Proprioceptive Reflexe bei der Atmung

Beitr. Klin. Tuberk. 138, 250--279 (1968)

Proprioceptive Reflexe bei der Atmung

H. H. Wr~L~5~cra Max-Planek-Institut f/it experimen~elle Medizin

Abteilung Pharmakologie, G6ttingen (Direktor: Prof. Dr. Dr. W. Koll)

Proprioceptive Reflexes in Respiration Summary. In an introductory chapter the term "proprioceptive reflex" is defined accord

ing to SHERRI~rOTO~, and a classification of refexes in respiration is attempted with regard to this concept. In animal experiments a functional role of major importance has been established for three groups of proprioeeptive reflexes: chemorefiexes, reflexes from pulmonary receptors, and reflexes from receptors in the thoracic cage. As for the importance of these reflexes in man there is no doubt about the essential role of chemoreceptors, but the quantitative contribution of the reflexes from the other two receptor groups to breathing under normal and pathological conditions is still a matter of discussion. To encourage further clinical research this problem is dealt with in more detail. A somewhat simplified description of the function of receptors in the thoracic cage is given with emphasis on muscle spindles and the reflexes set up by them in the experimental animal. A subsequent chapter deals with the results of animal experiments on reflexes from pulmonary receptors. Results and conclusions from animal experiments are then compared with the results from experiments in man. There seem to exist considerable quantitative differences. For instance, the importance of the Hering-Breuer-reflex for the regulation of respiration in man is probably very small, at least in the healthy subject; the role of reflexes from muscles spindles in the thoracic cage is emphasized by clinical workers; reflexes from Golgi tendon receptors might turn out to be quite important, and evidence has been presented for reflexes in man which so far have not been demonstrated in animals. While clinical research has already yielded valuable qualitative information there are only few quantitative investigations as yet. So, for the time being it would appear to be too early to make a comparative estimation of the importance of the different proprioceptive reflexes in the respiration of man.

Zusammenfassung. In einem eirdeitenden Abschnitt wird der Begriff des proprioceptiven Reflexes ira Sinne der Auffassung yon SHEX~RL~G~O~ definiert. Eine Einteilung der respiratorischen Reflexe naeh diesem Konzept wird vorgeschlagen. Tierversuche haben eine grSBere funktionelle Bedeutung bisher f'tir drei Gruppen proprioceptiver Atemreflexe erwiesen: Chemo- reflexe, Reflexe ausgehend yon pulmonalen Receptoren und Reflexe ausgehend yon Receptoren in der Thoraxwand. Was die Bedeuttmg dieser Reflexe helm l~[enschen angeht, so ist die wesentliehe Rolle der Chemoreceptoren unbestritten, hingegen ist der quantitative Anteil der Reflexe aus den beiden anderen Receptorgruppen an tier Regulation der Atmung unter normalen und pathologisehen Bedingungen noeh weitgehend unbekannt. Dieses Problem wird im vorliegenden Artikel ausfiihrlicher dargestellt, um weitere klinische Untersuchungen hierzu anzuregen. Die Reflexe mit Ursprung in der Thoraxwand werden mit gewissen Vereinfaehungen dargestellt und die Bedeutung der Muskelspindeln und der yon ihnen ausgehenden Reflexe betent. /)as nachfolgende Kapitel ist den Ergebnissen tierexperimenteller Untersuchungen der yon pulmonalen Receptoren ausgehenden Reflexe gewidmet. Danach werden Ergebnisse und Schluflfolgerungen aus Tierexperimenten mit den bisher vorliegenden Befunden aus Humanexperimenten vergliehen. Die sieh hierbei ergebenden Unterschiede sind zumindest quantitativ so erheblich, dal] zukfinftig die t~bertragung yon im Tierexperiment gewonnenen Vorstellungen auf die VerhKltnisse beim Menschen nur nach experimenteller Pr(ffung gerecht- fertigt erseheint. So ist zum Beispiel die Bedeutung des Hering-Breuer-Reflexes fiir die Regulation der Atmung zumindest beim gesunden l~[enschen wahrscheinlieh sehr gering. Klinisehe Untersueher betonen zunehmend die Bedeutung der 1Kuskelspindeln filr die re-

Proprioeeptive Reflexe bei der Atmung 251

flektorische Regulation der Atmung. Auch fiber die Rolle der Golgi-Sehnenrecep~oren liegen interessant¢ Untersuchungen vor. Endlieh haben Humanexperimente Hinweise auf proprio. ceptive Atcmreflexe gebracht, ffir deren Existenz der Tierversueh bisher keine Anhaltspunkte gegeben hatte. Obwohl klinische Untersuehungen bereits wertvolle qualitative Informationen geliefer$ haben, gibt es bis heute nur sehr wenig quantitative Ergebnisse. Daher ist eino vergleiehende Abseh~tzung der Bedeutung der verschiedenen proprioeeptiven Reflexe ffir die Regulation der ASmung beim Mensehen noch nieht mfglieh.

1. Definition und Einleitung

In seinem klassiseben Werk ,,The integrative action of the nervous system" teiIte SHERR12~GTO~ (1961) die Reflexe naeh ihrer auslSsenden Ursaehe in zwei Gruppen ein: Exteroceptive Reflexe werden direkt dureh einen Umweltfaktor des Organismus ausgelSs$, hingegen ist primum movens des proprioceTtiven Reflexes ein kSrpereigener Vorgang. In die zweite Gruppe gehSren mithin alle Reflexe, die dutch die kSrpereigenen Vorg~nge Inspiration und Exspiration ausgelSst werden. Ihre gemelnsame Aufgabe sei anhand yon Abb. 1 erliiutert:

i weniger bekarmte Afferenzen Extero- Chemoreeeptorafferenzen Proprio- ceptiver ~__ eeptiver ZufluB Zuflul]

i Respiratorischer Neuronenverband (Supraspinale + spinale

- - - ÷ respira~orisehe Neurone )

" I " ~-Efferenz

[ A temmuskulatur ]

Interpleural- flfissigkeib

ILung e ..... I

, Gasaustausch

[ rlu e;w;be

pulmonale vagale Afferenzen

spinale Ia, Ib, (II) Afferenzen

7-Efferenz

Moeh n. ovplu g .[ M,, kel pin,tei ] (Dehnung)

l~Iechan. Kopplung ,[ Pulmonale (Dehnung) [ Dehuungsreceptoren

] Chemi e e XovpZ g ,[ Chomo 0;toro. [ - -

Abb. 1. Schema~ische Darstellung der proprioceptiven Reflexe bei der Atmung

Von der Ausgabe des Innervationsbefehls dureh den Verband der respirations. aktiven Neurone ffihrt gleichsam ein Hauptweg (links in Abb. 1, hervorgehoben) fiber mehrere Stufen bis zur Adjus~ierung chemischer Parameter im Blur. Ein solches mehrstufiges System kann sieh weehselnden Situationen nur dann an- passen, wenn der l~:euronenverband von verschiedcnen Stationen des Hauptweges aus Rfiekmeldungen erhiflt, die ihn fiber die Effektivit~t seiner T/itigkeit informieren.

Ein unentbehrIicher Rfiekmeldeweg ffihr~ zweifellos fiber die Chemorecep- toren. Wenn die Atmung den Stoffweehselanforderungen nieht mehr entspricht, dann fiihrt die Verschiebung (kfrpereigener) ehemischer Parameter in Blut und Gewebe zu einer Erregung oder Hemmung der ad/iquat dagegen empfmdliehen Chemoreeeptoren, und ihr ver/~ndertes elektrisches Impulsmuster veranlaBt den

252 H.H. WELLItfNER:

Neuronenverband zu einer entsprechenden /~nderung seiner T/~igkei~. Die Becleu~ung der Chemoreeep~oren erkenn~ man berei~s aus dem Umstand, dal~ sio am Ende des Haup~weges in Abb. 1 die ,,Schlul~kontrolle" tiber die Effekt~vit~t der Atmung austiben. Im Rahmen dieser Tagung sind sie Gegenstand spezieller Vortr~ge und werden deshalb an dieser Stelle nicht welter besproehen.

