Erregungsleitung im Nerven

Ein peripherer Nerv ist das einzige Organ, das Sie durch bloßes Liegenlassen schädigen können. Jede Narkose hebt die Schutzmechanismen auf, die im Wachzustand jede unbequeme Haltung innerhalb von Minuten korrigieren: Der Patient spürt keinen Druck, meldet kein Kribbeln und bewegt sich nicht mehr. Damit hängt die Unversehrtheit der Nerven allein an der Lagerung, an der Dauer des Eingriffs und an der Aufmerksamkeit des Teams. Perioperative Nervenschäden sind selten, aber sie gehören zu den Ereignissen, die Betroffene über Monate begleiten und die sich in der Regel vermeiden lassen.

Die zweite Seite ist die diagnostische. Wenn eine Patientin nach einem Eingriff eine Schwäche aufweist, entscheidet die Physiologie der Leitung darüber, wie Sie den Befund lesen. Eine Faser, deren Markscheide gelitten hat, leitet langsamer. Eine Faser, deren Axon durchtrennt ist, leitet gar nicht mehr und regeneriert mit der Geschwindigkeit des langsamen axonalen Transports, also über Monate. Eine Faser, die unter Druck stand, kann für Wochen einen Leitungsblock aufweisen und sich danach vollständig erholen. Diese drei Bilder haben völlig verschiedene Prognosen, und die Neurographie kann sie unterscheiden, sobald Sie wissen, welche Größe sie eigentlich misst.

Das Neuron ist die strukturelle und funktionelle Einheit des Nervensystems, und für die Fortleitung genügt es, vier Abschnitte zu unterscheiden. Der Zellkörper, auch Soma genannt, enthält den Zellkern und die übrigen Organellen; er ist die Werkstatt, in der alle Bausteine für die Fortsätze entstehen. Der Energiestoffwechsel und die Organellen selbst sind Gegenstand der Kachel Homöostase und Zellfunktion und werden hier nicht wiederholt. Die meist baumartig verzweigten Dendriten nehmen fördernde und hemmende Signale anderer Neurone auf, oft von mehreren Tausend. Am Axonhügel, dem Übergang von Soma zu Axon, wird aus diesen Einzelbeiträgen eine Summe gebildet und entschieden, ob ein Aktionspotenzial entsteht. Das Axon schließlich leitet dieses Aktionspotenzial fort, oft über Strecken, die den Durchmesser des Somas um das Zehntausendfache übersteigen, und endet in Endknöpfchen, die den Überträgerstoff freisetzen.

Entscheidend für die Leitung ist die Hülle. Die Zellmembran des Somas setzt sich als Axolemma entlang des Axons fort. Im peripheren Nervensystem umgeben Schwann-Zellen dieses Axon, im Zentralnervensystem Oligodendrozyten. Erst Axon und Hülle zusammen bilden die Nervenfaser. Bei einem Teil der Fasern legt die Schwann-Zelle viele konzentrische Phospholipid-Doppelschichten um das Axon und bildet so die Myelin- oder Markscheide. Diese Hülle ist kein durchgehender Schlauch: Etwa alle 1,5 Millimeter ist sie an den Ranvier-Schnürringen unterbrochen, und nur dort steht das Axolemma in direktem Kontakt zur Umgebung. Genau dort sitzen auch die spannungsgesteuerten Natriumkanäle in hoher Dichte, während sie unter der Markscheide fast fehlen. Marklose Fasern besitzen diese Isolierung nicht; ihr Axon liegt, von Schwann-Zellen nur lose begleitet, über die gesamte Länge frei.

Eine Nervenfaser ist ein sehr schlechtes Kabel. Ein technisches Kabel hat einen Metalldraht mit minimalem Längswiderstand und eine gute Isolierung nach außen, weshalb Strom darin über Kilometer fließt. Das Axoplasma hat dagegen einen hohen Innenlängswiderstand, und ein markloses Axon ist gegen die Umgebung kaum isoliert. Eine rein passive, sogenannte elektrotonische Ausbreitung versiegt deshalb nach kurzer Strecke und muss unterwegs immer wieder durch die Neubildung eines vollständigen Aktionspotenzials aufgefrischt werden.

