Humoral-neuronale Steuerung und Kontrolle von Organsystemen

Autonomes (vegetatives) 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)



Eine zentrale Koordinationsstelle für autonom-nervöse Reflexe und Steuerungen ist das limbische System, insbesondere der Hypothalamus; die Efferenzen vom parasympathischen System verlassen Hirnstamm (Hirnnerven) und Rückenmark (im Sakralbereich), die vom Sympathikus das Rückenmark (im Thorakolumbalbereich). Die Funktionen beziehen sich auf Kreislauf (Herzaktion, Blutdruckregulation), Atmung (Bronchien), Sehen (Pupillenweite, Akkommodation), Verdauung und Hormonbildung, Urogenitalsystem u.a.

Man unterscheidet ein sympathisches, ein parasympathisches und das Darmnervensystem, das einen hohen Autonomiegrad hat und komplexe Vorgänge wie z.B. die Peristaltik steuert.

Präganglionäre Fasern sind cholinerg (nikotinische Rezeptoren); die Zahl der von einer Faser beeinflussten postganglionären Neuronen ist unterschiedlich, das Verhältnis (Divergenz) reicht von 1:4 (Iris, Ziliarkörper) bis zu mehreren hundert postganglionären Zellen (Blutgefäße, Schweißdrüsen).

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 zu bewussten Empfindungen bei (Harn- und Stuhldrang, Übelkeit, Atemnot, Schmerz).

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


Zentren & Reflexe  präganglionär postganglionär viszerale Afferenzen  viszerale Efferenzen, Splanchnikussystem "Sympathikustonus" Synopsis: Sympathikus Parasympathikus

Das autonome Nervensystem (vegetatives Nervensystem, "Vegetativum" ) ist die neuronale Maschinerie, welche vor allem die Funktion der inneren Organe in Sekundenschnelle beeinflussen und koordinieren kann. Es steuert Körperfunktionen im Sinne der

  Aufrechterhaltung eines inneren Milieus (Homöostase) und der

  Anpassung an wechselnde Anforderungen der Umgebung des Organismus.
  
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.
 

>Abbildung: Vegetatives Nervensystem
Modifiziert nach Elefteriou F, Impact of the Autonomic Nervous System on the Skeleton. Physiol Rev 2018; 98: 1083-112


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 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

  "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.


Der periphere Abschnitt des autonom-nervösen Systems wird in das

  sympathische

  parasympathische und

  enterische (Darm-) Nervensystem eingeteilt. Letzteres zeichnet sich durch hohe Autonomie und funktionelle Komplexität aus (Neurogastroenterologie).
 

<Abbildung: Organisation des peripheren sympathischen Systems
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

Die Axone der präganglionären sympathischen Neuronen (rot) verlassen das Rückenmark über die Vorderwurzel (zusammen mit motorischen Fasern) und laufen dann über den ramus communicans albus (albus = weiß: Markscheiden!) zu postganglionären Neuronen (schwarz) am segmentalen oder an entfernteren Ganglien des Grenzstrangs. (Einige projizieren in das Nebennierenmark.)

Der ramus communicans griseus (griseus = grau) enthält langsamer leitende postganglionär-efferente Zellen. Afferente (viszeral-sensorische) Fasern (blau) mischen sich zu sympathisch-efferenten und ziehen über die Hinterwurzel zum Rückenmark. Somatisch-afferente Fasern sind grün unterlegt


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).



Der präganglionäre Transmitterstoff ist Azetylcholin (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:mehrere hundert postganglionäre Zellen (Blutgefäße, Schweißdrüsen), wodurch eine starke Verbreitung auf große Gebiete erreicht wird.

Diese cholinerge
Übertragung auf nikotonische 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: 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 Ableitunmgen des Membranpotentialverlaufs. Erregung des präganglionären Neurons setzt Azetylcholin frei (rosa Pfeil) und bindet an Azetylcholinrezeptoren, 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, wahrscheinlich durch Aktivierung von muskarinischen (M2-) Rezeptoren. Dann tritt ein weiteres, M1-Rezeptor-abhängiges EPSP auf (Sekundenbereich), schließlich ein noch langsameres, peptidinduziertes EPSP (Minutenbereich)


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

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) Azetylcholinrezeptoren. 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).