Die verbleibenden Meehanoreflexe lassen sich, soweit, aie bekann~ sind, in drei Gruppen einteflen:

1. Mechanoreflexe aus der A~emmuskula~ur, den Sehnen und Gelenken, im folgendon als Reflexe thorakalen Ursprungs bezeichnet.

2. Meehanoreflexe aus den Lungen, im folgenden a]s Reflexe pulmonalen Ursprungs bezeichnet.

3. Mechanoreflexe aus dem tIerzen und den Gef/~l~en. Diese Reihenfolge beinhal~et keine Raugordnung fiir die klinisehe Bedeutung

der Reflexe. Diese wird a. a. O. (S. 269) gesondert diskutierk

2. Reflexe thorakalen Ursprungs

Historlsches. A. FL•ISCH (1928, 1929a, b) wies erstmatig darauf bin, dab atemwirksame proprioceptive Reflexe nich~ nur fiber vagale Afferenzen aus- gelfst werden, wie man bis dahin vornehmlieh unter dem Eindruek der Unter- suchungen yon HErn ia u. BRAVER (1868) sowie yon HEAD (1889) angenommen harts. FLEISC~ machte im Gegentefl sogar geltend, da6 z. B. die durch Ver~nderung des Atemwiderstandes ausgelSsten Reflexe ganz vornehmlieh veto Bewegungs- apparat ausgehen und dem N. vagus hierbei keine erkennbare Bedeutung zu- komme. ~3~berrasehend ist die Genauigkei$, mi~ der er schon damals nur under Verwendung der Pneumotaehographie die Reflexzeit im Mittel zu 0,069 see (geringster Weft: 0,034 see) angab, wenn man sie mit den dutch Elektromyo. graphie gewonnenen Werten yon NEwso~-DAws u. SEARS (1967) vergleich$ (0,035--0,085 see!). Besonderen Weft erhielt die erste Verfffentliehung dadurch, dal] die Ergebnisse im Humanexperiment gewonnen waren. Der Au$or unter- schiecl 10 Reflexe; naeh heutlgem Wissen wfirde man einige auf gemeinsame Wirkungsmeehanismen zurfiekfiihren. FLEISCH erkannte richtig, dab der yon PAUL H o F ~ (1922) an den Ext.remitaten untersuchte Mechanismus des sogenannten Eigenreflexes aueh bei den von ihm untersuehten Atemreflexen wirksam war. Die Arbeiten yon tT~IscK fanden aus versehiedenen Griinden zun~ehst wenig Resonanz; mit Einfiihrung der Technik der Einzelfaserableitung ha~t,e sich das Interesse der an Respirationsproblemen interessierten Experimenta- toren zungehs$ erneub den leieh$ zugKngliehen Afferenzen im N. vagus zugewende$, muskul~re Afferenzen liel~en sieh ebenfalls aus technisehen Grfinden am Lumbal- mark besser unbersuehen, und fiberdies war es HOFFMANN U. KELLER (1929) sowie HOYFM~'~N e$ al. (1931) nich$ gelungen, den Eigenrefiex flit das Diaphragma nach- zuweisen. VAN NIv.KE~K u. Tv.]~ B~XAX (1935) gar stellten die Deutung, die FL~,mC~ seinen Befunden gegeben hatte, fiberhaupt in Abrede. Das Interesse an Reflexen aus dem respiratoriseh wirksamen Bewegungsapparat lebte erst zu Beglnn dieses Jahrzehnts wieder auf, als SIEBENS U. PULETTI (1959) in thorakalen Dorsalwurzeln der Katze afferente Impulse nachwiesen, deren Frequenz im Atem- rhyChmus moduliert wurde, uncl aIs NAT~X~ u. SE~t~S (1960) eine wesentliche

Proprioceptive Reflexe bei der A~mung 253

Reduktion der Atmung naeh operativer Durchtrennung thorakaler Dorsalwurzeln beim Menschen beobaehteten. Vergleiehbare Untersuehungen waren im Tier- expe1~nent schon friiher durehgeffihrt worden (GAUNT u. SCOTT, 1918; COOMBS, 1918; COOMBS u. PIKe., 1918, 1930). Erst yon diesem Zeitpunkt an begann die Uneersuehung der Reflexe aus der Intereost~lmuskulatur mit den Mitteln der modernen Elektrophysiologie. Besonderes Verdienst haben sieh hierbei die Arbeits- gruppen urn C. "¢o~ EULER und T. A. S~.ARS erworben. Es erwies sich, dab Vor- stellungen, die man vornehmlieh aus Untersuchungen an den Hinterextremit~ten yon Warmblfitern gewonnen hatte, im Prinzip aueh an der Atemmuskulatur gfiltig blieben. Wir wissen heute, dab dem Organismus in den vom thorakalen Bewegungs- apparat ausgehenden Reflexen ein schnell und empfindlich reagierendes Rfiek- meldesyseem zur Verfiigung steht, dessen Bedeutung den l~nger und genauer bekannten Reflexen pulmonalen Ursprungs nlcht nachs~ehen dfirfte.

Direkter und indirekter Anlrieb der Atemmuskulatur Supraspinale Neurone bilden den Respirationsbefehl in Form einer Folge yon

Aktionspotentialen, die fiber deseendierende Fasern zur spinalen Ebeno gelangen, dorg fiber Interneurone umgeschaltet werden und dann auf die motorischen Vorderhornzellen des Rfiekenmarks e i n ~ ' k e n (Abb. 2).

t3ber Art und Funktion der absteigenden Bahnen siehe C~n~B~LL (1964), V. EULER U. P ~ . ~ r I (1964), CORI)A et aL (1964, 1966), A~D~aSE~ u. S ~ S (1965), S~x~s (1966a).

Das Membranpotential der Zellen sinkt als Folge dieser supraspinalen Er- regung. Die im Atemrhythmus verlaufenden Sehwankungen des Membran- potentials zeigt Abb. 3.

l~icht nur excitatorische, sondern auch in- hibitorische supraspinale Einflfisse werden auf die Motoneurone wirksam. ECCLES et al. (1962) sowie SE~RS (1964d) konnten zeigen, dab w~h- rend der Inspiration die Motoneurone des M. intercost~lis externus gef6rdert, die ~¢Iotoneu- tone des M. intercos~u~lis internus hingegen aktiv von suprasplnal her gehemm~ werden; das Umgekehrte galt w~hrend der Exspiration.

~Vir4 die Depolarisation w~hrend der Erregung groB genug und iibersehreitet sic eine gewisse Grenze (critical firing level), so bflden sieh Aktionspotentiale, die fiber motorisehe Axone im N. intercos~alls in die Peripherie laufen (Abb. 4).

