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Regulation des Kreislaufs

    0. Einleitung:

Die Kreislaufregulation beruht auf einem komplexen System lokaler und umfassender sowie kurz- und langfristiger Regulationssyteme. Im Sinne der besseren Übersichtlichkeit und der Begrenzung des Themas seien die lokalen Regulationssyteme hier nicht in Betracht gezogen, zumal sie für das allgemeine Verständnis der Kreislaufregulation nicht nötig sind.

Schwerpunkt (I.-III.) sei daher die kurz- bis mittelfristige Regulation des Gesamtkreislaufs (Stichwort: Baro/-Pressosensorreflex).

Die langfristigen Regulationssyteme, die auf eine Regulation des intravasalen Flüssigkeitsvolumens in Relation zur Gefäßkapazität beruhen, seien nur kurz angesprochen (IV.).

I. Grundlagen physiologischer Regelungsprozesse

Wir machen gelegentlich die Erfahrung, dass uns beim plötzlichen Aufstehen aus dem Liegen kurzzeitig ein Schwindelgefühl befällt: unter dem Einfluß der Schwerkraft versackt das Blut in die Gefäße der unteren Körperhälfte, der arterielle Blutdruck fällt kurzzeitig ab, das Gehirn wird ungenügend durchblutet und deshalb treten vorübergehend Funktionsstörungen auf. Daß solche Störungen eher selten sind, verdanken wir der automatischen Regelung des arteriellen Blutdrucks durch das Nervensystem.

Viele Funktionen des Organismus sind Regelungsvorgänge, wobei eine messbare Zustandsgröße (z.B. der Blutdruck) gegen Störungen konstant gehalten wird (~>Homöostase). Bei der Ausführung solcher Regelungsaufgaben sind das Nervensystem und/ oder das Hormonsystem wesentlich beteiligt.

Um die biologischen Regelungsvorgänge abstrakt zu beschreiben, sei sich zunächst der Regelungslehre, einer Disziplin der Technik, zugewandt.

     

Physiologische Reflexe arbeiten als biologische Regelkreise:

Viele Reflexe der klassischen Physiologie werden heute als Regelkreisläufe aufgefasst; aus der klassischen Beschreibung eines Reflexes ist jedoch die Regelungsfunktion nicht ohne weiteres ersichtlich: ein ‚Reiz’ führt über ein ‚Reflexzentrum’ zu einem stereotypen ‚Reflexerfolg’.

Diese Betrachtungsweise lässt aber drei wesentliche Tatsachen außer acht, nämlich:

      a) dass der Reizerfolg auf den Reiz zurückwirkt, also ein geschlossener Wirkungskreis vorliegt (Abb.18-1A).

      b) dass der Informationsfluß im geschlossenen Wirkungskreis kontinuirlich abläuft und nicht erst durch den plötzlichen experimentellen Reiz in Gang kommt.

      c) dass die Reaktion (der Reflexerfolg) dem auslösenden Reiz entgegenwirkt (negatives feedback, negative Rückkopplung).

 

Beim Barosensorreflex zur kurz-mittelfristigen Regulation des arteriellen Blutdrucks entsteht der geschlossene Wirkungskreis dadurch, dass die reflektorische Änderung des arteriellen Blutdrucks wieder als modifizierter Reiz auf die Barosensoren wirkt – hinter dem Reflex verbirgt sich also ein ständig ablaufender Vorgang. Reizung der Barosensoren führt reflektorisch zu einer Abnahme des Blutdrucks, die Wirkung ist also dem Reiz (hoher Blutdruck) entgegen gerichtet. Dadurch muß der Reflex zu einem stabilen Zustand des Blutdrucks führen, der nach einer Störung (z.B. Änderung der Körperlage) wieder erreicht wird.

 

Viele Reflexe arbeiten so, dass eine physiologische Größe konstant gehalten wird. Nach Störungen, die zu Veränderungen dieser Größe führen, wird sie durch die Tätigkeit des Reflexes wieder auf ihren Sollwert zurückgebracht (Abb.18-2A).  Die Regelgröße bezeichnet dabei den konstant zu haltenden Zustand, die Führungsgröße gibt den Sollwert bzgl. der Regelgröße an.

          

Man kann diesen Mechanismus mit der Raumtemperaturregelung vergleichen (Abb.18-2B).

