Die Förderleistung des Herzens ist auf die Kreislaufsituation abgestimmt. Diese Harmonisierung erfolgt zum Teil durch das Herz selbst (autonom), zum Teil über das Vegetativum und hormonelle Steuerung.

Eine unmittelbare Anpassung der Herzleistung an die aktuelle Kreislaufsituation erfolgt über die Volumenbelastung (preload): Auf eine Zunahme der diastolischen Füllung (Vorlast) reagiert der Herzmuskel mit erhöhter Schlagkraft. Dieser Mechanismus ist autonom, er funktioniert auch ohne nervöse oder humorale Beeinflussung. Durch ihn steigt entweder das Schlagvolumen (bei gleichbleibender Nachlast), oder es wird gegen einen höheren Druck im Arteriensystem (Nachlast) ausgeworfen.
 

Die Kontrolle sympathischer und parasympathischer Aktivität unterliegt Rückkopplungseffekten aus der Peripherie. Das Kreislaufzentrum liegt im Hirnstamm: Der nucl. tractus solitarii erhält Afferenzen aus der Peripherie (Gefäße, Herz, Skelettmuskeln) und der area postrema (chemorezeptorisches zirkumventrikuläres Organ hinter dem nucl. tractus solitarii).

Reizung von Barorezeptoren regt den dorsalen Vaguskern sowie den nucleus ambiguus an (Blutdrucksenkung, Herzbremsung) und hemmt das vasokonstriktorische Zentrum (Vasodilatation); Muskeltätigkeit regt umgekehrt den Sympathikus an.
Präganglionäre sympathische Fasern verlassen das Rückenmark in T1-T4 und schalten in paravertebralen Ganglien um. Die wesentlich längeren postsynaptischen Fasern erreichen das Herz über große Gefäße. Sie innervieren alle Teile des Herzens. Schrittmachergewebe wird vor allem von rechtsseitigen, die Ventrikel vor allem durch linksseitige Fasern versorgt.

Die Aktivität sympathischer Fasern zum Herzen steigt in Situationen wie Orthostase, Stress, Muskelarbeit, Blutverlust. Der Effekt an den Herzmuskelzellen ist eine Steigerung der zytosolischen [Ca⁺⁺] und damit eine Erhöhung des Prozentsatzes systolisch aktivierter Myosin-Querbrücken (erhöhte Kontraktilität und Auswurffraktion, verringertes Restvolumen). Gleichzeitig steigt die Aktivität der SERCA-Pumpe durch Inaktivierung von Phospholamban, sodass sich der Muskel rascher entspannt (verkürzte Systolendauer). Auch der enddiastolische Druck nimmt ab.

Im Gegensatz zu einer Schlagvolumensteigerung durch den Frank-Starling-Mechanismus - der vermehrte diastolische Füllung voraussetzt - nimmt der Ventrikeldurchmesser bei sympathischer Stimulierung ab (nicht zu), und zwar sowohl systolisch als auch diastolisch.

Die Steigerung des Schlagvolumens - insbesondere bei körperlicher Belastung - hängt von mehreren Faktoren ab (Grad der Belastung, Alter der Person, Qualität der koronaren Durchblutung). Auch die Körperlage spielt eine Rolle: Während sich das Schlagvolumen bei aufrechter Körperposition deutlich steigern lässt, ist das im Liegen kaum möglich, weil dann die ohnehin schon starke diastolische Füllung nicht wesentlich erhöht werden kann.

Außer der Kontraktilität (positive Inotropie) steigen unter Sympathikuseinfluss Herzfrequenz (positive Chronotropie) und Überleitungsgeschwindigkeit (positive Dromotropie). Die Erregbarkeit nimmt zu (positive Bathmotropie), der Ventrikel erschlafft rascher und vollständiger (positive Lusitropie).