Die motorischen Vorderhornzellen bilden zwei Gruppen: Die histologiseh groBen ~-Motoneurone versorgen mit relativ dieken (SEARS, 1964a) und sehnell leitenden (EKLu~D e~ al., 1964) Axonen die Arbeitsmuskeffasern, die histologiseh

Abb. 2. Schematische Darstellungder direkten und indirekten Erregung ttmrakaler /Ylotoneurone ffir den ]~¢L intercost, externus. WS Wirbel~ule, AF Arbeitsfaser, NBF

,,Nuclear bag"- Fasern

254 H . H . W~LLHO~ER:

ArVV ~ ~ ~ ~ ~J~ I l l ~ ¢ r , ~ ~w- ~ ~ "~.. ~ ~ '~t ~• ~ 1 ! 5

E ~ ~ ~ ~ 4 ~ B ~ .~ ~ .. sl ~ ~ J

~SmV [2mV

t i l t i L_LI t t i l l l l

SEC S EC Abb. 3. Atcmsynehrone Schwankungen des Membranpotentials inspira~rischer und exspirs- torischer Motoneurone (Central respiratory drive pofentials, CRDPs). Jeweils obere Registrier- spur: intracelluliire gemessene Membrsnpotentislsehwankungen; untere Registrierspur: EMG des Diaphragms. A, B, C inspiratorische Me,neurone; D, E, F exspirstorische Nfof~neurone (man besehte die un~erschiediiche Verst~rkung) Motoneurone identifiziert dureh antidromen Reiz des N. intereostalis externus bzw. intemus. DC-Abteilungstechnik. [Aus S s ~ s :

J. Physiol. 175, 404--424 (1964).]

:,,J UIII IltlI XIILL==, B IllIIIt]$$ [ll I I IIIIIIII • " lllilllllll!l~m~!~JJJPilil" ............. ]llllpJlllJmllJl~laJl~fllJlll-J J

Abb. 4. Efferente Aktivit~t in einem diinnen Filament des N. in~ercostslis, dss der Versorgung des M. inLercostalis externus client. A Spontsnstmung (ein ¢t- und ein y-Axon sktiv), B/qach Blockade des y-Axons mit Lidocain [Gekiirzt aus EF~LU3D et sl. : Acts physiol. Scsnd. 57,

481--482 (1963)]

kleineren 7-Motoneurone mit dfinneren, langsamer leitenden Axonen (SEARS, 1964a; EKLUND et al., 1964) spezielle spindelfSrmige Organe, die sogenannten Muskelspindeln. Bei Ableitung der Aktionspotentiale yon hinreiehend diinnen Fflamenten des N. intercostalis l~Bt sich erkennen, ob eine Aktionspotentialserie yon einem ~. oder y-Motoneuron gebildet wurde: befinden sich Axone yon beiden

Proprioceptive Reflexe bei der Atmung 255

Motoneuronarten in einem Filament, so werden die fiber die ~-Axone verlaufenden Aktionspotentiale grSBer registriert als die in y-Axonen (Abb. 4), wie nach den Versuchen yon GASSER u. G~U~D~ST (1939), Hu~sK (1939) und Hu~T (1951) an anderen Nerven zu erwarten ist. Ferner sind y-Axone gegen eine Leitungs- anaesthesie empfindlieher als ~-Axone (MA~rHEWS U. RUSttWORVrr, 1957), was eine selektive Blockade der y-Axone mit LSsungen geeigneter Konzentrationen erlaubt. Dies gilt, wie Abb. 4 zeigg, auch f/ir den N. intercostalis.

Es ist unmittelbar einzusehen, daft die direkte, supraspinale Erregung der ~-Motoneurone zum Auftreten yon Aktionspotentialen in den ~.Efferenzen und damit zur Kontraktion der Arbeitsmuskulamr fiihrt. Dieser Vorgang enth/flt keine spinalreflektorischen Komponenten. -- Nicht unmittelbar zu erkennen ist hingegen, warum neben der ArbeitsmuskuIatur aueh noch die Muskelspindeln innerviert werden. Im Folgenden wird gezeigt, dab die Innervation der Muskel- spindeln zur Aktivierung eines proprioceptiven Spinalreflexes ffihrt, und dab fiber diesen Reflex ein Zusatzantrieb ffir die Arbeitsmuskulatur geschaffen w/rd. Der Antrieb der Arbeitsmuskulatur erfolgg also gleiehsam arbeitsteilig auf zwei Wegen, n/~mlieh auf einem direkten Weg und zus~itzlieh auf einem indirekten Weg, der fiber die Aktivierung tines proprioeeptiven Spinalreflexes ffihrt. Man ist zu der Annahme berechtigt, dab diese arbeitsteilige Innervation ffir die besondere (stegig zu- und abnehmende) Kontraktionsform der Atemmuskulatur optimal ist.

Prinzip des iiber die ~luskelsplndeln verlau[enden prolorioceptiven atemwirksamen Reflexes

Das Prinzip wird hier zuni~chst nut flit den M. intercost, externus (Inspirations- muskel) dargelegt. Besonderheiten des M. intereost, externus und des Diaphragma werden gesondert abgehandelt.

Wie bereits erw~hnt, fiihrt die supraspinale Erregung zu einer Depolarisation arch der y-Motoneurone mit Ausl5sung yon Aktionspotentialen, die fiber die y-efferenten Axone im N. intercost, zu den Muskelspindeln fortgeleitet werden.

Die Muskelspindeln sind in der Intercostalmuskulatur relativ zahlreich und zwischen den Rippen parallel zu den Arbeitsmuskelfasern angeordnet (H~BER, 1902; B ~ . R , 1962; BOWD~, 1963; S~ms, 1964a). Das bedeutet: Wenn die Arbeitsmuskulatur bei einer Kontraktion ihre Insertionspunkte einander an- n~iher~, so verkleinert sic gleiehzeitig auch den Abstand der Insertionspunkt~ der Muskelspindein. Zum Verst~ndnis des ~Virkungsmeehanismus der Spindel denke man sich ihre huBere bindegewebige Hfille ge6ffnet. Man findet darin 6--8 speziaU- sierte Muskeffasern (intrafusale Muskulatur genannt im Untersehied zur extrafusalen oder Arbeitsmuskulatur), die zwei Gruppen bflden. Die erste Gruppe der nuclear chain fbers und ihre Innervation wird im folgenden vernachlhssigt. Die Fasern der zwei~en Gruppe (nuclear bag fibers, NBF) sind in der Mitre (~quatorialer Teil) saekf6rmig aufgetrieben. I-tier befinden sich die Kerne in ihrer Mehrzahl, jedoeh kaum Myofibrillen, und yon hier geht ein afferenter Nerv (Ia-Afferenz) aus. Zieht man den Sack auseinander, so ffihrt diese Dehnung zur AuslSsung yon Impulsen in dot afferenten Faser. Dehnung des ~quatorialen Tefls der NBF ist also der adii- quate Reiz zur Ausl6sung afferenter Impulse. ~ Die polaren Teile der NBF sind hingegen reich an Myofibrillen, mithin im Gegensatz zum ~quatorialen Tell gut kontrahierbar. Auf den polaren Teilen endet aueh die efferente ][nnervation.

256 H .H. WELLHSN:ER-"

Dieses Bild ist stark vereinfacht. In Wirklichkeit ist die efferente Innervation der Spindel nicht a|s homogene Innervation zu besehreiben, und die nuclear chain fibers mit ihrer afferenten Innervation sind f'dr die Spindelfunktion nieht etwa nur yon zwei~rangiger Bedeutung. Artikel von zusammenfassendem morphologischem Charakter fiber dieses in rascher ]~ntwiektung befindtiehe Gebiet haben B~K~R (1966, 1967, 1968 und BOYI) (1966) verSffentlicht.

Der Reflexmechanismus ~drd nun wie folg~ aktiviert: Die NBF verwandelt die fiber die efferenten y-Fasern ankommenden Aktionspotentiale in eine Verkfirzung ihrer polaren kon~raktflen Teile. Ist die gleiehzeitig erbraehte Verkiirzung der ArbeiSsmuskulatur groB genug, dann hat die Arbeitsmuskulatur nicht nut ihro eigenen, sondern auch die Insertionspunkte der parallel liegenden Spindelmusku- latur so stark einander geniihert, dal~ hierdureh die Verkfirzung der kontraktilen Pole der NBF roll kompensiert wird, also keine Restkomponente der Polverkfir- zung zu einer Dehnung des Aquatorteils ffihrt. Die Ia-Afferenz bleibt folglieh in ibxer Grundfrequenz tmver~nder$, tIa~ die Arbeitsmuskulatur sieh ]edoeh nur wenig verkfirzt, dann ha¢ sie ihre eigenen Insertionsstellen und damit auch die der Spindelmuskula~ur nut wenig einander geni~hert, nur ein Teil der Polverkfirzung der NBF wird dadureh kompensiert, der Rest wird dureh Dehnung des aqua- torialen Teils gedeckt, und diese I)ehnung 15st Impulse in der Ia-Afferenz aus. Diese Impulse wirken gleichsam unter Umgehung aller hSheren Instanzen mono- synaptiseh (Abb. 2) auf die ~-Motoneurone erregend ein und schaffen damit einen starken reflektorischen Zusatzantrieb. Dieser veranlaBt die ~-Motoneurone, vermehr~ Aktionspoten~iale fiir die Arbeitsmuskulatur zu bilden. Die Arbeits- muskulatur wird sieh daraufhin krMtiger kontrahieren, und die von ihr erbrachte Verkiirzung wird sieh der Verk~zm~g in den Muskelspindeln n~"hern.