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

Im sympathischen 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 (rot in der <Abbildung); 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.





  Nervenzellen in vegetativen (vor allem prävertebralen) Ganglien verarbeiten synchron zahlreiche - 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.

Die Fasern haben in der Peripherie "neuroeffektorische Verbindungen", d.h. die Entfernung zu den Zielzellen kann bis einige hundert µm betragen (synapses à distance,
synapses en passant). Im sympathischen System gibt es darüber hinaus Auftreibungen ("Varikositäten" entlang des Neuriten, aus denen Noradrenalin in das Gewebe freigesetzt wird - <Abbildung).
 


<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 der postganglionären Fasern, zu denen sie gehören - aus ihren Vesikeln den hier 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.

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
 
   Der parasympathische Transmitter ist Azetylcholin (wirkt auf muskarinische Rezeptoren vom M3-Typ),

   Im sympathischen System wirken Katecholamine (Noradrenalin / Adrenalin ≈ 20:1; adrenerge Rezeptoren), in Ausnahmefällen (Schweißdrüsen) Azetylcholin (Rezeptoren vom M3-Typ).
 
Dabei werden Kotransmitter mit ausgeschüttet:

       Von sympathischen Fasern ATP (P-Rezeptoren) und Neuropeptid Y (NPY),

    
   von parasympathischen NO und vasoaktives intestinales Peptid (VIP).

Wirkungsgeschwindigkeit: ATP und Azetylcholin wirken schnell, Noradrenalin und NO mäßig rasch, NPY und VIP langsam. Kotransmitter können stärker wirksam sein
als "klassische" Überträgerstoffe.



  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.

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 und vagal-afferente Nerven. 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. 
 


Efferenzen: Die präganglionären Fasern ziehen zu Nervenzellen in Umschaltstationen außerhalb des ZNS, den autonomen Ganglien.

  Sympathische Fasern gelangen zum Großteil über Blutgefäße an ihr Ziel. Als Splanchnikussystem (gr. splagchna = Eingeweide) wird das von vegetativen Splanchnikusfasern versorgte Gebiet bzw. dessen Steuerung bezeichnet: Der Nervus splanchnicus maior (Segmente Th5 - Th9) und minor (Th9 - Th11) führen sympathische Fasern. Die prä-postganglionäre Verknüpfung erfolgt im ggl. coeliacum und mesentericum superius; von hier aus werden Durchblutung, Motorik und Sekretion im gastrointestinalen System beeinflusst.
 

>Abbildung: Funktionen der Hirnnerven


Türkis unterlegte Sektoren: Hirnnerven mit parasympathischem Anteil

  Parasympathische Fasern ziehen über

  Hirnnerven (III, VII, IX, X - >Abbildung; 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.



Wie lässt sich die Aktivität des sympathischen Systems (der "sympathische Tonus") bestimmen? Diese Frage ist nicht trivial, denn der Sympathikus besteht aus mehreren Komponenten, die unterschiedlich aktiv sein können (z.B. im Rahmen spezifischer vegetativ gesteuerter Reflexe, s. oben). Die Aktivität efferenter sympathischer Fasern ist nicht überall gleich, sondern differenziert verteilt:

  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 (blauer Pfeil) 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, grüner Pfeil)

  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 (Azetylcholin: rasche Wirkung, s. oben), langsamere auf einen eher höheren Sympathikuseinfluss hin. Das ist zwar nicht sehr spezifisch, doch kann diese Herzfrequenzvariabilität diagnostisch sinnvoll 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".
Allgemein wird der "vegetative Tonus" von mehreren Gebieten im Gehirn, namentlich dem limbischen System (zentrale Mandelkerne), beeinflusst.
 