Der parasympathische dorsale Vaguskern und nucleus ambiguus senden mit dem Vagusnerven lange präganglionäre Fasern bis zum Herzen und wirken hier vor allem bremsend auf das Reizleitungssystem (rechter Vagus vorwiegend auf Sinusknoten, linker auf AV-Knoten, >Abbildung oben). Parasynpathische Efferenzen senken vor allem die Herzfrequenz (negativ chronotrope Wirkung); die Ruhefrequenz von ~60/min ist durch den Vagustonus bedingt, die Spontanfrequenz eines isolierten Sinusknotens liegt bei ~100/min.
   

<Abbildung: Nucleus tractus solitarii und zentrale Kreislaufsteuerung
Nach einer Vorlage in Boron / Boulpaep, Medical Physiology, 1st ed. Saunders 2003

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Afferenzen von Mechanorezeptoren in Carotissinus und Aortenbogen (Hochdruckrezeptoren) sowie dem Herzen senden an den nucleus tractus solitarii druckproportionale Aktionspotentialfrequenzen (PD-Fühler). Von hier gelangen Steuerimpulse an kardioinhibitorische und vasomotorische Neuronengruppen.

Die Efferenzen sind - bei Druckabfall - sympathisch (Herzanregung, Vasokonstriktion, Adrenalinausschüttung aus der Nebenniere) oder - bei Druckerhöhung - parasympathisch (sinkende Pulsfrequenz)

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Rezeptoren in der Wand des Karotissinus und des Aortenbogens sind - wie die meisten Sinnesrezeptoren - PD-Fühler, d.h. sie antworten nicht nur entsprechend dem Betrag des Reizes (proportional), sondern sprechen auch auf dessen Änderung an (differentiell). Sie reagieren auf Dehnung der Gefäßwand (infolge arterieller Drucksteigerung) mit erhöhter Aktionspotenzialfrequenz.

Die Afferenz zum Kreislaufzentrum im Hirnstamm (<Abbildung)
 
     nucleus tractus solitarii: Afferenz von Barorezeptoren, Efferenz zu nucl. ambiguus und ventrolaterale medulla;
 
     nucleus ambiguus: Afferenz von nucl. tractus solitarii, Efferenz zu N. vagus;
 
     ventrolaterale medulla: Efferenz zu Sympathikus
 
läuft über den IX. (von Carotisrezeptoren) und X. Hirnnerven (von Aortenrezeptoren).

Da der arterielle hydrostatische Indifferenzpunkt etwa auf Höhe des Aortenbogens liegt, reagiert vor allem der Karotissinus auf Lageänderung des Körpers (liegend <=> aufrecht).

Vasodilatation führt zu stärkerer Füllung der Kapazitätsgefäße und damit Druckentlastung in den Vorhöfen.
 
Die Kontraktilität des Herzmuskels wird durch parasympathische Fasern nur schwach beeinflusst, eine maximale
Parasympathikusaktivität kann jedoch die Schlagkraft der Ventrikel um bis zu 38% reduzieren. Parasympathische Fasern hemmen die Aktivität sympathischer Efferenzen; das gilt auch vice versa (cross-inhibition).

 
Man unterscheidet folgende Kriterien zur Beurteilung der Herzfunktion ("Herzqualitäten") - vgl. dort:

     Inotropie : Einfluss auf die Schlagkraft (inotrope Wirkung - mit dem Ca⁺⁺-Einstrom durch L-Kanäle steigt die Zahl engagierter Myosin-Querbrücken und damit die Kontraktionskraft). Positiv inotrop ("herzstärkend") wirken Katecholamine, negativ inotrop ("herzschwächend") Sauerstoffmangel und Azidose. Zur Beurteilung der Inotropie wird die maximale Druckanstiegsgeschwindigkeit im Ventrikel (pd/dt_max) herangezogen. Diese kann mittels Herzkatheteruntersuchung festgestellt werden
 

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     Chronotropie : Einfluss auf die Steilheit des Schrittmacherpotentials (>Abbildung) - Beurteilung über die Schlagfrequenz (chronotrope Wirkung). Steigende Schlagfrequenz senkt die Dauer der Diastole (Ruhe: Systolen- / Diastolendauer 1:2), um bei Tachykardien über ~160/min eine ineffektive Ventrikelfüllung, sinkende Auswurffraktion, reduziertes Herzminutenvolumen zu bedingen; im Extremfall kann Bewusstlosigkeit auftreten.
 

