichtigkeit: Er fördert den Tonus des inneren Schließmuskels und entspannt die Blasenwand (geringer Füllungsdruck). Das  pontine Kontinenzzentrum aktiviert über den Onuf'schen Kern im Rückenmark somatomotorische Fasern im N. pudendus und damit den äußeren Schließmuskel (hoher Ausstromwiderstand). Dehnungsrezeptoren in der Wand der Harnblase melden steigenden Blasendruck an das pontine Miktionszentrum, bei Freigabe des Detrusionsreflexes durch höhere Zentren wird die sympathische Aktivität gehemmt, die parasympathische angeregt (Miktion)
 
      Der Sympathikustonus kann unterschiedlich abgeschätzt werden: Ableitung der Aktivität sympathischer Efferenzen (MSNA, SSNA) , Noradrenalinspiegel in Blut oder Harn, Herzfrequenzvariabilität. Der Anstieg der Katecholaminspiegel im Blut hängt von der Art der Belastung ab (psychische Belastung: NA um die Hälfte, A ~2fach; Wechsel zu stehender Position: NA ~2fach, A um die Hälfte; körperliche Belastung NA ~4fach, A ~2fach; starke Hypoglykämie NA ~3fach, A ~20-fach; hämorrhagischer Schock NA ~8fach, A ~25fach). Physischer Stress regt eher die noradrenerge (Sympathikus), psychischer und metabolischer eher die adrenerge Achse an (Nebenniere)
 
      Der Parasympathikus fördert Regenerationsprozesse und verwaltet spezielle vegetative Reflexe. Er schont Organe (respiratorische Säuberungsfunktion, Schutz der Augen), spart Energie (Herzverlangsamung) und wirkt anregend auf Verdauungssystem, Blase und Rektum.
 

 




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