Nunmehr is~ leieht einzusehen, dab der beschriebene Reflex proprioeeptiv ist: Seine im Organlsmus selbst gelegene Ursaehe is~ die Differenz zwischen der intrafusalen und extrafusalen Muskell£nge. Sie ffihrt reflektorisch fiber die Ia-Afferenz zu einem Zusa~zantrieb der ~-Motoneurone, damit zu einer zus£~zliehen Kraftent- wicklung der extrafnsalen Musklflatur.

Die ~-Motoneurone erfahren in der Regel yon supraspinal her einen geringeren Antrieb w~hrend der Inspiration als die y-Motoneurone. Selbst wenn also die Arbeitsmuskulatur auf die Aktionspobentialsalven tier ~-Mo~oneurone mit der en~- spreehend optimal mSglichen Verkfirzung reagieren kSnnte, so ware die Ver- kfirzung der intrafusalen Spindelmuskula~ur noch immer grSBer. Bei jedem Insplra~ionshub bilde~ sieh also berei~s unter physiolog~chen Umst£nden eine Differenz zwischen intrafusaler Verkfirzung und extrafusaler Verkfirzung des M. intercost, ext. Infolgedessen wird der in Abb. 2 gezeichnete Reflexbogen bereits unter physiologischen Umsti~nden bei jeder Inspiration aktiviert. Dem- gem~B steigt die Impulstiitigkeit in der riickmeldenden Ia-Afferenz bei jedem Inspirationshub an, wie CRITC~LOW U. EUL~R (1963) demonstriert haben (Abb. 5)

Naehzuweisen ist aber ifieht nur die Zunahme der Impulshi~ufigkeit in der Afferenz, sondern weiterhin ihre wirksame Folge, n~mlieh die erregende Wirkung auf die a-Motoneurone. Man soll~ erwarten, dab die Anzahl der ,,groBen" ~-Im- pulse, die ]ewefls in der aktiven Atemphase erseheinen, naeh Durchschneidung der Dorsalwurzel zurfickgeht, da der reflektorisehe Zusatzan~rieb dann unterbrochen ist. Dies ist in der Tat der Fall, wie die vergleiehende Betrachtung yon Abb. 6 A und 6 C lehrt. Man beachte bei der Abbfldung, dab abweiehend vom bisherigen

Proprioceptive Reflexe bei der Atmung

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257

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Abb. 5. Impulse einer afferenten Faser aus einer ,,inspiratolnscae Muskelspindel (erste Registrierspur yon aben). Simultan registriert wurde der Intereosta|zwischenraum (Abstand der zweiten und dritten Registxierspur) und das Atemvolumen (vierte Registrierspur). [Aus

CRITCHLOW U. V. EULER: J. Physiol. 168, 820--842 (1963).]

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Abb. 6. Wirkung einer Dorsal~rzeldurchschneidung auf die Aktivit~t exspiratorischer ~- und 7-Motoneurone. Auf dGr jewels oberen Registrierspur die Ableitung aus einem exspiratorischen Nervenfilament aus Th 8; auf der jewels unteren Registrierspur das EMG des Diaphragma. -- A Kontrolle; B Die Trachea wurde auf der HShe der Inspiration verschlossen T. C. und erst nach Ende der verl~ngerten exspiratorischen Pause ge6ffnet T. 0. ; C Nach beidseitiger Durch- schneidung der Dorsalwurzeln Th 7, 8, 9; D WiG in B, aber naeh Dorsalwurzeldurchsehneidung; E Kontrollaufnahme bei h6hGrGr Filmgeschwindigkeit zur besseren Demonstration der 7-

efferentGn Impulse. [Aus S~ms: J, Physiol. 174, 295--315 (1964).]

2 5 8 H . H , W E L L B 6 N E R :

Gebrauch bier ausnahmsweise von einer wi~hrend der Exspiration aktiven Efferenz registriert wurde.

Die haupts~chliche pathophysiologisehe Ursache fiir eine verst/irkte Akti- vierung des Reflexes scheint die ErhShung des peripheren Atemwiderstandes zu sein. Da bei steigendem Atemwiderstand eine gleiehbleibende efferente Inner- vation der Arbeitsfasern zu einer immer geringeren Verkiirzung des Intercostal- muskels fiihrt, muB die Differenz zwisehen extrafusaler und intrafusaler Muskel- 1/tnge waehsen. Das sollte zunKehst zu einer starken Zunahme der Impulstgtigkeit in den afferenten Fasern fiihren. CORDA et al. konnten das experimentell verifizieren (Abb. 7).

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] s e c Abb. 7. In der unteren Registrierspur repr~s~ntieren die groI~en Impulse afferente Ent- ladungen, die yon einer Muskelspindel im M. intercost, ext. ausgehen; die obere Registrierspur gibt das Atemvolumen. Bei Verschlul~ der Trachea (Markierung) vor Beginn einer Inspiration starke Zunahme der afferenten Entladungen. [Aus CORDA et al. : Aeta physiol, scand. 63,

391--400 (1965).]

Dariiber hinaus sollte die Zunahme des afferenten Einstroms die ~-Motoneurone aktivieren. Dies wurde experimentell sowohl yon SEARS (1964b, s. Abb. 6) als auch yon COR])A et al. (1965) verifiziert. Hingegen diiri~e sieh keine Aktivitiits- zunahme der a-Motoneurone zeigen. Nach vorangehender beidseitiger Vagotomie erhielten CO~DA et al. (1965) in der Tat. dieses Ergebnis. S E ~ s (1964b) beobachtetv dagegen bei Tieren mit intakten Vagi eine Aktivierung auch der :¢-Motoneurone, was auf die Bedeutung des Hering-Breuer-Reflexes hinweist (siehe spi~ter).

Besonderheiten beim M. intereostalis internus

I m Prinzip gilt ffir den M. intercost, int. genau das gleiehe wie ffir den M. intercost. ext. Folgende Unterschiede sind bemerkenswert:

1. Die supraspinale Erregung und Hemmung seiner Motoneurone ist relativ schwtieher (vgl. die Eiehung ]inks und rechts in Abb. 3).

2. Aus 1. folgt, dab die intrafus~le Kontrakt ion durch y-efferente Impulse ebenfalls geringer sein wird.

3. Aus 1. und 2. folgt, dab die a-Aktivi t£t normalerweise sehr gering sein wird (SExRS, 1963), da sowohl der direkte Antrieb als aueh der reflektorisehe Antrieb klein ist.

4. Auf ~¢-Motoneurone des M. intercost, intern, convergieren Ia-Afferenzen nieht nur aus dem segmental zugehSrigen exspiratorischen Intercostalmuskel, sondern auch noeh aus 1--2 dar/iber und darunter liegenden segmentalen M. intereost, interni (S~ARS, 1966b). - - Auf 70% der :¢-Motoneurone des M. intereost. ext. hingegen konvergieren Ia-Afferenzen nur aus dem zugehSrigen segmentalen inspiratorischen Intercostalmuskel. Ungefi~hr die Hi~lfte der verbleibenden 30% wird unerwartet dureh I a-Afferenzen aus der antagonostischen Exspirations- muskulatur angetrieben.

Proprioeeptive Reflexe bei der Atmung 259

Die starke Konvergenz von Ia-Afferenzen auf exspiratoriseh wirksame a-Motoneurone hat SEARs (1966b) urshchlich mit dem Umstand in Beziehung gcsetzt, da{~ auch beim Menschen die willkigrlich erreichbare Kraftentwieklung bei der Exspirat ionsmuskulatur grLi]er ist als bei der Inspirationsmuskulatur.