Die parasympathische Wirkung erfolgt sofort; Acetylcholin beeinflusst das Schrittmacherpotential unverzüglich, und Cholinesterase entfernt den Transmitter umgekehrt auch sehr zügig aus dem Extrazellulärraum - der Parasympathikuseffekt lässt sich prompt beenden. Der Sympathikuseffekt ist verzögert und schließt auch eine Erhöhung des Spitzenpotentials ein (>Abbildung), bedingt durch ß-Rezeptor-bedingte Verstärkung des Ca⁺⁺-Einstroms. Dazu kommen weitere Effekte auf Ionenkanäle (verstärkter Natriumeinstrom durch if-Kanäle, verstärkte Inaktivierung spannungsgesteuerter Kaliumkanäle)

Die Dauer der Plateauphase des Aktionspotentials hängt von der Herzfrequenz ab: Je höher letztere ist, desto kürzer dauert das Plateau, im EKG nimmt die Dauer der QT-Zeit ab
 
     Dromotropie : Einfluss auf die Erregungsleitungsgeschwindigkeit (vor allem im AV-Knoten, dromotrope Wirkung) - Beurteilung über das EKG (Länge des PR-Intervalls)
 
     Bathmotropie : Einfluss auf die Erregbarkeit (bathmotrope Wirkung) - eine Veränderung des Schwellenpotentials wirkt sich bathmotrop aus: Je höher der Potentialbetrag (Hyperpolarisierung), desto länger dauert es bis zum Erreichen des Schwellenpotentials
 
     Lusitropie : Wirkungen auf die diastolische Relaxation nennt man lusitrop (Zeit von Kontraktionsmaximum bis Erreichen der vollständigen Erschlaffung). Der lusitrope Effekt beruht vor allem auf der Wirkung von Phospholamban auf die Steuerung der Ca⁺⁺-Aufnahme in das sarkoplasmatische Retikulum durch SERCA
 
     Die Abhängigkeit der Schlagkraft von der Herzfrequenz wird als Frequenzinotropie bezeichnet ("Bowditch-sche Herztreppe"; Anreicherung von Ca⁺⁺ in den Myozyten durch transiente Überforderung des Rücktransportes erhöht wahrscheinlich die Kontraktion).
 
Das autonome Nervensystem beeinflusst die Herzqualitäten:
 
      Der (noradrenerge) Sympathikus (ß1-Adrenozeptoren) fördernd ("positiv"), z.B. steigen Schlagkraft und Herzfrequenz, die Förderleistung des Herzens nimmt zu
 
      Der (cholinerge) Parasympathikus (Vagus - muskarinische M2-Rezeptoren) dämpfend ("negativ") - er stellt das Herz auf "Schongang".
 

Blockade muskarinischer Rezeptoren führt zu Tachykardie.

 
 
<Abbildung: Autonom-nervöse Einflüsse auf eine kardiale Schrittmacherzelle
Modifiziert nach einer Vorlage in Herring / Paterson, Levick's Introduction to Cardiovascular Physiology, 6th ed. 2018

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Oben: ß₁-Rezeptoren (noradrenerg) aktivieren G_s-Proteine und Adenylatzyklase, [cAMP] nimmt zu. Erhöhter Schrittmacherstrom durch i_f-Kanäle depolarisiert die Zelle unmittelbar, über Proteinkinase A werden Ca⁺⁺-Einstrom (i_Ca-L) und Repolarisierung (i_Kv) angeregt. Der Ca⁺⁺-Pumpenhemmer Phospholamban wird inaktiviert, Ca⁺⁺ zügig in das sarkoplasmatische Retikulum evakuiert, der Herzmuskel entspannt rascher (lusitroper Effekt).
 
