Die Physiologie des Kreislaufs bei Lagewechsel. Eine Geschichte erzählt nach dem Motto der "Was-passiert-dann- Maschine"

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1 Die Physiologie des Kreislaufs bei Lagewechsel. Eine Geschichte erzählt nach dem Motto der "Was-passiert-dann- Maschine" Carsten Stick, Institut für Medizinische Klimatologie der Universität Kiel Vorbemerkung: Die Physiologie des Herz-Kreislauf-Systems beim Übergang vom Liegen zum Stehen ist nicht nur das Standardbeispiel für die vegetative Regulation einer lebenswichtigen Größe, des arteriellen Blutdrucks, Beispiel für die biologische Antwort auf eine Störung durch Rückkopplung (Feedback-Regulation) und nebenbei ein häufig gestellter Prüfungsstoff, die physiologischen Vorgänge zeigen auch exemplarisch, welchen Wert die Physiologie für das Lernen und Denken in der Medizin haben kann. Es ist eine Verkettung von Prozessen, die nacheinander und nebeneinander ablaufen, einander bedingen, und geregelte Rückwirkungen aufweisen. Die systematische geordnete Analyse solcher Kausalketten fördert nicht nur das Verständnis, wie die beteiligten Mechanismen funktionieren, sondern auch was passieren kann, wenn die physiologischen Vorgänge bei Krankheiten nicht funktionieren oder zumindest gestört sind. Dies ist eine Grundlage für ein rationales Handeln in Diagnostik und Therapie. Die Schilderung der Physiologie des Kreislaufs beim Lagewechsel erfolgt hier in möglichst kleinen Schritten von Prozessen. Sie wird nach dem Vorbild der Was-passiert-dann- Maschine erzählt. Zuschauer des Kinderprogramms "Sesamstraße" im NDR-Ferhsehen werden vielleicht den Film kennen, in welchem Kermit der Frosch seine Was-passiert-dann- Maschine vorführt. Im Gegensatz zu dieser phantasievoll erdachten Anordnung einer unsinnigen Maschine sollte die Kreislaufregulation allerdings möglichst funktionieren. Beide, der Kinderfilm und dieser Text, verfolgen dasselbe didaktische Ziel, zu zeigen, wie Dinge voneinander abhängen, damit etwas funktionieren kann. Die Situation im Liegen Im Liegen sind die Drücke im Gefäßsystem dominiert von den hämodynamisch wirksamen Drücken. Das Herz fördert ein Schlagvolumen, bzw. das Herz-Zeit-Volumen (HZV) in den Windkessel der dehnbaren herznahen Arterien vom elastischen Typ und erzeugt dabei einen Druck. Über den peripheren Widerstand, der von den kleinen Arterien und speziell den Arteriolen gebildet wird, fließt das Blut in den Geweben und Organen über die Kapillaren in das Niederdrucksystem. Venolen, die kleinen und großen Venen leiten das Blut zum Herzen zurück. Wegen der inneren Reibung im fließenden Blut bestehen nach dem Ohmschen Gesetz in allen Gefäßen Druckgefälle!P über dem jeweiligen Strömungswiderstand R der Gefäße. Dies sind die hämodynamisch wirksamen Drücke, bzw. Druckdifferenzen. Der vom Herzen im Windkessel aufgebaute mittlere arterielle Blutdruck P art. ist bis zum rechten Vorhof bis auf wenige mmhg (4-6 mmhg) aufgebraucht. Die vom Herzen erzeugte Druck-Volumen-Energie ist durch Reibung in Wärme überführt. Der Druck im rechten Vorhof entspricht dem zentralen Venendruck ZVP. Der gesamte Druckabfall über alle Gefäß widerstände, über den totalen peripheren Widerstand TPR ist nach dem Ohmschen Gesetz:!Pges.=Part."ZVP=HZV#TPR Der Druck im rechten Vorhof, der ZVP ist im Vergleich zum arteriellen Blutdruck so gering, dass man ihn für Betrachtungen des arteriellen Blutdrucks oft vernachlässigt. Mit dieser

2 Vereinfachung ergibt sich der Druck im arteriellen System nach dem Ohmschen Gesetz als Produkt aus HZV und TPR (totalem peripheren Widerstand). P art. = HZV! TPR Wenn die Herztätigkeit aufhört, das Herz-Zeit-Volumen also null ist, wird der hämodynamische Druck ebenfalls null. Das Blut aus den arteriellen Gefäßen fließt in das Niederdrucksystem bis sich die Druckgradienten ausgeglichen haben. Es herrscht dann in allen Teilen des Gefäßsystems der statische Blutdruck. Dieser hängt nur von der Gefäßkapazität und vom Füllungsvolumen des Gefäßsystems ab und liegt wenige mmhg über dem zentralen Venendruck. Zusätzlich wirken in dem System kommunizierender Röhren noch die durch die Schwerkraft bedingten hydrostatischen Drücke. Ganz genau genommen würde der statische Blutdruck nur bei einem Herzstillstand in Schwerelosigkeit herrschen. Unter dem Einfluss der Gravitation addieren sich dagegen immer hydrostatische Drücke. Exkurs über den hydrostatischen Druck Der hydrostatische Druck P hydrostat hängt nur von der Höhe h der Flüssigkeitssäule ab, die den Druck durch ihre Dichte ρ im