Der Ablauf ist einfach. Am Ort des Aktionspotenzials strömt Natrium ein, und die Membran ist dort innen vorübergehend positiv, bei etwa plus 20 bis plus 30 Millivolt. Der Nachbarabschnitt liegt noch beim Ruhewert von etwa minus 70 bis minus 90 Millivolt. Zwischen beiden besteht damit eine Spannungsdifferenz, die einen Ladungsausgleich längs der Faser antreibt. Weil die Membran sich wie ein Kondensator verhält, handelt es sich um einen kapazitiven Strom, der den Nachbarabschnitt depolarisiert. Erreicht diese Depolarisation dort das Schwellenpotenzial, entsteht ein neues Aktionspotenzial, während das vorangehende bereits abklingt. Die Erregung wandert also nicht, sie wird Abschnitt für Abschnitt neu erzeugt.

Mit der Entfernung von der erregten Stelle wird dieser Strom kleiner und steigt flacher an, weil der hohe Innenlängswiderstand die Stromschleifen schon nahe am Ursprung durch die Membran zurückzwingt. Jenseits einer bestimmten Distanz reicht die Depolarisation nicht mehr zur Schwelle, und die Natriumkanäle inaktivieren, bevor sie ihren Beitrag leisten können. Die Sprungweite ist somit physikalisch begrenzt.

Weil jeder Abschnitt nach dem Durchlauf refraktär ist, breitet sich das Signal normalerweise nur vorwärts aus. Eine künstlich ausgelöste rückwärtslaufende Erregung, wie sie bei elektrischer Reizung von außen regelmäßig entsteht, endet spätestens an der nächsten chemischen Synapse, weil dort nur in einer Richtung übertragen wird. Der Preis dieser Bauweise ist die Geschwindigkeit: Marklose Fasern leiten mit etwa einem Meter pro Sekunde.

Die Markscheide verändert zwei elektrische Eigenschaften der Membran gleichzeitig, und beide begünstigen die Leitung. Sie erhöht den Widerstand quer zur Membran, sodass unter dem Myelin fast kein Strom nach außen verloren geht, und sie verringert die Membrankapazität, sodass weniger Ladung nötig ist, um die Spannung zu verschieben. Die Folge ist, dass ein kapazitiver Strom von nur einem bis zwei Nanoampere die Strecke bis zum nächsten Schnürring überbrücken kann, also etwa 1,5 Millimeter statt weniger Mikrometer. Dort, am myelinfreien und natriumkanalreichen Schnürring, wird das Aktionspotenzial neu gebildet. Diese sprunghafte Ausbreitung heißt saltatorische Fortleitung.

Der Zeitgewinn entsteht durch das, was ausgelassen wird. Die Neubildung eines Aktionspotenzials kostet etwa 0,1 Millisekunden, und genau diese Zeit fällt an jedem Schnürring an. Zwischen den Schnürringen läuft das Signal dagegen mit der Geschwindigkeit eines rein elektrischen Ausgleichsvorgangs, also praktisch verzögerungsfrei. Je weiter die Schnürringe auseinanderliegen, desto weniger Verzögerungen fallen je Strecke an. Beim Menschen erreichen die dicksten markhaltigen Fasern damit Leitungsgeschwindigkeiten bis etwa 90 Meter pro Sekunde, das ist rund das Neunzigfache einer marklosen Faser.

Die Sprunglänge ist nicht beliebig steigerbar. Der Ausgleichsstrom nimmt mit der Entfernung ab, und bevor er unterschwellig wird, muss das Signal aufgefrischt sein. Der Abstand der Schnürringe ist deshalb an den Faserdurchmesser gekoppelt: Dicke Fasern haben weite Internodien, dünne haben enge. Nebenbei ist die saltatorische Leitung auch energetisch günstiger, denn Natrium strömt nur an den Schnürringen ein und muss auch nur dort von der Natrium-Kalium-ATPase zurückbefördert werden. Eine myelinisierte Faser leitet also nicht nur schneller, sondern auch sparsamer als eine marklose gleicher Länge.

Neben der Myelinisierung ist der Faserdurchmesser die zweite bestimmende Größe, und zwar aus einem rein geometrischen Grund. Der Innenlängswiderstand verhält sich umgekehrt zur Querschnittsfläche, nimmt also mit dem Quadrat des Radius ab. Eine dicke Faser lässt den kapazitiven Strom deshalb sehr viel weiter ausgreifen und benötigt entsprechend weniger Aktionspotenziale je Streckenabschnitt. Zugleich wächst mit dem Radius aber der Umfang und damit die Membrankapazität, und eine größere Kapazität muss aufgeladen werden, was Zeit kostet. Weil der Widerstand quadratisch und die Kapazität nur linear vom Radius abhängt, überwiegt der beschleunigende Effekt eindeutig. Dicker heißt schneller, bei marklosen wie bei markhaltigen Fasern.