Besonderheiten beim Diaphragma

Die Zahl der Muskelspindeln im Diaphragma ist sehr gering (Do(~IEL, 1902; WINCKL]~R U. DEI~ALOYE, 1957). Beriicksichtigt man, dab auch nur wenig afferente Fasern im N. phrenieus verlaufen (H~NsEY et al., 1939; FERNAND U. YOUNG, 1951 ; LANDAU et al., 1962 ; YASARGrL U. KOLLER, 1964) und dab dementspreehend nur wenig afferente Impulse vom N. phrenicus abgeleitet werden k6nnen (GLEBOWSKI, 1962; YASARGIL, 1962; CORDA et al., 1965b), so wird man eine merkliche reflektorische Beeinflussung der Zwerchfellti~tigkeit durch die beschriebenen Spinal- reflexe nicht erwarten. In der Ta t fiihrt der VerschluB der Trachea (naeh Vagoto- mie) auch zu keiner solchen reflektorischen Ver'~nderung (CuNlSOD, I96I ; GL]~BOW- SKI U. PAWLOWA, 1962; CO~DA et al., 1965b; SANT'AMBROGLIO U. WIDDICOMBE, 1965). Das gleiche gilt ffir afferente elektrisehe Reizung des N. phrenicus (GRAND- ZEAN, 1943). Die Durchtrennung der Dorsalwurzeln blieb in Versuchen von SANT'A~BROGLIO et al. (1962) bei Katzen auf die Bewcgung der Zwerchfelle ebenfalls ohne EinfluB. GILL U. KUNO (1963) fanden am Membranpotential von Phrenicus-Motoneuronen noch night einmal Zeichen einer synaptischen Depolari- sation dutch I a-Afferenzen. So scheint es, dab der spinalreflektorische EinfluB auf die Zwerehfellkontraktion gering ist. Hingegen scheint den Golgi-Sehnenrecep- toren eine gr6Bere Bedeutung zuzukommen, die aber im einzelnen noch nicht ge- kl~rt ist (GILL U. KVNO, 1963). l~ber den Intercostal-Phrenicusreflex siehe S. 263.

Physiologische und pharmakologische Modulation de8 Rellexas Die physiologischen AtemgrLBen ~ndern sich mit den Anforderungen, die dem Verband

supraspinaler respiratorisch aktiver Neurone signalisiert werden. Hierbei kann es sich um Sigaale aus nichtspin~len afferenten BLgen handeln, etwa um Impulse aus den peripheren Chemoreceptoren oder den Lungendehnungsreceptoren. Die Frage ist, ob die efferente Spina]- bahn dieser Reflexe nur auf die ~-Motoneurone oder nur auf die y-Metoneurone oder auf beide wirksam wird. Im e~ten Fall wfirdea respiratorische Reflexe pulmonalen Ursprungs parallel zu den respiratorischen Spinalreflexen verlaufen und beide w~ren voneinander unabh~ngig. Im zweiten Fall l~ge die efferente Bahn der pulmonalen Reflexe in Reihe vor der efferenten Bahn der thorakalen Spinalrefiexe und wiirde die Spinalreflexe weitgehend modulieren. Im dritten Fall l~ge der gemischte Typ vor. Welche dieser drei MLglichkeiten wirklich realisiert ist, wird fiir die pulmonalen Mechanoreflexe bei deren Abhandlung besproehen. An dieser Stelle sei jedoch das Ergebnis fiir Hypoxie, Hypercapnie und Hyperventilation mitgeteilt.

Bei der spontan atmenden Katze ffihrt die Herabsetzung des Sauerstoff- gehaltes im geatmeten Gasgemisch yon 20% auf 12~o (S~:AICs, 1964b) bzw. 8% (EKLUND et at., 1964) naeh wenigen Sekunden zu folgenden Veranderungen: Die Zahl tier inspiratorisch entladenden a-Motoneurone und die Entladungs- ibequenz des einzelnen inspiratorischen :¢-Motoneurons n immt zu; auch die Entladungsfrequenz der inspiratorischen y-Motoneurone n immt zu und bleibt auch wi~hrend der Exspiration beaehtlich. Die Entladungsrate tier exspiratorischen ?-Motoneurone n immt hhlgegen ab, und zwar besonders die ,,Ruheentladungs- rate" w~hrend der Inspiration. Diese Ergebnisse erhiflt man auch am curarisierten, kiinstlich beatmeten, aber nicht hyperventilierten Tier.

260 H.H. WE~6NEI~:

~hnliehe Ergebnisse wie bei Hypoxie erh~lt man bei Induktion einer Hyper- kapnie dureh 5% CO2 in Luft (SEAI~S, 1964b) oder 6,5% CO2 in 02 (EKLUND et al., 1964) oder durch Lobelin. Auch die Zahl der inspiratoriseh entladenden Phrenicus- Motoneurone m~d die Entladungsrate des einzelnen Motoneurons steigt bei waehsender CO2-Konzentration in der Atemluft (GILL, 1963).

Ein anderes Impulsmuster ergibt sich bei Hyperventilation durch Uberdruek- beatmung (sowohl ohne als auch mit vorheriger Relaxation durch Flaxedil). Die inspiratorischen c¢-Motoneurone stellen ihre T~tigkeit ein, ebenfalls ein Teit der inspiratorischen ~-Motoneurone. Die verbleibenden inspiratorischen y-Mote- neurone enttaden z.T. mit hoher Frequenz weiter. -- Die exspiratorisehen 7-Mote- neurone zeigen ein sehr interessantes Verhalten: Die Modulation ihrer Impulsrate verschwindet, sie entladen mit stetiger hoher Frequenz.

Die Effekte yon Hypoxie, Hypercapnie und Hyperventilation versehwinden nach hoher Spinalisierung (EKLUND et al., 1964).

Man erkennt, dab supraspinale Einflfisse sowohl auf die c¢-Motoneurone als auch auf die y-Motoneurone wirksam werden, das Experiment also den dritten, ,,gemischten" Typ supraspinaler Beehlflussung als existent nachweist. Es l~l]t sieh die Frage stellen, ob eine separate supraspinale Wirkung auf respiratorische a- oder y-Motoneurone iiberhaupt m6glich ist. Dies gelingt in der Tat relativ gut z.B. durch selektive elektrische Reizung cerebellarer Strukturen (CORDA et al., 1966)

Die respiratorischen Refiexe thorakalen Ursprungs sind stark vonder Narkose- tiefe abh/ingig. Bei Vertiefung der Narkose nimmt die Aktivit~t der inspiratorischen a- und ~-Motoneurone etwa im gleichen Mal~e, die Aktivit~t der exspiratorischen ~-Motoneurone jedoeh sehneller als die der exspiratorisehen y-Mote- neurone ab.

Ein spinaler Antrieb des Reflexbogens liifit sieh pharmakologisch mit Suceinyl- cholin erreichen (EKLUND et al., 1964), was naeh den Ergebnissen von GRANrr et al. (1953) sowie HENATSCH U. SCtIULTE (1958) ZU erwarten war. Sueeinylcholin wirkt dabei auf die Muskelspindel in der Weise, dai~ die Frequenz der afferenten Entladungen stark ansteigt.