Schwerefeld der Erde ausübt: P hydrostat =! " g " h (ρ und g bedeuten die Dichte der Flüssigkeit, also des Blutes und g die Erdbeschleunigung.) Für ein System kommunizierender Röhren, wie es die Gefäße ja annähernd sind, ist deswegen zu erwarten, dass die hydrostatischen Drücke P hydrostat nur von der Höhe h der hydrostatisch wirksamen Blutsäule abhängen. Dementsprechend sollte sich der hydrostatische Druck in Arterien und Venen, die sich in gleicher Höhe befinden, völlig gleich auswirken. Vorraussetzung dafür ist aber, dass ununterbrochen durchgehende Flüssigkeitssäulen in den Gefäßen bestehen. Das ist in den Venen aus zwei Gründen nicht immer der Fall: Zum einen weisen die Venen in den Extremitäten Klappen auf, welche die Blutsäule vielfach unterteilen können, zum anderen können die dünnwandigen Venen bei geringen transmuralen Drücken kollabieren, was ebenfalls zur Unterbrechung der hydrostatisch wirksamen Blutsäule führt. (Für technische Röhren mit starren Wänden spielt der hydrostatische Druck für die hydrodynamischen Drücke und somit für den Durchfluss durch ein Rohrsystem überhaupt keine Rolle so lange sich Zufluss und Abfluss auf gleicher Höhe befinden. Für eine Druckleitung ist es völlig unerheblich, ob man die Leitung an einem Hindernis in einem U- förmigen Rohr über oder unter dem Hindernis vorbeiführt. Allenfalls die zusätzliche Länge oder Sekundärströmungen oder Wirbel, die sich in Biegungen bilden können, wären für den Strömungswiderstand zu berücksichtigen, nicht aber die Ab- oder Zunahmen des hydrostatischen Druckes im Verlaufe eines solchen Rohrverlaufs. Der Fall, dass ein zu großer hydrostatischer Druck ein Rohr platzen lassen könnte, sei hier mal außer Acht gelassen.) Der HIP Wegen der geringen Höhendifferenzen spielen hydrostatische Drücke im Liegen üblicherweise eine völlig untergeordnete Rolle. Die großen arteriellen und venösen Gefäßstämme verlaufen in dieser Lage im Wesentlichen horizontal. Es existieren also in dem System kommunizierender Röhren keine großen Höhendifferenzen. - Die geringen

3 hydrostatischen Drücke, die auch im Liegen vorhanden sind, führen immerhin dazu, dass sich Ödeme beim auf dem Rücken liegenden Patienten auf dem Rücken bilden und dass sich nach dem Tod Leichenflecken an der Unterseite des toten Körpers ausbilden. - Für die hydrostatischen Drücke gibt es einen Bezugspunkt im Gefäßsystem, der hydrostatische Indifferenzpunkt HIP. Dieser ist dadurch ausgezeichnet, dass der hydrostatische Druck unabhängig von der Körperposition hier konstant bleibt - egal in welcher Lage sich der Mensch befindet, ob er liegt, steht oder auf dem Kopf steht. Dieser HIP befindet sich etwas caudal des Zwerchfells. Er lässt sich mit einem Katheter-Manometer in der Vena cava tatsächlich experimentell aufsuchen. Beim Aufrichten kommt die Gravitation in Spiel Wird ein liegender Mensch passiv, zum Beispiel durch einen Kipptisch aufgerichtet, so gewinnen wegen der auftretenden größeren Höhenunterschiede in den Gefäßen hydrostatische Drücke an Bedeutung. Diese addieren sich zu den hämodynamisch wirksamen Druckdifferenzen im Gefäßsystem. In allen Gefäßen oberhalb des hydrostatischen Indifferenzpunktes sinken die Drücke, in allen Gefäßen unterhalb des HIP nehmen die Drücke zu. Der Druck in den Gefäßen der oberen Körperpartien Im Kopf und Halsbereich nehmen die Drücke aufgrund des hydrostatischen Effektes ab. Dies ist der erste Grund, warum Rezeptoren in den Großen zum Kopf führenden Arterien und im Windkessel nach dem Aufrichten sofort einen verringerten Druck registrieren. Auch der zentrale Venendruck nimmt zunächst aus rein hydrostatischen Gründen ab, weil der rechte Vorhof bei aufrechter Haltung über dem HIP liegt. Die Dehnungsrezeptoren im rechten Vorhof werden entsprechend ein verringertes Volumen registrieren. Zwischendurch eine etwas genauere Betrachtung: Unterschiedliche Folgen für Arterien und Venen (Dieser Abschnitt kann für den Gang der "Was-passiert- dann-geschichte" überschlagen werden, ggf. weiter bei "In den Beinarterien nimmt der Druck mit dem Aufrichten schlagartig zu" Allerdings sind die Verhältnisse in Arterien und Venen nicht ganz symmetrisch. In den Arterien besteht tatsächlich eine durchgehende hydrostatische Drucksäule, weil die Gefäßlumina der Arterien wegen der großen transmuralen Drücke immer geöffnet sind. In den Venen sind die Dinge komplizierter: Oberhalb eines gewissen Niveaus kollabieren die dünnwandigen Venen, nämlich dann, wenn der Venendruck aufgrund des hydrostatischen Einflusses so gering wird, dass