     Auch die schnelle Regelung des arteriellen Blutdrucks über das Nervensystem entspricht einem Regelkreis; die entsprechende Elemente seien hier benannt:

  • Regelstrecke: Hochdruckbereich des Blutkreislaufs
  • Regelgröße: mittlerer arterieller Blutdruck
  • Regler: medulläre Kreislaufareale
  • Stellglieder: Herz, Wiederstandsgefäße des Kreislaufs
  • Stellgrößen: Entladungsfrequenzen in den (efferenten) sympathischen und parasympathischen Nerven zum Herzen und zu den Widerstandsgefäßen
  • Fühler: Barosensoren der Arteria carotis und der Aorta
  • Istwert: Entladungsfrequenz der Barosensoren im Sinusnerven
  • Führungsgröße/ Sollwert: Einflüsse des Gehirns auf die medullären Kreislaufzentren
  • Störgröße: Schwerkraft bei Änderung der Körperlage, Temperatur, veränderlicher Durchblutungsbedarf einzelner Organe

  

 

Der Raumtemperaturregelkreis ist ein sog. Halteregelkreis, weil ein einziger Sollwert gehalten wird. Dem Halteregelkreis steht der Folge- oder Servoregelkreis gegenüber, bei dem die Führungsgröße je nach Anforderung auch unterschiedliche Sollwerte vorgeben kann, an die dann die Regelgröße jeweils angepasst wird. (Anstieg des Sollwerts des arteriellen Blutdrucks bei körperlicher Anstrengung.)

 

 

    II. Vegetatives Nervensystem: (Abb.19-1)

Das vegetative Nervensystem innerviert hauptsächlich die glatte Muskulatur aller Organe, das Herz und die Drüsen. Die Wirkungen des vegetativen Nervensystems sind auf die neuronale Kontrolle des inneren Milieus gerichtet. Dabei ist die Hauptfunktion des vegetativen Nervensystems, das innere Milieu so einzuregeln, dass es für die Zellfunktionen optimal ist. Entsprechend spielt das vegetative Nervensystem bei den Regelkreisen zur Einstellung des inneren Milieus (insb. des arteriellen Blutdrucks) eine Rolle. Weil die Funktionen des vegetativen Nervensystems der willkürlichen Kontrolle weitgehend entzogen sind, bezeichnet man es auch als autonomes Nervensystem.

      

Beim vegetativen Nervensystem unterscheidet man i.W. zwischen Sympathikus und Parasympathikus, deren terminale Neurone außerhalb des ZNS liegen und dort zu sog. vegetativen Ganglien zusammengefasst sein können. Die Axone der terminalen Neurone projizieren von diesen Ganglien zu den Erfolgsorganen; sie werden deshalb postganglionäre Neurone genannt. Entsprechend heißen die Neurone, deren Axone in die vegetativen Ganglien einstrahlen, praeganglionäre Neurone. Ihre Somata liegen im Rückenmark und im Hirnstamm. Das Grundelement des sympathischen und parasympathischen Nervensystems besteht also aus zwei Populationen hintereinander geschalteter Neurone.

 

    A. Sympathikus (thorakolumbales System): die praeganglionären Neurone des Sympathikus entspringen der intermediären Zone des Brustmarks und der ersten zwei bis drei oberen Segmente des Lendenmarks. Von dort ziehen sie zu den praevertebralen Bauch- und zu den bilateralen paravertebralen Ganglien, die in Grenzsträngen organisiert sind. Die postganglionären Axone ziehen dann zu den Effektoren des Rumpfes und der Extremitäten sowie zu den Organen im Kopfbereich (s.Abb.). Die sympathischen Ganglien liegen organfern, weshalb die postganglionären Axone lang sind. Die Erfolgsorgane des Sympathikus ist die glatte Muskulatur aller Organe (z.B. Gefäße), der Herzmuskel und z.T. die exokrinen Drüsen.

    B. Parasympathikus (kraniosakrales System): die Zellkörper der praeganglionären parasympathischen Neurone liegen im Kreuzmark und im Hirnstamm; sie haben lange praeganglionäre Axone, die zu den organnah gelegenen parasympathischen postganglionären Neuronen ziehen. Parasympathische Ganglien sind nur im Kopf- und Beckenbereich ausgebildet, ansonsten liegen die postganglionären Neurone verstreut auf oder in den Wänden von Herz, Lunge und Magen-Darm-Trakt vor. Der Parasympathikus innerviert den Herzmuskel sowie die glatte Muskulatur und die Drüsen des Magen-Darm-Trakts, der Ausscheidungsorgane, der Sexualorgane und der Lunge. Mit Ausnahme der Arterien der Geschlechtsorgane und des Gehirns innerviert er aber nicht die glatte Gefäßmuskulatur.