Propranolol ist ein ß₁-Blocker, Caesiumionen (Cs⁺) hemmen den i_f-Natriumkanal, Verapamil den L-Typ Calciumkanal.

Unten: M₂-Rezeptoren (cholinerg, kardialer Subtyp) aktivieren G_i-Proteine, deren abdissoziierte ßγ-Untereinheit aktiviert Kaliumkanäle (inward rectifier K_ACh channel), die Zelle wird in Richtung K-Gleichgewichtspotential hyperpolarisiert.
 
Gleichzeitig reduziert die α-Untereinheit die Aktivität der Adenylatzyklase (hier nicht gezeigt), damit sinkt die Öffnungswahrscheinlichkeit der i_f- und i_Ca-L-Kanäle (Natrium- und Calciumeinstrom), was das Schrittmacherpotential abflacht (vgl. >Abbildung oben)

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      Der Sympathikus (T1-4) lässt den Sauerstoffverbrauch stärker ansteigen als die Herzarbeit, d.h. er erhöht zwar die Auswurfleistung, reduziert jedoch dabei die Effizienz der Herztätigkeit. Das limitiert die Nützlichkeit von ß-Agonisten zur Schockbekämpfung: gesteigerter Sympathikustonus - wie er bei Myokardinfarkt auftritt - hebt den Sauerstoffbedarf des (verletzten!) Gewebes an.
 
Katecholamine binden an ß1-Rezeptoren (<Abbildung), diese
 
      aktivieren die Adenylatzyklase (cAMP) und Proteinkinase A. Das öffnet L-Typ-Ca⁺⁺-Kanäle und dies verstärkt den Calciumeinstrom aus dem Interstitium.
 
      Weiters wird SERCA-2a (eine Ca⁺⁺-ATPase) in der Membran des sarkoplasmatischen Retikulums aktiviert; dadurch wird Calcium schneller aus dem Sarkoplasma zurückgepumpt, die Faser erschlafft schneller und die nächste Kontraktion wird durch erhöhte Calciumfreisetzung intensiviert.

Beides steigert die Kontraktionskraft des Myokards (positiv inotroper Effekt).
 

Katecholamine bewirken verbesserte Verfügbarkeit von Calciumionen und damit einen positiv inotropen (kontraktionsstärkenden) Effekt.

   
      Parasympathische Einflüsse (nucl. dorsalis der medulla oblongata > N. vagus) werden über muskarinische M₂-Rezeptoren vermittelt (<Abbildung), die reichlich an den Vorhöfen und am Reizleitungssystem vorkommen, kaum im Ventrikel. Die α-Untereinheiten reduzieren die Aktivität der Adenylatzyklase und senken die Konzentration an cAMP, damit sinkt die Öffnungswahrscheinlichkeit der i_f- und i_Ca-L-Kanäle (Natrium- und Calciumeinstrom), was das Schrittmacherpotential abflacht. Die ßγ-Untereinheiten aktivieren Kaliumkanäle (inward rectifier K_ACh channel), die Zelle wird in Richtung K-Gleichgewichtspotential hyperpolarisiert.

Die Ruhefrequenz hochtrainierter Menschen ist wegen ihres erhöhten Vagustonus herabgesetzt (Bradykardie: "Sportlerherz"). Hauptgrund ist die Verflachung des Schrittmacherpotentials, die Hyperpolarisierung hat einen geringeren Anteil am Bradykardieeffekt.