der transmurale Druck nicht ausreichend ist, das Gefäßlumen offen zu halten, oder sogar leicht negativ gegenüber dem Umgebungsdruck wird. Letzteres ist zu beachten, wenn man Venen punktiert oder katheterisiert: stets ist die Person so zu lagern, dass ein nach außen gerichteter transmuraler Druck besteht, damit die Gefahr einer Luftaspiration vermieden wird. So ist bei Operationen im Kopfbereich der Kopf tief zu lagern, aber auch beim Anlegen eines Subclavia-Katheters. Das Kollabieren der Hautvenen bzw. deren Wiederauffüllen lässt sich an der eigenen Hand oder den Hautvenen des Unterarmes gewissermaßen im Selbstversuch beobachten. Dies geht besonders gut in warmer Umgebung mit entsprechend starker Hautdurchblutung und geringem Venentonus. In Abhängigkeit vom hydrostatischen Druck werden die Venen prall gefüllt, wenn man die Hand herabhängen lässt. Sie entleeren sich zusehends, wenn man den Arm sukzessive über das Herzniveau anhebt. Dabei ist deutlich zu erkennen, dass die Venen

4 bei erhobenem Arm tatsächlich kollabieren. Oft zeichnen sich die kollabierten Venen als konkave Einziehung der Haut ab, was bei entsprechender Beleuchtung (im Streiflicht) gut zu sehen ist. Bei einem nach oben ausgestreckten Arm wird also der hydrostatische Druck wohl in den Arterien, nicht aber in gleichem Maße in den Venen wirksam, weil letztere kollabieren, so dass keine durchgehende Flüssigkeitssäule besteht. Der Venendruck wird dann nicht um den gleichen Betrag negativ, um den der arterielle Druck abnimmt, sondern wird nur ungefähr auf Null abnehmen oder vielleicht etwas negativ gegenüber dem Umgebungsdruck sein. An diesem Verhalten der dünnwandigen Venen wird klar, welche Bedeutung es hat, dass die Gefäße des Zentralnervensystems von einem Liquorraum umgeben sind, in dem sich hydrostatische Druckänderungen gleichsinnig wie in den Gefäßen auswirken, so dass der transmurale Druck im wesentlichen erhalten bleibt. Die Venen im Liquorraum dürften deswegen von hydrostatischen Druckänderungen zumindest wesentlich weniger beeinflusst werden als die Venen außerhalb zum Beispiel im Gesicht. Entsprechendes gilt selbstverständlich auch für die Arterien im Liquorraum. Eine praktische Bedeutung hat der Venenkollaps beim Arbeiten mit über dem Kopf ausgestreckten Armen. Während der arterielle Blutdruck entsprechend der hydrostatisch wirksamen Höhe abnimmt, sinkt der Venendruck nur etwa bis auf Null ab, weil die Venen dann kollabieren. Diese ungleiche Abnahme des Druckes verringert die arterio-venöse Druckdifferenz und damit den wirksamen Perfusionsdruck. Wegen der geringeren Durchblutung ist Muskelarbeit mit über dem Kopf ausgestreckten Armen besonders ermüdend. In den Beinarterien nimmt der Druck mit dem Aufrichten schlagartig zu. In den Gefäßen unterhalb des hydrostatischen Indifferenzpunktes nehmen die hydrostatischen Drücke zu. Allerdings erfolgen die Druckzunahmen unterschiedlich schnell. In den Arterien erfolgen die hydrostatischen Druckänderungen sofort ohne Verzögerung. Denn die Arterien sind durchgehend offen, so dass wie bei kommunizierenden Röhren durchgehende Drucksäulen bestehen, die hydrostatisch wirksam sind. Mit dem Aufrichten vom Liegen zum Stehen steigt der Druck in der Fußrückenarterie oder in der Arteria tibialis posterior schlagartig von 90 oder 95 mmhg auf vielleicht 180 oder 190 mmhg an. Die Werte sind Beispiele, die im Einzelfall von dem Ausgangsblutdruck und der Körpergröße abhängen. alle hier genannten Werte sind keine Naturkonstanten, sondern Beispiele! Venenklappen verhindern das Versacken des Blutes In den Venen erfolgt der Druckanstieg dagegen verzögert. Beim Aufrichten schließen die Klappen in den Venen der Beine. Sie verhindern so einen Rückstrom peripherwärts und unterteilen die Blutsäule in viele kurze Segmente. Da sich so in den Venen zunächst keine durchgehende hydrostatische Drucksäule ausbildet, ist der Venendruck beispielsweise auf dem Fußrücken oder in der Vena saphena magna in Knöchelhöhe unmittelbar nach dem Aufrichten noch gering. Andererseits gibt es dadurch, dass die Venenklappen nach dem Aufrichten zunächst geschlossen sind, auch keinen venösen Rückstrom aus diesen Venen zum rechten Herzen. Der venöse Rückstrom aus den Beinen ist, wenn nicht Null, so doch erheblich reduziert. Dies trifft zu, bevor überhaupt Blut "in die Beine versackt" ist, wie man häufig lesen kann. Eine große arterio-venöse Druckdifferenz steigert die Durchblutung in den Beinen