Thorakale respirationsaktive und lumbalv Spinatreflexe Es ist offensiehtlich, da{~ die Atemreflexe thorakalen Ursprungs nach den

gleichen Grundgesetzen funktionieren, die auch fiir die Spinalreflexe im Bereieh des Lumbalmarks gelten. So wurde das Konzept der y-Spindelsehleife (follow-up serve system, Abb. 2) flit die Lumbalreflexe schon vor l~ngerer Zeit yon ELDRED et al. (1953) in Versuehen am M. soleus verifiziert und yon HAMMOND et al. (1956) formuliert. Auch die thorakalen y-Motoneurone haben mit den lumbalen vieles gemeinsam: eine hohe Entladungsfrequenz, einen weiten Arbeitsbereieh, eine hohe Empfindlichkeit gegen Hautreize, einen starken ,,Pinna"-Reflex und fehlende antidrome Hemmbarkei t (EKLu~D et al., 1964). Eine grunds£tzlieh ~hnliehe Struktur und Innervation der Spindeln ist nach den bisherigen Untersuchungen ebenfalls wahrscheinlich. Die monosynaptische erregende Wirkung yon Ia- Afferenzen auf ~-Motoneurone entsprieht gleiehfalls den Verh~ltnissen im Bereich der unteren Extremit~ten. Weitere Gemeinsamkeiten liei]en sich finden.

Es gibt jedoch Befunde, die yon den am Lumbalmark gewonnenen teilweise oder sogar v611ig abweiehen: 0bwohl die thorakalen ~-Motoneurone klein sind und ihrer Entladungsform nach (SEARS, 1964 C; CORDA et al., 1966) eher zum tonischen


Typ (GRANIT et al., 1956) gehSren, ist gerade ftir sie keine recurrente Hemmung naehweisbar (S~xRS, 1964c). Auch eine direkte Hemmung dureh Ia-Afferenzen des An~agonisten isb augenseheinlieh nieht vorhanden (SE~.RS, 1964e); es besteht im Gegentefl eine FSrderung eines Tells der inspiratorischen ~-Motoneurone dureh Ia-Afferenzen der Exspirationsmuskulatur (SE~RS, 1964a, 1966b). -- Das unterschiedliehe Verhalten der ?-Motoneurone bei ehemiseher Erregung der Muskelspin- deln dureh Suceinylcholin weist aufeine weitere merkwfirdige synaptische Verknfipf- ung bin: HV.NATSCH U. SCHULT~. {1958) sahen dabei an der Hinterextremit~t eine FSrderung nut der ~¢-Motoneurone, jedoeh an den ?-Motoneuronen nie eine FSrde- rung, sondern nur gelegentlieh eine Hemmung. EKLU~D et al. (1964) hingegen beobaehteten unter den gleichen Badingungenim thorakalen Bereich eine FSrderung aueh bei 7-Motoneuronen. -- Die thorakalen ~¢-Motoneurone folgen bei antidromer Reizung hSheren Reizfrequenzen als die lumbalen (SExRS, 1964c). -- Bei elektrischer Reizung der Ia-Afferenzen mit einer Frequenz zwisehen 4/see und 20/see beobachte~ man bei der Mehrzahl der lumbalen ~-Motoneurone eine Depression des monosynaptischen exeitatorischen postsynaptisehen Potentials (CurTIS u. Ecc~Es, 1960), bei thorakalen hingegen eine kr~ftige Potenzierung (S~AI~S, 1964e). Weitere Untersehiede erkennt man beim Studium der Auswirkung supraspinaler Antriebe. Ob es an lumbalen ¢~-Motoneuronen ein Analogon zum direkten Antrieb thorakaler c¢-Motonaurone gibt, l~Bt sieh mit Sicherheit zwar noch nicht ent- seheiden, es besteht aber die Tendenz, einer direkten Aktivierung der :¢-Moto- neurone im Lumbalmark nur bei schnellen, stark intendierten Bewegungen Bedeutung zuzumessen und im fibrigen dem Weg fiber die ?-Spindelsehleife Vor- rang einzur~umen. Die Problematik dieser Vorstellungen haben in neuerer Zeit u.a. HE~ATSC]t et al. (1964) sowie MATT~WS (1967) diskutiert. -- Wesentliehe Ergebnissa erhielt man bei Reizversuehen im Cerebellum (Co~DA at al., 1966). Es zeigte sieh, dab es augenscheinlich zwei Gruppen yon thorakalen ?-Moto- neuronen, n~mlieh ,,tonisehe" und ,,rhythmisehe" gibt (nieht zu verwechseln mit tonisehen und phasisehen bzw. statischen und dynamisehen 7-Efferenzen, wo das Wortpaar in ganz anderem Sinn gebraucht wird). Die Entladungsrate der ,,rhythmisehen" unterliegt einer sbarken Modulation im Atemrhythmus und ist mit der Frequenz der c¢-Motoneurone gut gekoppelt, wobei das Verhiiltnis der beiden Innervationsstiirken vom Cerebellum bestimmt wird. Passive Bewe~oxmgen des Thorax und der Extremitiiten haben auf die Entladungsrate einen geringen Ein- flul3. Nach hoher Spinalisierung h5rt die Entladung au£ Die ,,rhythmisehen" thorakalen ?-Motoneurone werden yon CO~DA et al. (1966) sowie vo~ EULER U. P~RETTI (1966) ffir atmungsspezifisch gehalten. Zum Unterschied yon ihnen unterliegt die Entladungsrate der ,,tonisehen" ?-Motoneurone nur einer geringen Modulation im Atemrhythmus, reagiert jedoeh auf Reizung des Cerebellums und passive Bewegung des Thorax und der Ex~remiti~en sehr empfindlich.

l~ossI u. ZANCHETTI (1957) haben einen funktionellen Zusammenhang zwischen Extremit~tenextensoren und Inspiration einerseits und Extremit£ten- flexoren und Exspiration andererseits diskutiert. Die Problematik dieser Klassi- fizierung wird bereits deutlieh, wenn man bedenkt, dab as f/Jr die Extensoren- Decerebrierungsstarre keinen analogen Befund bei der inspiratoriseh wirkenden Atemmuskulatur gibt (CoRD~ et al., 1966). In anderen Fiillen ist es jedoeh nfitzlieh, die Idee yon RossI u. Z~_WeHV.TTI als Arbeitshypothese zu benutzen. Wenn es

19 Bci{r. Klin. Tuberk., Bd. 138

262 H . H . WELLHONER:

irgendeine synehrone FSrderung lumbaler und thorakaler Motoneurone g/~be, w/~re z.B. eine F6rderung des Patellarsehnenreflexes (Extensorreflex) wAhrend der Inspiration zu erwarten. Genau das haben K~Na et al. (1931) sehon vor langerer Zeit beobachtet. Den bereits erw~hnten Befunden yon S~a~s (1964b) sowie EKLUND et al. (1964) zur Modulation der y-Aktivit~t dureh Sauerstoffmangel ent- spreehen ahnliehe Ergeblfisse yon Se~IULTE et al. (1959, 1960). Sowohl inspiratorische ~- und y-Motoneurone als auch tonische ~- und y-Motoneurone der Extensoren werden dureh Oz-Mangel angetrieben. Ein quantitativer Vergleieh der Empfindliehkeit ist dadureh ersehwert, dab die experimentellen Ausgangs- bedingungen bei allen Autoren versehieden waren. Die Entladung der ~-Efferenz in Abb. 5 yon EKLV~D et al. (1964) steigt bei Atmung yon nur 8% 02 in 40 see yon 34 auf 45/see. Ebenfalls yon 34 auf 45/see steigt die Frequenz der Spindel- afferenz in Abb. 7 yon H~NATSC~ et al. (1959), jedoch bei 0~/o O2 und in 60 see. Die Flexor-~-Motoneurone unterseheiden sich hingegen qualitativ yon den exspiratorischen ~-Motoneuronen: Flexorspindeln werden bei Chemoreeeptorenerregung fiber intrafusale Fasern kurzzeitig aktiviert, die Entladungsrate exspiratorischer y-Motoneurone nimmt jedoch ab.