Parasympathische Effekte treten prompt auf und verschwinden mit dem raschen Abbau von Acetylcholin auch sehr schnell. "Respiratorische Arrhythmie" (Sinusarrhythmie - Abnahme der Herzfrequenz bei Ausatmung) ist durch Oszillationen des Vagustonus (nicht des Sympathikustonus) erklärbar. Vagal bewirkte Bradykardie ist auch Bestandteil des Tauchreflexes. Bei einer vasovagalen Synkope ist es der hohe Vagustonus, der den Herzschlag aussetzen lässt.

Intensive Parasympathikuswirkung kann Dysrhythmien, Überleitungsblock oder Herzstillstand (Beispiel Bolustod: Herzstillstand durch Übererregung im Rachenbereich und extreme Parasympathikusstimulation) zur Folge haben.
 
 

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Präsynaptische Interaktionen: Wie an zahlreichen anderen Stellen im Körper, dämpfen einander auch am Herzen entgegengesetzte Regelungseffekte wechselseitig. Das verhindert überschießende Reaktionen und stabilisiert das Systemverhalten (“accentuated antagonism”).

Diese reziproke Inhibition spielt sich zwischen sympathischen und parasympathischen Fasern auf präsynaptischer Ebene ab (>Abbildung). Noradrenalin (aus sympathischen Fasern) hemmt über α2-Adrenozeptoren parasympathische Neuronen, und Acetylcholin (aus parasympathischen Fasern) über muskarinerge Rezeptoren sympathische Nervenzellen - beides knapp vor der Herzmuskelzelle.

Autorezeptorvermittelte Selbsthemmung: Darüber hinaus inhibieren in den Extrazellulärraum freigesetzte Transmitter ihre eigene weitere Freisetzung: Noradrenalin über präsynaptische α2-, und Acetylcholin über präsynaptische M-Rezeptoren. Auch dadurch wird einem überschießenden Systemverhalten vorgebeugt.

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Der Baroreflex verstärkt den Effekt des Starling-Mechanismus noch, indem er die Vorlast des Herzens durch Tachykardie weiter senkt. Der Wirkungsbereich des Starling-Mechanismus konzentriert sich auf niedrige Füllungswerte des Ventrikels.

     Hoher Volumenbereich (gelbe Felder, rechts): Bei zunehmendem Herzminutenvolumen supprimiert der Baroreflex eine weitere Stärkung durch den Starling-Mechanismus und kompensiert dessen Effekt - die Schlagvolumenskurve verflacht (blau).

Andererseits steigert der Bainbridge-Reflex die Herzfrequenz mit zunehmender kardialer Blutfüllung.
 
Ergebnis dieser drei Mechanismen (Barorezeptorreflex, Starling-Mechanismus, Bainbridgereflex): Das Herzminutenvolumen (rote Kurve) nimmt mit dem zentralen Blutvolumen stetig zu. Man sieht, das dies nicht auf einen Mechanismus alleine, sondern auf das Zusammenwirken mehrerer Mechanismen zurückzuführen ist.

Baroreflex, Bainbridge-Reflex und Starling-Mechanismus sind nur drei von zahlreichen weiteren Einflüssen auf die autonome Herztätigkeit. Dazu zählen Vorlast und Nachlast, die wiederum abhängen von Faktoren wie Blutvolumen, Gefäßcompliances, und Strömungswiderstandswerten ( s. dort).

Diese Faktoren sind ihrerseits beeinflussbar durch den Blutspiegel vasoaktiver Stoffe - wie Angiotensin, Vasopressin, Adrenalin, oder lokalen Mediatoren (z.B. NO, Endothelin).

Weiters wirken Aldosteron und natriuretische Peptide auf den Elektrolythaushalt und damit einerseits auf Flüssigkeitsvolumina (Kochsalz ... extrazelluläres Volumen), andererseits auf Membranpotentiale und -erregbarkeit (Natrium: Einstrom erzeugt Aktionspotential; Kalium: Ausstrom erzeugt Ruhepotential; Calcium: Einstrom depolarisiert die Zelle, wirkt als second messenger sowie unmittelbar anregend, z.B. auf Kontraktion, Sekretion).