5 Der mit dem Aufrichten unmittelbar gesteigerte Druck in den Arterien der unteren Extremität und der zunächst noch geringe Druck in den Venen bedeutet eine erhöhte arterio-venöse Druckdifferenz. Nach dem Ohmschen Gesetz bewirkt diese eine Steigerung der Stromstärke über den peripheren Widerstand. Dies hat zwei Folgen: zum einen ist die Beindurchblutung unmittelbar nach dem Aufrichten erhöht. Zum anderen strömt das Blut schneller aus dem arteriellen Windkessel. Dies ist der zweite Grund, weswegen die Pressorezeptoren in Carotissinus und Aortenbogen einen geringeren Blutdruck registrieren werden. Klinische Anekdote als Einschub: Die erhöhte Beindurchblutung aufgrund der unterschiedlichen hydrostatischen Drücke in Arterien und Venen nach dem Aufrichten und die daraus folgende Steigerung der Durchblutung machen sich Patienten mit peripherer arterieller Verschlusskrankheit der Beinarterien zu nutze. Bei sehr fortgeschrittener Stenosierung der Beinarterien kann wegen der Unterversorgung der Gewebe ein Ruheschmerz auftreten. Dies geschieht wegen der Nachtabsenkung des arteriellen Blutdrucks bevorzugt im Schlaf. Die Patienten wachen vor Schmerz auf, richten sich im Bett auf und lassen die Beine über die Bettkante baumeln. Wie geschildert steigert die vergrößerte arterio-venöse Druckdifferenz die Durchblutung über die verengten Arterien und baut das Versorgungsdefizit ab. Der Schmerz lässt nach, die Patienten legen sich bis zur nächsten Schmerzattacke wieder schlafen. Mit der Zeit steigt auch der Druck in den Beinvenen. Das aus den Arterien über Arteriolen, Kapillaren und Venolen fließende Blut füllt dann sukzessive die Venen. Die Venenklappen werden nach und nach geöffnet. Es bauen sich immer größere Segmente durchgehender Drucksäulen auf. Der Venendruck steigt zunächst steiler später flacher an, bis sich, wenn alle Klappen geöffnet sind, auch in den Venen durchgehende Drucksäulen ausgebildet haben, die hydrostatisch wirksam sind. Um Zahlenbeispiele zu nennen, der Venendruck am Fußrücken oder am Knöchel in der Vena saphna magna steigt von vielleicht 10 bis 12 mmhg im Liegen auf 80 oder 90 mmhg im Stehen. Der Wert ist wieder abhängig von der Körperlänge der Versuchsperson. Bei längerem ruhigen Stehen wird die arterio-venöse Druckdifferenz in den Beinen wieder hergestellt. Es herrschen, wenigstens idealerweise, dieselben hämodynamisch wirksamen Druckdifferenzen wie im Liegen. Allerdings sind zu diesen Drücken je nach Höhe die hydrostatischen Drücke addiert. Es sei in dieser Geschichte nicht verschwiegen, dass die Steigerungen der transmuralen Drücke in den Widerstandsgefäßen zur Erhöhung des myogenen Tonus, in den Austauschgefäßen mit einer Steigerung des kapillären Filtrationsdrucks einhergehen. Ersteres führt zur Verringerung der Beindurchblutung beim längeren Stehen, letzteres zu einer Vermehrung der transkapillären Auswärtsfiltration, zur Vermehrung der interstitiellen Flüssigkeit, zur Bildung eines physiologischen Ödems. Doch der Hauptstrang der Geschichte geht einen anderen Weg: Die Venen werden durch den hydrostatischen Druck gedehnt Die Venen als Kapazitätsgefäße haben eine viel größere Compliance, d.h. Dehnbarkeit als die Arterien. Unter dem erhöhten hydrostatischen Druck beim Stehen werden sie deswegen gedehnt und nehmen ein vermehrtes Blutvolumen auf. Dabei werden sie durch das Blut, das aus den Arterien über die Arteriolen, die Kapillaren und die Venolen fließt gefüllt. Dies gilt

6 wenigstens, solange die Venenklappen funktionstüchtig sind. Die Beinvenen der unteren Extremität nehmen dabei geschätzt ein Volumen von etwa 500 ml auf. Dieser Vorgang wird in vielen Lehrbüchern verkürzt als Versacken von Blut in den Beinvenen bezeichnet. In der Erzählung im Stile der Was passiert dann Maschine zeigt sich, dass es eine ganze Kette physikalisch-physiologischer Vorgänge ist, die sich dahinter verbirgt. Der zentrale Venendruck zentral in mehrere Hinsicht Die Verlagerung von Blut in die Kapazitätsgefäße der unteren Extremitäten führt dazu, dass der venöse Rückstrom nach dem Aufrichten verringert bleibt. Dies ist neben der direkten hydrostatisch bedingten Abnahme und dem nahezu kompletten Stop des venösen Rückstroms aus den Beinen unmittelbar nach dem Aufrichten ein weiterer Grund dafür, dass der zentral venöse Druck beim längeren Stehen gegenüber dem Liegen verringert ist. Der zentrale Venendruck (ZVP) hat seinen Namen davon, dass er eben den Venendruck im Zentrum vor dem rechten Herzen in den großen Venen oder bereits im rechten Vorhof bezeichnet. Von zentraler Bedeutung ist dieser Druck aber noch in mehrerer Hinsicht: Er liegt nahe am statischen