Die dritte Größe ist die Temperatur. Alle Kanalvorgänge laufen temperaturabhängig ab, und Abkühlung verlangsamt sowohl die Öffnung der Natriumkanäle als auch ihre Erholung aus der Inaktivierung. Eine gekühlte Faser leitet daher messbar langsamer, und unterhalb einer Gewebetemperatur von etwa 8 bis 10 Grad Celsius kommt die Leitung ganz zum Erliegen. Das ist die Grundlage der Kälteanalgesie und zugleich die Erklärung dafür, dass neurographische Messwerte nur bei kontrollierter Hauttemperatur beurteilbar sind. Viertens schließlich zählt die Unversehrtheit der Markscheide: Ein entmyelinisierter Abschnitt hat plötzlich eine niedrige Membranresistenz und eine geringe Natriumkanaldichte, sodass der Strom versickert, ohne ein neues Aktionspotenzial auszulösen.

Ein Axon kann beim Menschen fast einen Meter lang werden, besitzt aber keinen eigenen Zellkern und nur begrenzte Syntheseleistung. Alles, was am Ende gebraucht wird, muss vom Soma dorthin gebracht werden, und alles, was von der Peripherie gemeldet werden soll, muss zurück. Dafür dienen die Neurotubuli als Schienen und Motorproteine als Antrieb. Der schnelle anterograde Transport bewegt Vesikel mit Proteinen, Lipiden, Zuckern und Überträgersubstanz vom Golgi-Komplex des Somas zu den Enden der Dendriten und des Axons, mit etwa 40 Zentimetern am Tag, angetrieben von Kinesin unter Verbrauch von Adenosintriphosphat. In umgekehrter Richtung, von der Peripherie zum Soma, bewegt der retrograde Transport mit etwa 25 Zentimetern am Tag unter anderem Wachstumsfaktoren aus dem Zielgebiet, die dem Soma melden, dass die Verbindung steht.

Derselbe Weg wird von Krankheitserregern genutzt. Tetanustoxin, Herpesviren und Poliomyelitisviren gelangen retrograd entlang der Neurotubuli in das Zentralnervensystem oder in die Spinalganglien. Das erklärt die Latenz zwischen einer Verletzung und dem Beginn eines Wundstarrkrampfs ebenso wie die Fähigkeit von Herpesviren, jahrelang in einem Ganglion zu verharren und später im Versorgungsgebiet eines einzelnen Segments wieder aufzutreten. Der langsame axonale Transport schließlich verlagert Bestandteile des Zytoskeletts mit nur etwa einem Millimeter am Tag; er begrenzt das Nachwachsen eines durchtrennten Axons.

Aus dieser letzten Zahl folgt eine klinisch wichtige Rechnung. Ist ein Axon in Höhe des Oberarms durchtrennt und soll es die Handmuskulatur wieder erreichen, so ergeben sich bei einem Millimeter am Tag Monate bis über ein Jahr. Ein nur verlangsamtes Signal bedeutet dagegen eine intakte Faser mit geschädigter Hülle und eine Erholung in Wochen. Die Unterscheidung beider Bilder bestimmt damit unmittelbar, was Sie den Betroffenen über die zu erwartende Dauer sagen.

Die Neurographie nutzt genau die Physik, die oben beschrieben wurde. Wird ein Nerv von außen elektrisch gereizt, fließt Strom von der Anode in das Gewebe und tritt an der Kathode wieder aus; unter der Kathode wird die Membran depolarisiert, und bei ausreichender Reizstärke entstehen Aktionspotenziale in vielen Fasern gleichzeitig. Registriert wird nicht ein einzelnes Aktionspotenzial, sondern das Summenpotenzial des ganzen Nervs oder die Antwort des zugehörigen Muskels. Reizt man an zwei Stellen mit bekannter Entfernung und zieht die Latenzen voneinander ab, ergibt der Quotient aus Strecke und Latenzdifferenz die Leitungsgeschwindigkeit. Für große markhaltige Nerven der Extremitäten liegen die Normalwerte bei etwa 40 bis 70 Meter pro Sekunde; Werte unter 40 Meter pro Sekunde gelten als krankhaft. Weil das Verfahren die schnellsten Fasern abbildet, sagt es über marklose C-Fasern nichts aus.