 

Sympathikus und Parasympathikus innervieren eine Vielzahl von inneren Organen gemeinsam, wobei die Effekte der beiden vegetativen Systeme häufig antagonistischer Natur sind. So erzeugt z.B. die Reizung entsprechender sympathischer Nerven eine Zunahme von Schlagfrequenz und Schlagvolumen des Herzens, die Erregung der parasympathischen Innervation dieser Organe führt hingegen zu entgegengesetzten Effekten: Abnahme der Herzfrequenz und der Kontraktionskraft.

Zusammenfassend kann man sagen, dass der Sympathikus eher aktivierend und der Parasympathikus eher beruhigend wirkt.

 

Transmitter und ihre Rezeptoren in Sympathikus und Parasympathikus: (Abb.19-2)

Die chemische Erregungsübertragung läuft prinzipiell nach dem gleichen Mechanismus wie an der neuromuskulären Endplatte ab (d.h. das Aktionspotential in der Nervenfaser depolarisiert die praesynaptische Nervenendigung, was dazu führt, dass Transmitter ausgeschüttet werden. Diese diffundieren über den synaptischen Spalt und binden an Rezeptoren der postsynaptischen Membran. Infolgedessen öffnen sich hier Ionenkanäle und eine postsynaptische Potentialänderung wird generiert).

Vom prä- auf das postganglionäre Neuron läuft im Sympathikus und im Parasympathikus die chemische Erregungsübertragung über den gleichen Transmitter: Acetylcholin; und auch die Rezeptoren scheinen hier die gleichen zu sein. Anders bei der chemischen Erregungsübertragung vom postganglionärem Neuron auf den Effektor. Diese erfolgt beim Sympathikus über den Transmitter Noradrenalin, dessen Rezeptoren die - und -Adrenorezeptoren sind (, die entgegengesetzte Wirkungen vermitteln). Und beim Parasympathikus ist der Transmitter wieder Acetylcholin.

Neben Acetylcholin und Noradrenalin werden zusätzlich auch andere Substanzen als Transmitter im vegetativen Nervensystem benutzt, wie z.B. ATP, Stickstoff und Neuropeptide.

Organ (-system)

Reizung des Parasympathikus

Reizung des Sympathikus

(Adrenorezeptor)

Herzmuskel

Abnahme von Herzfrequenz und Kontraktionskraft

Zunahme von Herzfrequenz und Kontraktionskraft

Arterien in Haut

0

Vasokonstriktion

Arterien in Abdomialbereich

0

Vasokonstriktion

Arterien im Herzen

0

Vasodilatation

Arterien im Skelettmuskel

0

Vasodilatation

Venen

Vasodilatation

Vasokonstriktion

 

Viele vegetative Neurone sind spontan aktiv; Effektororgane werden durch Erhöhung und Erniedrigung dieser Aktivität beeinflusst:

Viele vegetative Neurone sind spontan aktiv; beispielsweise für die Bedeutung der neurogenen Spontanität für die Regulation verschiedener Organe sei erwähnt, dass die Spontanaktivität in den Vasokonstriktorfasern die glatte Gefäßmuskulatur teilkontrahiert hält und somit einen Ruhetonus der Blutgefäße aufrecht erhält. Dieser Ruhetonus bestimmt den Strömungswiderstand der Blutgefäße und somit die Durchblutung der Organe. Durch Zu- bzw. Abnahme der vasokonstriktorischen Aktivität der entsprechenden vasokonstrikorischen Neurone kommt es dann zu einer Zu- bzw. Abnahme des Strömungswiderstandes und damit zu einer Ab- bzw. Zunahme der Durchblutung der Organe.

Die Höhe der Spontanaktivität der vegetativen Neuronen variiert von etwa 0,1 bis 4 Hz, bei den Vasokonstriktorneuronen liegt sie unter Ruhebedingungen bei ca. 2 Hz.

 

Die Organisation der vegetativen Systeme im Rückenmark ist die Basis der Organisation vieler vegetativer Reflexe/ Regelkreise: (Abb.19-12: einfach, disynaptisch)

Die synaptische Verschaltung zwischen Afferenzen und vegetativen Efferenzen auf spinaler (die Wirbelsäule betreffender) segmentaler Ebene wird vegetativer Reflexbogen (polysynaptisch) genannt. Dabei sind häufig Afferenzen und Efferenzen desselben Organs zu segmentalspinalen Reflexbögen verschaltet, so z.B. beim Herzen (sog. kardiokardialer Reflex).