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

Näheres s. dort


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

     Endogene Rhythmen, wie die Schlaf-Wach-Folge,

     Kreislauffunktion,

     Atemtätigkeit,

     Ernährung / Verdauungsfunktionen,

     Blasenmotorik (>Abbildung),

     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.



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

     Leistungsanpassung (fight or flight, 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 aus 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.
 


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

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

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

     bei starker Hypoglykämie (Glukose <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.

Die nachfolgende Tabelle gibt eine Übersicht über die Auswirkung der Reizung von Rezeptoren im adrenergen System an verschiedenen Organen und Geweben:

 

Wirkung
Organ

Rezeptor
Trans-
duktion

Wirkung (vermittelt durch α-Adrenozeptoren) Rezeptor
Trans-
duktion
Wirkung (vermittelt durch ß-Adrenozeptoren)
Herz
Sinusknoten



ß1 > ß2
positiv chronotrop (Schlagfrequenzerhöhung)
AV-Knoten



positiv dromotrop (beschleunigte Erregungsleitung)
Purkinje-Fasern



erhöhte Automatie (positiv bathmotrop)
Arbeitsmyokard
α1
positiv inotrop
positiv inotrop / lusitrop (verstärkte Schlagkraft, verbesserte Entspannung)
Blutgefäße *)

α1 > α2 Gq Vasokonstriktion (Arterien, Venen)
ß2 > ß1 Gs Vasodilatation
(Koronararterien, Arterien im Skelettmuskel)
Bronchialsystem
glatte Muskulatur
α1
Konstriktion
ß2 > ß1
Dilatation
Drüsen



ß1, ß2
Sekretion
Flimmerepithel



ß2 Gs Zilienschlag beschleunigt
Mastzellen



gehemmte Mediator-Freisetzung
Magen-Darm-Trakt
glatte Muskulatur
α1 Gq Kontraktion zirkuläre Muskulatur / Sphinkteren
ß1, ß2 Gs Relaxation
α2 Gi Motilitätssenkung
Relaxation

Drüsen
α1 Gq seröse Sekretion
muköse Sekretion (Protein-Exozytose)
Harnblase

α1 Gq Kontraktion Blasenhals / proximale Urethra (m. spincter internus)
ß2 Gs Relaxation m. detrusor
Prostata
glatte Muskulatur
α1 Gq Kontraktion



Ductus deferens

α1 Gq Kontraktion
ß2
Relaxation
Uterus

α1 Gq Kontraktion
ß2 Gs Relaxation (abhängig von Hormonstatus)
Auge
m. dilatator pupillae
m. tarsalis
m. orbitalis
α1 Gq Kontraktion (Mydriasis)
Lidstraffung
Bulbusprotrusion



Mm. arrectores pilorum

α1
Kontraktion ("Gänsehaut")



Skelettmuskulatur

Glykogenolyse



ß2
Steigerung
Proteinsynthese



ß2 (?)
Steigerung
Na+-K+-ATPase



ß2 > ß1
Aktivierung (→ Hypokaliämie)
Tremor



ß2
Steigerung
Speicheldrüsen

α1 Gq Sekretion von serösem Speichel (K+, Wasser)
ß1
Sekretion von Amylase
Niere




ß1
Reninfreisetzung
Leber
Glykogenolyse
Glukoneogenese
α1
Steigerung (→ Hyperglykämie)
ß2 Gs Steigerung (→ Hyperglykämie)
Fettgewebe
Lipolyse
α2
Hemmung
ß1, ß2, ß3 Gs Steigerung
braunes Fettgewebe: Thermogenese
Pankreas
Insulinfreisetzung
α2
Hemmung
ß2
Steigerung
Glukagonfreisetzung



Steigerung
Thrombozyten
Aggregation
α2
Förderung
ß2
Hemmung
Noradrenerge Axone

α2
Autorezeptoren: Hemmung der Transmitterfreisetzung
ß2
Steigerung der Transmitterfreisetzung
Axone mit anderen Transmittern
Azetylcholin, Serotonin, Substanz P,..
α2
Hemmung der Transmitterfreisetzung