Blutdruck und ist somit ein Maß für den Füllungszustand des Gefäßsystems, speziell des Kapazitäts- oder Niederdrucksystems. Dies ist der Grund, weswegen der ZVP in der Intensivmedizin häufig gemessen wird. Beispielsweise kann anhand des ZVP entschieden werden, ob Volumen in den Kreislauf infundiert werden sollte oder nicht. Beispielsweise zeigt ein Anstieg des ZVP bei der chronisch kongestiven Herzinsuffizienz die Wasserretention an und ist in diesem Zusammenhang ein Maß für die Insuffizienz. Der Frank-Starling-Mechanismus mal rückwärts gedacht Physiologisch ist der zentrale Venendruck auch deswegen von zentraler Bedeutung, weil er der Füllungsdruck des rechten Herzens ist. Er bestimmt die Vorlast des Herzens. Der Frank- Starling-Mechanismus wird gern und regelmäßig in der Weise dargestellt, dass eine Erhöhung des venösen Blutangebots mit einer Erhöhung des ZVP und des enddiastolischen Füllungsdrucks, einer Erhöhung des enddiastolischen Ventrikelvolumens, d.h. insgesamt einer Erhöhung der Vorlast einhergeht. Das Herz beantwortet diese Erhöhung der Vorlast automatisch mit dem Auswurf eines vergrößerten Schlagvolumens. Beim Lagewechsel vom Liegen zum Stehen und beim anschließenden ruhigen Stehen tritt der umgekehrte Fall ein: Der venöse Rückstrom ist, wie an verschiedenen Stationen dieser Geschichte erzählt, verringert, der zentrale Venendruck, der enddiastolische Füllungsdruck, das enddiastolische Füllungsvolumen des Ventrikels, kurz die Vorlast des Herzens sind verringert. Entsprechend wirft das Herz ein kleineres Schlagvolumen aus. Ausnahmsweise ein Sprung in der Geschichte An dieser Stelle sei ein Sprung vom rechten Herzen zu linken Ventrikel und ins arterielle System erlaubt. Die ausgelassenen Zwischenschritte der Geschichte werden später nachgeholt. Das Ohmsche Gesetz für den Gesamtkreislauf: Der mittlere Blutdruck ist das Produkt aus Herz-Zeit-Volumen und totalem peripheren Widerstand Ein verringertes Schlagvolumen bedeutet bei gleicher Herzfrequenz ein verringertes Herz- Zeitvolumen, d. h. eine verringerte Gesamtstromstärke im Kreislauf. Das Herz pumpt pro Zeit weniger Blut in den Windkessel. Bei gleichem Abfluss von Blut aus dem Windkessel in die

7 peripheren Organe und Gewebe resultiert eine Abnahme Blutdrucks. Nach dem Ohmschen Gesetz wird der mittlere Blutdruck im arteriellen System aus dem Produkt von Herz-Zeit- Volumen und totalem peripheren Widerstand bestimmt. (Siehe oben!) Das Herz-Zeit-Volumen ergibt sich seinerseits aus dem Produkt von Herz-Schlagvolumen und Herzfrequenz: HZV =SV!HF Schnelle Änderungen des Blutdrucks werden durch Reflexe beantwortet In dieser Geschichte zeigte sich, dass der mittlere Blutdruck im Windkessel aus verschiedenen Gründen im Stehen abnimmt: Zunächst ist der Druck im Aortenbogen und den zum Kopf führenden Arterien direkt aus hydrostatischen Gründen verringert. Diese Arterien liegen über dem hydrostatischen Indifferenzpunkt. Sodann ist unmittelbar nach dem Aufrichten der Abstrom aus dem Windkessel wegen einer verstärkten Beindurchblutung erhöht. Schließlich ist das Herz-Zeit-Volumen durch ein kleineres Herzschlagvolumen als Folge eines verminderten venösen Blutangebotes reduziert. All dies führt dazu, dass der mittlere Blutdruck abfällt. Der Blutdruckabfall wird durch den Pressorezeptorenreflex beantwortet. Was ist ein Reflex? Ein Reflex ist eine Reaktion, die an über einen Reflexbogen abläuft. Ein Reflex ist also an einen Reflexbogen geknüpft. Die Minimalausstattung eines Reflexbogens besteht aus folgenden fünf Komponenten: dem Rezeptor, der Afferenz, mindestens einer zentralen Synapse, einer Efferenz und einem Effektor. Worauf reagieren Pressorezeptoren? Adäquate Reize für die Pressorezeptoren im Aortenbogen und den Carotissinus sind der Blutdruck und Blutdruckänderungen. Pressorezeptoren sind proportional-differential Rezeptoren. Die Pressorezeptoren antworten auf die druckbedingte Dehnung der Gefäßwände mit erhöhter Entladungsrate. Steile kurze Steigerungen des Drucks, wie sie während der Austreibungsphase des Herzens vorkommen, werden durch kurze phasische Steigerung der Aktionspotentialfrequenz beantwortet. Bleiben die Drücke länger auf einer Höhe, adaptieren die Pressorezeptoren an diesen Druck. Ihre zunächst bei einer Druckänderung gesteigerte oder verringerte Entladungsrate nähert sich wieder einem mittleren Niveau. Pressorezeptoren haben auch bei normalem arteriellen Blutdruck eine (Ruhe-) Entladungsrate. Diese schwankt im Rhythmus des Druckpulses. Der Presorezeptoren-Reflex weist direkte