  

 

upraspinale Kontrolle vegetativer spinaler Systeme:

Die spinalen parasympathischen und sympathischen Systeme unterliegen hemmenden und erregenden Einflüssen vom Hirnstamm und Hypothalamus. Dort werden die spinalen Systeme zu Funktionskomplexen höherer Ordnung organisiert, wie z.B. im Rahmen der Regulation des arteriellen Blutdrucks die Vasokonstriktionssysteme und die Kardiomotorsysteme.

Der Vielfalt der spinalen vegetativen Systeme steht somit eine entsprechend große Anzahl deszendierender spinaler Systeme vom Hirnstamm und Hypothalamus gegenüber, die zu den praeganglionären Neuronen in der intermediären Zone des Rückenmarks projizieren. Die Zuordnung der deszendierenden spinalen Systeme zu einzelnen Funktionen der praeganglionären Neurone ist in den meisten Fällen aber noch unbekannt.

Die spinale Reflexmotorik funktioniert (nach Abklingen eines sog. spinalen Schocks) auch nach Durchtrennung des Rückenmarks – allerdings ohne supraspinale Kontrolle nur in einem chronischen Zustand.

  

Es sei nun der Pressosensorreflex/ -regelkreis mit den bisher erarbeiteten Kenntnissen in Augenschein genommen: (Abb.19-15)

Bei akut spinalisierten (“rückenmarkdurchtrennten”) Tieren sinkt der Blutdruck auf niedrige Werte, weil die Ruheaktivität in sympathischen Neuronen zu den Blutgefäßen und zum Herzen verschwindet (infolge des spinalen Schocks). Dezerebrierte Tiere mit intakter Medulla oblongata haben hingegen einen normalen Blutdruck, d.h. die kreislaufsteuernden Regelkreise funktionieren noch. Diese Befunde zeigen, dass die Medulla oblongata die neuronalen Reflexkreise für die Regulation des arteriellen Blutdrucks enthält und dass die Ruheaktivität in den sympathischen Neuronen (zu den kardiovaskulären Effektoren wie Herz und Blutgefäße) in der Medulla oblongata erzeugt wird.

Ein wichtiges Areal für die Barorezeptorregulation liegt hier in der rostraventrolateralen Medulla (RVLM). Eine Reizung in diesem Areal erhöht Blutdruck und Herzfrequenz. Entsprechend innervieren die Axone der Neurone in der RVLM die praeganglionären Vasokonstriktorneurone und die sympathischen praeganglionären Kardiomotoneuronen.

Der Pressorezeptorreflex zur Regulation des arteriellen Blutdrucks setzt sich aus drei Einzelreflexen zu den Vasokonstriktorneuronen, zu den sympathischen Kardiomotoneuronen und zu den parasympathischen Kardiomotoneuronen zusammen. Dabei werden die ersten beiden reflektorisch gehemmt und die letzten reflektorisch erregt, wenn die arteriellen Barorezeptoren gereizt werden. Insgesamt führt das zu einer Abnahme des Blutdrucks. Eine Abnahme der Aktivität in den arteriellen Barorezeptoren bewirkt das Gegenteil.

Natürlich ist der Pressorezeptorreflex in der beschriebenen Bedeutung ein Regelkreis, denn der Reizerfolg (Abnahme/ Zunahme des Blutdrucks) wirkt auf den Reiz (zu hoher/ niedriger Blutdruck) zurück.

Der genaue Ablauf des Pressorezeptorreflexes bei erhöhtem Blutdruck ist in der Abb.19-15 dargestellt:

      

 

 

Die Afferenzen der Barorezeptoren erregen Neurone im Nucleus tractus solitarii (NTS), der in der Medulla befindlich ist und eine Eingangsstelle für viscerale Afferenzen darstellt. Dadurch werden zum einen Interneurone in der kaudalen ventrolateralen Medulla (KVLM) erregt, die dann Neurone in der RVLM hemmen, die zu den praeganglionären sympathischen Vasokonstriktor- und Kardiomotoneuronen im Rückenmark projizieren. Zum anderen werden im NTS auch andere Interneurone erregt, die dann zu praeganglionären parasympathischen Kardiomotoneuronen im Nucleus ambigius (NA) projizieren und diese erregen. Insgesamt wird also eine Erniedrigung des Blutdrucks bewirkt (negative Rückkopplung). Der Regelkreis-Charakter des Pressorezeptorreflexes wird in Abb.24-36 deutlich.