Zwei Kenngrößen sind zu trennen. Die Geschwindigkeit hängt an Myelinisierung und Durchmesser; sie sinkt vor allem bei Erkrankungen der Markscheide. Die Amplitude hängt an der Zahl der Fasern, die überhaupt antworten; sie sinkt bei Untergang von Axonen. Ein drittes Bild ist der Leitungsblock: Proximal der Schädigung entsteht ein Potenzial, distal davon nicht, obwohl die Faser selbst intakt ist. Damit lassen sich die klinisch wichtigen Mechanismen einer Leitungsstörung ordnen.

Druck verformt die Markscheide an den Rändern der Kompression und erzeugt zunächst einen reinen Leitungsblock ohne Axonschaden; die Erholung braucht Wochen, ist aber in der Regel vollständig. Länger oder stärker einwirkender Druck schädigt auch Axone. Ischämie entzieht der Faser die Energie für die Natrium-Kalium-ATPase; das Ruhepotenzial bricht ein, die Kanäle inaktivieren, und die Leitung erlischt. Das eingeschlafene Bein nach langem Sitzen ist die harmlose Alltagsform, die Blutsperre bei Eingriffen an den Extremitäten die klinisch relevante. Druck und Ischämie treten dabei fast immer zusammen auf, weil Druck zuerst die kleinen Gefäße verschließt. Kälte verlangsamt die Kanalkinetik und blockiert die Leitung reversibel. Demyelinisierung, ob entzündlich, hereditär oder metabolisch, verlangsamt oder blockiert, lässt das Axon jedoch zunächst unversehrt. Lokalanästhetika schließlich erzeugen eine gewollte, vollständig reversible Blockade, indem sie den Natriumkanal von innen besetzen; die Einzelheiten dazu stehen im vorangehenden Unterkapitel.

Denken Sie die Nervenfaser als Kette von Verstärkern an einer schlechten Leitung. Zwischen zwei Verstärkern läuft das Signal rein passiv und verliert dabei Höhe. Jeder Verstärker stellt die volle Amplitude wieder her, kostet aber Zeit, nämlich die 0,1 Millisekunden für ein neues Aktionspotenzial. Die Gesamtgeschwindigkeit der Übertragung ergibt sich damit aus einer einzigen Frage: Wie weit kommt das Signal zwischen zwei Verstärkern?

Alle Einflussgrößen lassen sich in dieses Bild einsortieren. Die Markscheide verbessert die Leitung zwischen den Verstärkern, sodass sie weiter auseinanderstehen dürfen; ein dickeres Axon verringert den Längswiderstand und wirkt in dieselbe Richtung. Eine Demyelinisierung verschlechtert die Strecke, ohne die Verstärker zu entfernen: Das Signal kommt an, aber später, und wenn die Strecke zu schlecht wird, kommt es gar nicht mehr an. Der Untergang von Axonen entfernt dagegen ganze Leitungen aus dem Bündel; die verbliebenen leiten normal schnell, aber das Summensignal ist kleiner. Kälte und Ischämie machen die Verstärker langsam beziehungsweise setzen sie außer Betrieb. Ein Lokalanästhetikum schaltet mehrere aufeinanderfolgende Verstärker ab, und deshalb muss eine ausreichende Strecke umspült sein.

Der praktische Nutzen liegt in der Vorhersage von Befunden. Sie fragen sich, ob die Strecke zwischen den Verstärkern schlechter geworden ist, ob Verstärker langsamer arbeiten oder ob ganze Leitungen fehlen. Daraus folgt unmittelbar, ob Geschwindigkeit, Amplitude oder beides betroffen sind.

Was verändert die Anästhesie?