und reziproke Verschaltungen auf. Die Aktivität der Pressorezeptoren wird afferent über die Nervi vagi und glossopharyngei in die Medulla oblongata geleitet. Die Fasern dieser Afferenzen enden im Nucleus tractus solitarii. Von hieraus gibt es Verschaltungen zum Nucleus ambiguus. Über ein erregendes Interneuron werden vagale Efferenzen zum Herzen erregt, sodass der Effekt einer vermehrten Pressorezeptorenerregung eine ebenfalls vermehrte Aktivität parasympatischer Fasern am Herzen (sog. parasympathische Kardiomotorneurone, kardioinhibitorische Neurone) ist. An dieser Stelle gibt es ein Dilemma für jeden, der nicht selbst auf diesem speziellen Gebiet der Neurophysiologie arbeitet und so auf sekundäre und tertiäre Quellen angewiesen ist: Ein ausgewiesener Fachmann auf dem Gebiet des autonomen Nervensystems versichert, die

8 Verschaltung auf die parasympathischen vagalen Efferenzen geschehe über den Nucleus ambiguus. Viele der üblichen Quellen wie Lehrbücher und Monographien folgen dem allgemeinen Schema, dass die viszeromotorischen parasympathischen Efferenzen dem Nucleus dorsalis nervi vagi entstammen. Andere Autoren wiederum schreiben, der Hauptteil der präganglionären kardioinhibitorischen Vagusfasern des efferenten Schenkels des Pressorezeptorenreflexes, entspränge dem Nucleus ambiguus, ein kleinerer Teil dem Nucleus dorsalis nervi vagi. Wie immer dem auch sei, festzuhalten ist, dass die von den Pressorezeptoren ausgehenden afferenten Impulse nach Umschaltung im verlängerten Mark zu efferenten kardioinhibitorischen Impulsen über den N. vagus führen. Die Hemmung der Herztätigkeit durch den Vagus erfolgt bereits in Ruhe bei normalem Blutdruck. Unterbrechen der von den Pressorezeptoren ausgehenden Afferenzen führt akut zu Tachykardie und Blutduckanstieg. Die Pressorezeptoren wurden aus diesem Grunde auch als Blutdruckzügler bezeichnet. Hemmung des Parasympathikus beispielsweise durch Atropin führt ebenfalls zur Tachykardie. Diese Beispiele zeigen, dass der Parasympathikus in Ruhe den überwiegenden Einfluss auf das Herz ausübt. Eine weitere zentrale Verschaltung führt über Interneurone zu Neuronen in der rostralen ventrolateralen Medulla, die eine tonische Ruheaktivität aufweisen und über Efferenzen für den Ruhetonus der sympathischen Vasokonstriktorneurone und der sympathischen Neurone zum Herzen verantwortlich sind. Die Verschaltung der Pressorezeptoren-Afferenzen auf diese sympathischen Neurone führt aus dem Nucleus tractus solitarii in die caudale ventrolaterale Medulla. Von hier projizierende hemmende Interneurone zu den tonisch aktiven Neuronen der rostralen ventrolateralen Medulla. Mit der Überträgersubstanz GABA (γ- Aminobuttersäure) hemmen diese Neurone die tonische Aktivität der rostralen ventrolateralen Medulla und damit die Aktivität der sympatischen Efferenzen zu Herz und Gefäßen. Eine erhöhte Aktionspotentialfrequenz der Afferenzen von den Pressorezeptoren führt über diese reziproke Verschaltung zur Hemmung der sympathischen Efferenzen. Wie wirken sich diese Verschaltungen nach dem Lagewechsel an Herz und Gefäßen aus? Das passive Aufrichten hatte wie in den Schritten oben geschildert eine Abnahme des Blutdrucks in den zum Kopf führenden Arterien zur Folge. Die Pressorezeptoren werden entsprechend weniger erregt, eine verminderte Aktionspotentialfrequenz in den Afferenzen hat nach der beschriebenen Umschaltung in der Medulla oblongata folgende Effekte: Die parasympathische Aktivität am Herzen wird gehemmt. Die direkte Umschaltung über erregende Neurone vom Nucleus tractus solitarius auf den Nucleus ambiguus führt zu reduzierter Aktivität in den vagalen Efferenzen zum Herzen. Die kardioinhibitorischen parasympathischen Einflüsse auf den Sinusknoten, die Vorhöfe und den Atrioventrikulaknoten, die in Ruhe typischerweise überwiegen, werden hierdurch abgeschwächt. Die Folge ist eine Zunahme der Herzfrequenz (chronotrope Wirkung) sowie positiv inotrope bzw. positiv dromotrope Wirkungen am Vorhofmyokard bzw. dem Atrioventrikularknoten. Die sympathische Aktivität wird verstärkt