 

    

 

III. Regulation des Gesamtkreislaufs.

Die wechselnden, zum Teil miteinander konkurrierenden Durchblutungsanforderungen der einzelnen Organe erfordern eine übergeordnete, supraspinale Koordination der Kreislaufregulation:

Die medulläre Selbststeuerung des kardiovaskulären Systems ist beschränkt; sie entspricht in der beschriebenen Weise einem Halteregelkreis (fester Sollwert, negative Rückkopplung, geschlossener Wirkungskreis) und muß auf wechselnde Anforderungen durch supraspinale Zentren angepasst werden.

Die Neurone des NTS, des NA, der KVLM und der RVLM stehen deshalb unter neuronaler Kontrolle anderer Neuronenpopulationen in Hirnstamm, Hypothalamus und limbischem System. Auf diese Weise wird der Pressorezeptorregelkreis – durch supraspinale Vorgabe eines neu angepassten Sollwerts – an das Verhalten des Organismus angepasst (z.B. Arbeit, Temperaturänderungen, emotionale Belastung usw.). Auf diesem Niveau handelt es sich also um einen Folgeregelkreis.

Steuerung und Integration dieser komplexen Verhaltensmuster ist noch weitgehend unbekannt; man weiß aber durch punktuelle Reizungen um die Auswirkungen, die von diesen Hirnregionen ausgehen: (Abb.24-41)

    Ø Hypothalamische Einflüsse: Vom Hypothalamus gehen sehr komplexe vegetative Allgemeinreaktionen aus, die in Form von fixen Programmen der Selbsterhaltung dienen; bspw. der Alarmzustand, der mit einer Aktivierung des sympathischen vasodilatorischen Einflusses auf die Skelettmuskulatur und des oben beschriebenen sympathischen Einflusses auf die übrigen Effektoren einhergeht (~> erhöhter Blutdruck, bessere Muskeldurchblutung).

    Ø Kortikale Einflüsse: Auch in der Hirnrinde finden sich viele Gebiete, von denen bei Reizung Herz- und Gefäßreaktionen ausgelöst werden. Hierbei ist bemerkenswert, dass lokale Durchblutungssteigerungen in der Skelettmuskulatur von kortikalen Arealen ausgehen, deren Reizung Kontraktionen der entsprechenden Muskeln verursacht. Diese Kopplung ist Ausdruck einer Abstimmung zwischen vegetativ gesteuerter Kreislaufleistung und somatomotorischer Muskelleistung.

    Ø Zerebelläre Einflüsse: hat wahrscheinlich aktivierenden Einfluß auf sympathische Reaktionen, insb. im Zusammenhang mit der Kreislaufanpassung an Anstrengungen (Vasodilatation in den Skelettmuskeln, Blutdruckerhöhung).

   

 

IV. Langfristige Regulation des arteriellen Blutdrucks durch Anpassung des Blutvolumens in Relation zur Gefäßkapazität:

In den Vorhöfen des Herzens finden sich zwei Typen von Dehnungsrezeptoren. Die A-Rezeptoren entladen während der Vorhofkontraktion, die B-Rezeptoren hingegen während der späten Ventrikelsystole, d.h. bei ansteigendem Vorhofdruck. Die A-Rezeptoren werden durch Kontraktion der Vorhofmuskulatur aktiviert, die B-Rezeptoren reagieren dagegen auf passive Dehnung (erhöhter Vorhofdruck). Die afferenten Impulse verlaufen zum NTS und anderen Strukturen des ZNS. Die Vorhofrezeptoren haben z.T. ähnliche Bedeutung wie die Barorezeptoren, worauf jedoch nicht weiter eingegangen sei. Insbesondere  sind die Vorhofrezeptoren aber auch an der langfristigen Kreislaufregulation beteiligt, da sie über die Dynamik der Ventrikelfüllung den Füllungszustand des Gefäßsystems optimal erfassen können. So löst die Zunahme des Blutvolumens durch die damit verbundene verstärkte Erregung der Vorhofrezeptoren im Verlauf von 10-20 min eine Hemmung der Adiuretin (ADH)-Freisetzung (aus der Neurohypophyse, ~>erhöhte Wasserrückgewinnung in der Niere) aus, so dass die renale Flüssigkeitsausscheidung ansteigt. Abnahme des Blutdrucks hat entgegengesetzte Auswirkungen. Dies soll als exemplarisches Beispiel einer längerfristigen Kreislaufregulation genügen.