Der nucleus tractus solitarii erhält Afferenzen von Barorezeptoren (Carotissinus, Aortenbogen, Herz) und projiziert auf den nucl. ambiguus (Efferenzen zu Vaguskernen) und die ventrolaterale medulla (Efferenzen zum Sympathikus). Sympathische Fasern (T1-T4) innervieren alle Teile des Herzens, ihre Aktivität steigt bei Orthostase, Stress, Muskelarbeit, Blutverlust. Sie erhöhen intrazelluläre [Ca++] und damit den Prozentsatz aktivierter Myosin-Querbrücken (erhöhte Kontraktilität, verringertes Restvolumen); die Aktivität der SERCA-Pumpe nimmt durch Inaktivierung von Phospholamban zu (verkürzte Systolendauer); der Ventrikeldurchmesser nimmt sowohl systolisch als auch diastolisch ab. Sympathische Effekte beginnen verzögert und halten länger an. Sympathische Varikositäten setzen Katecholamine, Neuropeptid Y und Galanin frei und hemmen die Transmitterfreisetzung parasympathischer Endigungen         Der parasympathische dorsale Vaguskern wirkt bremsend auf das Reizleitungssystem (rechter Vagus: Sinusknoten, linker: AV-Knoten) und senkt die Herzfrequenz (Ruhefrequenz ~60/min: Spontanfrequenz des Sinusknotens ~100/min). Parasympathikusaktivität senkt auch die Schlagkraft der Ventrikel. Vasodilatation führt zu stärkerer Füllung der Kapazitätsgefäße und damit Druckentlastung der Vorhöfe. Parasympathische Effekte treten prompt auf und verschwinden auch rasch (Sinusarrhythmie durch Oszillationen des Vagustonus). Hochtrainierte Menschen haben in Ruhe einen erhöhten Vagustonus und sind bradykard ("Sportlerherz"). Parasympathische Nervenfasern setzen neben Acetylcholin auch VIP und endogene Opioide frei         Kriterien zur Beurteilung der Herzfunktion ("Herzqualitäten") sind die Inotropie (Schlagkraft: mit dem Ca++-Einstrom steigt die Zahl aktivierter Myosin-Querbrücken) - Beurteilung über den maximalen Druckanstieg im Ventrikel (pd/dtmax); Chronotropie (Herzfrequenz: Steilheit des Schrittmacherpotentials); Dromotropie (Geschwindigkeit der Erregungsleitung, vor allem im AV-Knoten) - Beurteilung über Länge des PR-Intervalls im EKG); Bathmotropie (Erregbarkeit - über Veränderung des Schwellenpotentials); Lusitropie (diastolische Relaxation - Steuerung der Ca++-Aufnahme in das sarkoplasmatische Retikulum über Phospholamban). Die Herzqualitäten werden sympathisch (via ß1-Adrenozeptoren) positiv, parasympathisch (via M2-Rezeptoren) negativ beeinflusst (vermindert). - Frequenzinotropie ist die Abhängigkeit der Schlagkraft von der Herzfrequenz ("Bowditch- Herztreppe": Anreicherung von Ca++)         Das zentrale Blutvolumen beeinflusst die Herzleistung über die Kombination mehrerer Mechanismen / Reflexe: Das Herzminutenvolumen nimmt mit dem effektiven Blutvolumen zu (Starling-Mechanismus); bei höheren Volumina durch Ansteigen der Herzfrequenz (Bainbridge-Reflex). Der Baroreflex verstärkt den Effekt des Starling-Mechanismus, indem er die Vorlast des Herzens durch Tachykardie weiter senkt. Im Ergebnis nimmt das Herzminutenvolumen mit dem zentralen Blutvolumen stetig zu

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