9 Auf die sympathische Aktivität haben die verringerten Aktionspotentialfrequenzen in den Affererenzen von den Pressorezeptoren einen reziproken Effekt. Die spontanaktiven Neurone in der rostralen ventrolateralen Medulla werden durch die hemmenden Interneurone weniger gehemmt. Entsprechend nimmt die Aktivität in den sympathischen Efferenzen zu. Der Sympathikus entfaltet vermehrte Aktivität an Herz und Gefäßen Am Herzen führt die gesteigerte sympathische Aktivität zu positiv chronotroper Wirkung am Sinusknoten und den Vorhöfen. Hier wird der Effekt einer geringeren Vagusaktivität verstärkt. Zusätzlich entfaltet die verstärkte sympathische Aktivität am Kammermyokard eine positiv inotrope Wirkung. Die Wirkungen auf das Herz Hämodynamische Resultate der Wirkungen von Parasympathikus und Sympathikus auf da Herz sind, dass sowohl die Steigerung der Herzfrequenz als auch die Zunahme der Kontraktionskraft von Vorhöfen und Kammern eine zumindest teilweise Kompensation des mit dem Aufrichten verringerten Herz-Zeitvolumens erreichen. Die positiv inotropen Effekte fördern sowohl über eine schnellere und verstärkte Kontraktion als auch über eine schnellere Erschlaffung den Ventilebenenmechanismus zur Förderung des venösen Rückstroms und die diastolische Füllung der Ventrikel. Gleichzeitig wird das Schlagvolumen auf Kosten des Restvolumens gesteigert. Alle diese Reaktionen führen allerdings nicht zur vollständigen Kompensation. Das Herzzeitvolumen bleibt trotz Steigerung der Herzfrequenz und der Ejektionsfraktion beim ruhigen Stehen gegenüber dem Liegen erniedrigt. Die Wirkungen auf die Gefäße Die gesteigerten Entladungsraten in sympathisch-adrenergen Vasokonstriktorneuronen führen über die Freisetzung von Noradrenalin aus den Varikositäten der postganglionären sympathischen Fasern zur Kontraktion der glatten Gefäßmuskulatur, zur Erhöhung des Gefäßtonus. Dies führt in den kleinen Arterien und Arteriolen, also den Widerstandsgefäßen, zu Steigerungen des peripheren Widerstands. Das Blut fließt langsamer aus dem Windkessel des arteriellen Systems über den peripheren Widerstand und die Kapillaren in das Niederdrucksystem. Die Kontraktion der glatten Gefäßmuskulatur in den venösen Gefäßen verringert die Kapazität des Niederdrucksystems. Der im Stehen verringerte venöse Rückstrom wird hierdurch tendentiell wieder etwas kompensiert. Auch vom Niederdrucksystem gehen Reflexe aus Bisher wurden nur die Reaktionen als Folge einer verminderten Pressorezeptorenerregung im arteriellen System beschrieben. Tatsächlich befinden sich auch im Niederdrucksystem Dehnungsrezeptoren, die ganz ähnliche Antworten bei Lagewechsel bewirken. Es wurden verschiedene Rezeptoren in den Herzvorhöfen, speziell am Übergang von den Venen zu den Vorhöfen beschrieben und charakterisiert. Diese Rezeptoren werden wie die Pressorezeptoren durch Dehnung erregt. Da sie sich jedoch im Niederdrucksystem befinden ist es folgerichtig, diese Dehnungsrezeptoren Volumenrezeptoren zu nennen. Denn die Druckvolumenkurve des Niederdrucksystems verläuft viel flacher als die des arteriellen Systems. Die Compliance des Niederdrucksystems ist etwa um zwei Größenordnungen größer als die des arteriellen Systems (50 bis 200 fach). Die Antworten auf eine verminderte Erregung der Volumenrezeptoren in den Vorhöfen sind ähnlich wie die einer verminderten Pressorezeptorenerregung. Allerdings sollen die Reflexe sich besonders auf das Herz und die Nierendurchblutung, weniger auf die Muskeldurchblutung auswirken.

10 Die Wirkung auf die Nierendurchblutung erscheint plausibel und lässt sich leicht merken, wenn man die weitere Rolle der atrialen Volumenrezeptoren im Rahmen der mittelfristigen Herz-Kreislauf- und Volumenregulation über den Gauer-Henry-Reflex (Reflexwirkungen über vagale Afferenzen, den Hypothalamus und die Neurohypophyse, Regulation der ADH- Ausschüttung aus dem Hypophysenhinterlappen) bedenkt. Auch die Freisetzung, bzw. beim Stehen die verminderte Freisetzung von atrialem natriuretischem Peptid aus den Vorhöfen und deren Wirkungen auf die Natrium und Wasserausscheidung gehören hierher. Macht man sich über diese Vorgänge Gedanken, so ist bei einer Schilderung im Stile einer "Was-passiertdann-Geschichte" besonders auf die Vorzeichen zu achten. Beim Stehen beispielsweise werden die Vorhöfe weniger gedehnt, weil sie oberhalb des HIP liegen und der venöse Rückstrom vermindert ist. Dies führt zu geringerer Erregung der Volumenrezeptoren. Entsprechend wird die Freisetzung von ADH aus dem HHL weniger gehemmt, die Rückresorption von Wasser aus den distalen Tubuli und Sammelrohren der Niere gefördert, die Diurese gehemmt. Entsprechend wird die Freisetzung von ANP verringert. Was ist das Ergebnis der Störung und der darauf folgenden Kreislaufregulation? Nach dem Aufrichten einer Person wird der Blutdruck kurz abfallen. Viele Menschen spüren dies an kurzem Schwindel oder andeutungsweisem "Schwarz vor Augen werden". In dieser Phase kann der linke Ventrikel einige Schlagvolumina aus dem zentralen