• Die Narkose nimmt jede Schutzreaktion. Muskeltonus, Schmerzwahrnehmung und spontane Umlagerung fallen aus, sodass Druck über Stunden ungebremst auf einen Nerv wirken kann. Gepolsterte Auflage, neutrale Gelenkstellung und regelmäßige Kontrolle der Lagerung sind deshalb Teil der anästhesiologischen Aufgabe.
• Muskelrelaxanzien erlauben Gelenkstellungen, die im Wachzustand nicht möglich wären. Die Abduktion des Arms sollte 90 Grad nicht übersteigen, der Ellenbogen nicht auf einer harten Kante liegen, und in Steinschnittlage ist der Fibulakopf freizuhalten.
• Hypothermie verlangsamt die Leitung in allen Fasern. Sie verzögert die Rückkehr der neuromuskulären Funktion, verlängert Regionalblockaden und macht neurographische Befunde unbrauchbar, solange die Extremität kalt ist.
• Die Blutsperre erzeugt Druck und Ischämie gleichzeitig. Anlagedruck, Manschettenbreite und vor allem die Dauer sind die Größen, die über einen bleibenden Schaden entscheiden.
• Eine Allgemeinanästhesie zusätzlich zur Regionalanästhesie nimmt dem Patienten die Möglichkeit, eine Fehllage oder eine schmerzhafte Injektion zu melden. Die Sorgfalt bei Lagerung und Anlage gewinnt damit an Gewicht.
• Eine vorbestehende Neuropathie, etwa bei Diabetes mellitus, senkt die Reserve gegenüber Druck, Ischämie und Zug. Ohne eine Untersuchung vor dem Eingriff lässt sich ein danach bemerktes Defizit nicht zuordnen.

Wann wird diese Physiologie klinisch sichtbar?

• Ulnarisläsion nach Rückenlage, weil der Nerv im Sulcus am Ellenbogen fast ungeschützt auf dem Knochen liegt und Druck von außen unmittelbar trifft.
• Peroneusparese mit Fußheberschwäche nach Steinschnitt- oder Seitenlage, weil der Nerv am Wadenbeinköpfchen dicht unter der Haut verläuft.
• Plexusschaden nach überstreckter Armlagerung, wenn Abduktion, Außenrotation und Dorsalverlagerung zusammentreffen und die Nervenstämme unter Zug geraten.
• Verlangsamte Leitungsgeschwindigkeit bei erhaltener Amplitude als Hinweis auf eine Erkrankung der Markscheide, nicht auf einen Untergang von Axonen.
• Monate dauernde Erholung nach axonaler Schädigung, weil das Nachwachsen an die Geschwindigkeit des langsamen axonalen Transports gebunden ist.
• Schwäche beim Entwöhnen von der Beatmung nach langem Intensivaufenthalt, wenn Nerv und Muskel gemeinsam betroffen sind und die Kraft nicht mit der Besserung der Organfunktionen zurückkehrt.

• Das Aktionspotenzial laufe wie ein Strom durch das Axon. Es wandert nicht, es wird abschnittsweise neu gebildet. Passiv läuft nur der kapazitive Strom zwischen zwei Bildungsorten, und der versiegt nach kurzer Strecke.
• Myelin beschleunige, weil es die Kanäle schneller mache. Die Kanalkinetik ist unverändert. Die Markscheide erhöht den Querwiderstand und senkt die Kapazität, sodass der lokale Strom weiter reicht und weniger Neubildungen nötig sind.
• Eine dicke Faser sei langsamer, weil sie eine größere Membranfläche aufladen muss. Dieser Effekt existiert, wird aber überwogen: Der Längswiderstand fällt mit dem Quadrat des Radius, die Kapazität steigt nur linear.
• Ein Lagerungsschaden zeige sich immer sofort. Ein Leitungsblock kann erst nach dem Aufwachen auffallen, und die Abgrenzung von einer fortbestehenden Blockade oder einer chirurgischen Ursache braucht eine gezielte Untersuchung.
• Eine normale Neurographie schließe eine Nervenschädigung aus. Das Verfahren erfasst die schnellsten markhaltigen Fasern. Eine Störung ausschließlich der marklosen C-Fasern bleibt dabei unbemerkt, und nach akuter Axondurchtrennung ist die Untersuchung distal für Tage noch unauffällig.

Merksätze

• Die Nervenfaser ist ein schlechtes Kabel. Jedes Signal muss unterwegs durch ein neues Aktionspotenzial aufgefrischt werden.
• Myelin verlegt die Auffrischung an die Schnürringe. Weniger Neubildungen je Strecke bedeuten weniger Zeitverlust und weniger Natriumeinstrom.
• Dicker heißt schneller, weil der Innenlängswiderstand mit dem Quadrat des Radius fällt.
• Geschwindigkeit steht für die Hülle, Amplitude für die Zahl der Axone. Aus dieser Trennung folgt die Prognose.
• Ein Nerv in Narkose kann nicht um Hilfe rufen. Lagerung ist Nervenschutz.

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