Nebennierenmark

α2
Hemmung der Katecholaminfreisetzung



Zentralnervensystem

α1
Steigerung der Aktionspotentialfrequenz im Sympathikus




α2
Aktionspotentialfrequenz im Sympathikus gesenkt, in kardialen Vagusästen erhöht
Sedierung, Analgesie



Haut
Mm. arrectores pilorum
α1 Gq Kontraktion ("Gänsehaut")




*) Weitere Überträgerstoffe an Blutgefäßen:
ATP (P2X; Depolarisation; Haut, Schleimhäute, Skelettmuskel, Intestinaltrakt)
Azetylcholin (M3; Vasodilatation; Skelettmuskel)

Kombiniert nach: Aktories / Förstermann / Hofmann / Starke, Allgemeine und spezielle Pharmakologie und Toxikologie, 11. Aufl. Urban & Fischer 2013; Behrends et al, Duale Reihe Physiologie, 3. Aufl, Thieme 2016
 



>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

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.


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


  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

     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)

     Die (relative) Aktivität des Parasympathikus kann über die Ermittlung der Herzfrequenzvariabilität (Zeit- oder Frequenzdomäne) abgeschätzt werden.
 
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).

       Über Parasympathikolyse (Atropineffekt) s. dort.


Die nachfolgende Tabelle gibt eine Übersicht über die Auswirkung der Reizung von Rezeptoren im muskarinergen System (im Allgemeinen parasympathisch, bei den Schweißdrüsen sympathisch) an verschiedenen Organen und Geweben:

Organ

Rezeptor
Trans-
duktion
Wirkung
Herz


Sinusknoten
M2
Gi
negativ chronotrop (Pulsfrequenzsenkung)
Arbeitsmyokard Vorhof
negativ inotrop (Verringerung der Schlagkraft)
AV-Knoten
negativ dromotrop (herabgesetzte Erregungsleitungsgeschwindigkeit)
Purkinje-Fasern
gering negativ dromotrop
Arbeitsmyokard Ventrikel
gering negativ inotrop
Blutgefäße

M3 (Endothel)

Vasodilatation (überwiegend über NO)
Bronchialsystem
glatte Muskulatur
M3
Kontraktion
Drüsen
M3
Sekretion
Magen-Darm-Trakt
glatte Muskulatur M3 Gq
Steigerung der Motilität, meist mit Erschlaffung der Sphinkteren
Drüsen
Sekretion
Gallenblase, m. sphincter Oddi



Kontraktion
Ureteren



Steigerung der Motilität
Harnblase

M3 Gq Kontraktion des m. detrusor, mit Verminderung des Auslasswiderstandes
Auge
m. sphincter pupillae
M3 Gq
Kontraktion (→ Miosis)
m. ciliaris
Kontraktion (→ Akkommodation)
Tränendrüse

M3 Gq Sekretion
Speicheldrüsen

M3 Gq Sekretion von serösem Speichel (K+, Wasser)
Schweißdrüsen
(sympathisch)


Sekretion
autonome Ganglienzellkörper

M1
Depolarisierung (langsames exzitatorisches postsynaptisches Potential)
postganglionär-parasympathische Axone

M2, M4
Hemmung der Transmitterfreisetzung über Autorezeptoren 
postganglionär-sympathische Axone
M2, M4
Hemmung der Transmitterfreisetzung
Zentralnervensystem

M1
Förderung von Lernen und Gedächtnis
Weckreaktion, Tremor

Kombiniert nach: Aktories / Förstermann / Hofmann / Starke, Allgemeine und spezielle Pharmakologie und Toxikologie, 11. Aufl. Urban & Fischer 2013; Behrends et al, Duale Reihe Physiologie, 3. Aufl, Thieme 2016


Eine Reise durch die Physiologie


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