Blutvolumen des Lungenkreislaufs entnehmen, und damit den stark verringerten venösen Rückstrom zum rechten Vorhof kurz überbrücken, bis die geschilderten Reflexantworten wirksam werden. Mit Einsetzen der Reaktionen wird die Herzfrequenz ansteigen, der systolische Blutdruck wird leicht verringert sein, wieder auf das ursprüngliche Niveau wie im Liegen ansteigen oder sogar etwas erhöht sein. Ersteres lässt sich aus der Abnahme des Schlagvolumens erklären, letzteres aus der positiv inotropen Wirkung am Herzen plausibel machen: das verringerte Schlagvolumen wird mit größerer Kraft schneller aus dem Ventrikel geworfen, was einen steileren Druckanstieg bewirkt. Der diastolische arterielle Blutdruck wird leicht ansteigen. Erklärbar ist dies mit der Zunahme des totalen peripheren Widerstands und mit der Steigerung der Herzfrequenz. Die Blutdruckamplitude wird verringert sein. Dies entspricht dem kleineren Schlagvolumen und der Verkürzung der Herzperiode (Herzfrequenzerhöhung). Insgesamt wird der Kreislauf beim ruhigen Stehen mit einem verringerten Herz-Zeit-Volumen einige oder auch längere Zeit stabil reguliert werden. Früher oder später wird eine aufrechte Körperhaltung ohne Bewegung zum Kreislaufkollaps führen. Eine Extremform des orthostatischen Kreislaufversagens ist die in der Antike übliche Form der Hinrichtung, die Kreuzigung. Was wurde in dieser "Was-passiert-dann-Geschichte" übergangen? Obwohl die Geschichte bereits jetzt wesentlich länger geworden ist, als ursprünglich vorausgedacht, sind doch noch manche Schritte ausgelassen. So kann man noch erzählen, wie die Signale von der Medulla oblongata über den Vagus, dessen prä- und postsynaptischen Fasern zum Herzen gelangen, dass in diesem Teil des vegetativen Nervensystems Acetylcholin die Überträgersubstanz ist, dass dieser Transmitter in den vegetativen Ganglien nikotinische Rezeptoren erregt und zur Öffnung von ligandengesteuerten Kanälen führt, welche postsynaptisch Einwärtsströme und damit exitatorische postsynaptische Potentiale (EPSPs) erzeugen, dass aber am Herzen selbst das ACh aus den postganglionären parasympathischen Fasern an muskarinischen Rezeptoren wirkt, teils über inhibitorische G- Proteine, Hemmung der Adenylatcyklase und Reduktion des cyklischen Adenosinmonophosphats (camp), teils aber auch über einen rezeptorgesteuerten Kaliumkanal.

11 Für die postganglionäre Überträgersubstanz des Sympathikus, das Noradrenalin lässt sich die Geschichte ebenfalls erweitern. β-rezeptoren am Herzen, α- und β-rezeptoren an den Gefäßen, unterschiedliche Verteilungen dieser Rezeptoren an Muskulatur und Haut... Aber auch die "einfache" Mechanik der Flüssigkeiten wurde nicht vollständig behandelt. Zwar wurde eingeschoben, dass Venen kollabieren können oder dass die Venenklappen die Drucksäule unterteilen können, auch wurde nebenbei die hydrostatische Rolle des Liquor cerebrospinalis erwähnt, entsprechend müssten aber auch die Drücke im Thorax und im Bauchraum betrachtet werden. Die Folgen der Steigerung der transmuralen Drücke in den Austauschgefäßen der unteren Extremität, die zu einer vermehrten Auswärtsfiltration von Flüssigkeit ins Interstitium und somit zum Flüssigkeitsverlust des Intravalsalraums führt, wäre genauer zu besprechen. Schließlich könnte man sich mit den Störungen der orthostatischen Regulation beschäftigen. Man kommt vom Hundertsten ins Tausendste. Deswegen bricht die Geschichte der "Was-passiert-dann?-Maschine" hier ab. Sinn war es, einmal zu zeigen, wie viele Schritte in einer Kette von Vorgängen oft genannt werden können, in einer Kette, die manchmal ganz verkürzt mit einem Schlagwort benannt wird. Üblicherweise hat man nicht die Zeit oder die Kenntnisse, sich alle Schritte zu vergegenwärtigen. Man ist gezwungen, sich auf eine Auswahl zu beschränken, allein um den Überblick nicht zu verlieren und sich nicht zu verzetteln. Innerhalb einer zu treffenden Auswahl von Ereignissen sollte man aber das Prinzip der Folgerichtigkeit, also das Prinzip der Was-passiert-dann-Maschine beachten. Ein solches Vorgehen hilft sehr, Mängel und Widersprüche zu entdecken, sei es in den eigenen Kenntnissen, sei es in den Darstellungen in Lehrbüchern, sei es in den Kenntnissen überhaupt. Ein Sachverhalt, den man nicht in dieser Weise darstellen kann, ist vermutlich noch nicht genügend klar. So zumindest meine Vermutung. Carsten Stick Dezember 2006, letzte Änderung 19. Mai 2009 Anschrift des Verfassers: Prof. Dr. Carsten Stick Institut für Medizinische Klimatologie der Universität Kiel Olshausenstr Kiel