Einige oJjene Fragen Seit der Trennung der thorakalen y-Motoneurone in eine mehr respirations-

spezifische und eine mehr haltungsspezifische Gruppe ergibt sich die Notwendigkeit zur differenzierenden Iqaehprfifung bereits erhobener Befunde. Derzoit ist z.B. nicht bekannt, an welcher Gruppe sich Hypoxie, Hyperkapnie odor Hyper- ventilation vornehmlich aus~rken, ob die dureh afferente Spindelimpulse ge- fSrderten ~-Motoneurone vorzfiglich einer Gruppo angehSren und ob sich die Leitungszeiten der Spindelefferenzen voneinander unterscheiden. Ihre unter- sehiedliche ImpulshShe bei externer Ableitung vom Filament deutet jedenfalls darauf bin. CORDA et al. (1966) haben darauf hingewiesen, dab ihre rhythmischen ?-Efferenzen mit ~-Efferenzen viel gemeinsam haben. In diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, dab eine schnelleitende (~-)Innervation von Spindeln in der Muskulatur der Hinterextremit~iten naehgewiesen wurde und aktueller Gegenstand von Untersuehungen ist (G~ANIT, POMrEIA~O U. WALTMAN, 1959; RUTLEDGE U. HAASE, 1961; H ~ S E u. SCHLEGEL, 1966).

Intersplnalre]lexe Der spinalreflektorische Antrieb der Motoneurone muB nieht unbedingt dureh

Afferenzen aus dem gleiehen Segment erfolgen. Die Konvergenzph~inomene wurden bereits erwAhnt. Daneben besteht aber noch ein Antrieb der thorakalen Mote- neurone aus dem Lumbalmark und ein Antrieb der Phrenicusmotoneurone durch Afferenzen aus der Intercostalmuskulatur. Hierbei handelt es sich nieht um einfache Konvergenzph~nomene, sondern um Antriebe unter Zwischenschaltung auf- bzw. absteigender spinaler Interneurone, mithin um polysynaptische Reflexe.

Seit langem wurde der Verdacht ge£uBert, dab die schnell einsetzende Hyper- ventilation bei physischer Arbeit nicht nut fiber die Chemoreceptoren induziert sein kann, sondern eine ,,direkte neurogene" Komponente haben muB (l~bersieht DEJOU~S, 1964). BEssou et al. (1959) konnten zun/~chst an der Katze demon- strieren, dab die elektrische Reizung nut der schneUeitenden Afferenzen in den


Nerven der unteren Extremitt~t (also der Spindel- und Golgiafferenzen) zu einer Zunahme des Atemminutenvolumens fiihrt, obwohl weder Schmerzfasern gereizt noch Arbeitsmuskulatur in der Extremitiit aktiviert worden war. Die Vermutung, dal3 die sofortige Zunahme der Hyperventflation auf eine Aktivierung yon Muskel- spindeln in den Extremittiten und damit auf einen Impulseinstrom speziell yon Spindelafferenzen aus diesen Muskeln zuriickzuffihren ist, gewann an Wahr- scheinliehkeit, als GAtrTIEI¢ e~ a]. diese Spindeln durch kleine ])osen Succinyl- eholin selektiv erregten, die aber noeh keine extrafusale Kontraktion auslSsten. Auch hier nahm das Atemminutenvolumen zu, solange nich~ das Riickenmark bei L 1 durehtrennt wurde. Umgekehrt wird die neurogene Komponente der Arbeitshyperventflation erheblieh abgeschw~ch~, wenn die Spindeln durch die Substanz 28882 Ba (BEret u. F~rm, 1962) an der Impulsbfldung gehinder~ werden (FLANDROm et al., 1965). Unbekann~ ist, ob der yon den Extremittitenmuskeln ausgehende afferente AnSrieb direkt auf Motoneurone im Thorakalmark wirk~ oder erst supraspinal umgesehaltet ~rd . Aueh die klbfische Neurophysiologie hat fiir die Bedeutung dieses polysynaptisehen Reflexes experimentelles Material erbraeht:

HvGo~r et al. (1962) reizten beim Mensehen den N. popliteus tiberschwellig so, dal3 noch keine Muskelkontraktion ausgelSst wurde. Die sofor~ eintretenden Atemveriinderungen sind nach Ansieht der Autoren nicht auf die Erregung eutaner, sondern muskul~rer Afferenzen zurfiekzufiihren.

Obwohl die proprioceptive Innervation des Zwerehfells auBerordentlieh sptir- lich ist, wie auf S. 259 ausgeffihrt, hat die Durchtrennung der cerviealen und thorakalen Dorsalwurzeln eine Parese des homolateralen Diaphragmas zur Folge (NAT~N U. SE~d~S, 1960). DECrMA et al. (1967) konnten naehweisen, dab die Dorsalwurzeldurchschneidung einen polysynaptisehen Reflexbogen unterbricht, fiber den die Phrenicusmotoneurone vonder Intereostalmuskulatur her angetrieben werden. Welche Intercostalafferenzen an dieser FSrderung beteiligt shad, win'de noch nicht mitgeteilt.

3. Reflexe pulmonalen Ursl)rungs Der inspiratorische Hering. Breuer. Re/lex

])as Prinzip des Reflexes besteht darin, dab es bei zunehmender Lungen- bl£hung zu einer wachsenden Hemmung der Inspirationstendenz kommt. Experi- mentell lttl3t sieh dies auf verschiedene Weise verifizieren: 1. Wenn man auf der HShe der Inspiration (am narkotisierten Versuchstier)die Trachea versehliel3t und dami~ die naehfolgende Exspiration verhindert, dana ~4rd der Beginn der nt~ehsten Inspirationsanstrengung erheblich verzSgert. ])ies ist die sogenannte exspiratorisch aktivierende Headsche Traehealverschlul3reaktion (I-Iv,).D, 1889). Hierbei liel3 sieh an der Katze eine Aktivierung der Exspirationsmuskula~ur durch Druekmessung nicht beobaehten (WIDDrCOMBE, 1964). Diesen relativ groben ~[essungen stehen aber Befunde von EKLUND et al. (1964) sowie SEA~S (1964b) gegeniiber, naeh denen es zu einer Aktivierung sowohl yon 7" als aueh vereinzelt yon c¢-Motoneuronen w~hrend tier TrachealverschluBzei~ kommen kann. 2. Wenn man die inspirationsbedingte zentralnervSse Hemmung der Inspiration aus- schaltet, indem man beide Nn. vagi durchschneidet, entwickelt sich beider Mehrzahl

19 •

264 H.H. W~r.T.~61¢~R:

der Tierspecies eine Inspiration yon 1Kngerer Dauer und grSBerer Tiefe. Mit dem Effolg der Durchsehneidung ist gleiehzeitig dargetan, dab der afferente Bogen des Reflexes fiber die Nn. vagi verlaufen muB. 3. Eine bereits in Gang befindliche Inspiration l~Bt sich durch schnelles Aufblasen der Lunge abkiirzen (HERmG U. BgEUER, 1886; BREVEg, 1886). Die Effekte unter 1. und 3. werden dureh beid- seitige Vagotomie weitgehend reduziert. Ein verbleibender Rest versehwindet naeh Durchschneidung der Dorsalwurzeln (Anteil der proprioeeptiven thorakalen Reflexe).

Die Receptoren des Hering-Breuer-Reflexes, die sogenannten Lungen- dehnungsreceptoren, sind histologisch nieht idenfifiziert. Man vermutet (WIDDI- COMBE, 1964), dab es sich um die Glattmuskel-Endigungen (EL~TMAZ¢, 1943) handeln kSimte (f/ilsehlich teflweise als Glattmuskel-Spindel bezeiehnet), jedoch sind die Beweise hierfiir nur indirekt. Uber die Topographie der Reeeptoren haben WEmMXN~ et al. (1949) sowie WIDDICOMBE (1954) unterschiedliehe Ansiehten ge/~uBert.

Unsere Vorstellung bez~glich der afferenten vagalen Fasern, fiber die die Aktionspo~entiale der Lungendehnungsreceptoren verlaufen, sind hingegen relativ gut gesiehert. ADnIAN (1933) konnte erstmalig die Aktivit/~t yon einem einzelnen Lungendehnungsreeeptor aus einem dfinnen Vagusfilament ableiten (Abb. 8).

. . * . . . . . . . . . ~ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ~ . . . . . . . . . o o o o . . o o . . . . ~ . . . . . . o o o o o . o o o . . o o . . . o o . . . o ~

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Spino/katze- Lungendehnungsrezeptor

Abb. 8. Aktivierung eines Lungendehnungsreceptors bei passiver Dehmmg (~berdruek- beatmung). Katze, spinalisiert bei C 1 ; obere Registrierspur: Trachealdruck; untere Registrier- spur: Impulse aus einem Vagusfilament, das sine aktive afferente Faser aus einem Lungen-

dehnungsreceptor enth~lt. (W~rx,wS~R, lmver6ffentlicht)

Wie man f/Jr den Hering-Breuer-Reflex erwar~en mu], nahm die Entladungs- rate des Receptors mit waehsender Lungendehnung zu. Die Leitungsgesehwindig- keit in diesen Fasern bestimmte PXrNTXL (1953b) zu 14--59 m/see. Es handelt sich um die afferenten Vagusfasern mit der ~SBten Leitungsgesehwindigkeit fiberhaupt. -- Bei Reizung mit elektrisehen Impulsen stelgender Amplitude werden die schnellsten Fasern sines Nerven immer zuerst erregt. Mit Sehwellenreizen am afferenten N. vagus sollte es also m6glieh sein, die sehnell leitenden Fasern aus den Lungendehnungsreceptoren selektiv zu aktivieren und auf diese Weise den Effekt einer Lungendehnung auf die Atmung zu imitieren. Dieser Versueh wurde yon WYss u. RrcixrNE (1950) durchgefiihrt. Bei Reizfrequenzen oberhalb yon 50/see tritt der erwartete Effekt (exspiratorisehe Reaktion) aueh ein. -- Bei Abkfihlung des Nerven sollte die Leitung in den groBkalibrigen Fasem zuerst bloekiert werden (DouGLas u. M~COLM, 1955, siehe abet kritisehe Naehunter- suehungen yon Par iTY, 1965a, b). In der Tat ffihrt Abk~ihlung des N. vagus zum Versehwinden des inspiratorisehen Hering-Breuer-Reflexes (HEAD, 1889).


Die Fasern ziehen teilweise zum dorsalen Vaguskern, teilweise zum Nucl. ambiguus, teilweise zum Nuel. tract, solitarius (WYss et al., 1946; PO~T~.R, 1963). Die Untersuehungen am Nuel. tract, solitarius sind besonders welt gediehen. Das exspiratorisehe Reflexumschaltgebiet fiir die vagalen Afferenzen liegt in diesem Kerngebiet mehr cranial, das Umsehal~gebiet ffir inspiratorisch wirksame Afferen- zen mehr caudal (AND]~REGGEN et al., 1946; WYss et al., 1946; OBERHOLZER et al., 1946). Ferner sind die schnellen Afferenzen aus den Lungendehnungsreceptoren in der Lage, im Nuch tract, soli~arius auf Fasern aus dem N. laryng, eranialis et caudalis pr£synaptiseh inhibierend zu wirken, ohne jedoch selbst nach den bisherigen Ergebrdssen einer pr~i~ynaptisehen Hemmung zu unterliegen (RUDOMr~, 1965, 1966, 1967).

Die weitere zentrale Umschal~ung is~ bis zur Ebene der spinalen respirations- aktiven Motoneurone noeh nicht sicher bekannt. Eine Orientierung tiber den gegenw~rtigen Stand vermittein die ~bersichts-Ar~ikel yon WYss (1964), yon WAnG u. NGAI (1964), yon OBERgOLZER U. TOFANI (1960), sowie EinzelverSffent- liehungen yon CHERNmOWSKI (1965), MnSSION et al. (1966) und yon K~_~N u. WANo (1967). Der Weg verl~uft wahrseheinlich nur fiber eine relativ kurze Neuronenkette (RIirLANW, 1950), da eine J~nderung in der Ti~tigkeit der Phrenieus- motoneurone schon nach kurzer Latenzzeit zu beobachten ist.

Erst yon der Ebene der spinalen Motoneurone ist die Reflexbahn wieder besser zu iibersehen. SEARS (1964d) hat festgestellt, daI3 die yon supraspinal deseendierenden Potentiale, die die Motoneurone im Atemrhythmus erregen und hemmen, in charakteristiseher Weise verhnde~ werden: Bei elektriseher Reizung des N. vagus (300 Hz, fibersehwellig fiir Afferenzen aus Lungendehnungsreeep- toren) kommt es am Membranpotential bei exspiratorisehen Motoneuronen (des )5. intereost, int.) zu einer dauernden Depolarisation, bei inspiratorischen Mot~- neuronen (des M. intercost, ext.} zu einer dauernden Polarisation. Dies gilt nach den Untersuchungen YOn EKLU~D et al. (1964) und yon SE~s (1964b) sowohl fiir ~- als auch fiir ~-Motoneurone. Aus dem Text der Originalarbeiten geht jedoeh nicht hervor, ob vor der Vagusreizung die Dorsalwurzeln durchtrennt waren, was fiir eine genaue Beurteilung der zentralen Wirkungen auf die ~-Motoneurone notwendig w~re. Naeh den verSffentliehten Abbildungen der Autoren hat es den Anschein, als ob der reflektorisehe Einflu~ sich vornehmlich an den c¢- und ,,rhythmischen" 7.Motoneuronen manifestiert, hingegen die tonischen 7-Moto- neurone weniger betrifft. -- MASSION U. COLLE (1960) fanden bei schneller Reizung der Afferenzen aus Lungendehnungsreceptoren eine Reduktion der Zwerchfell- kontraktion und der Kontraktion beider Mm. intereostales, bei Reizung auch der dfinneren Fasern dureh hShere Spannungen Kontraktion des Zwerchfells und des M. intereost, ext. sowie Dilatation des M. intercost, int.

Die pathophysiologische und pharmakologisehe Modulation des inspiratorisehen IIering-Breuer-Reflexes und der zugehSrigen Lungendehnungsrecep- toren ist mSglieh. Die erste MSgliehkeit besteht in einer 2[uderung der Empfind- liehkeit des Receptors (Sensibflisierung oder Desensibflisierung): Eine ~nderung des Lungenvolumens V um einen festen Betrag lJ V hat eine :~mderung der Ent- ladungsfrequenz ] des Receptors um einen Betrag zJ_ff zur Folge : steigt die Emp- findlichkeit des Receptors (Sensibilisierung), dann wird die gleiche Volumen- i~nderung z~__V mit einem grSi~eren Anstieg A_~ der Frequenz beantwortet. Die

266 H.H. WELLH(~NER;

zwelte MSglichkeit besteht in einer IIerabsetzung des Mindestvolumens, das zur Errcgung des Receptors ausreicht (Schwellen~nderung des Receptors, Erregung oder Hemmung). Die Erregung kann so stark sein, dab sie ohne jede Lungen- dehnung ausgelSst und aufrechterhalten wird. -- Eine Empfindlichkeit~steigerung (Sensibilisierung) wird dann zu erwarten sein, wenn die dutch Inspiration be- dingte Dehnung des Lungengewebes sich mSglichst wenig auf die elastisehen Kopplungselemente und mSglichst stark auf die eigentliehe Receptorstruktur aus- ~Srkt. Eine ,,Versteifung" der Kopplungselemente miil~te daher eine Sensibilisie- rung dcr LDR zur Folge haben. In der Tat ist das beim LungenSdem, bei Stauung und bei Atelektase der Fall (CoNsTA~TI~, 1959; MARSHALL u. WIDDICOMBE, 1950; W~DICOMBV., 1961). Auch beim Bronchospasmus kommt es aus dem gleichen Grunde zu einer Sensibilisierlmg, gleichzeitig aber aueh zu einer Erregung, da die aktive Kontraktion der Bronchialmuskulatur auch dirckt auf die Receptor- elemente wirksam wird. Dabei ist das auslSsende Agens des Bronchospasmus relativ unwiehtig ffir die Induktion der Erregung (z. B. Acetyleholin: HANSEN U. Zn~F, 1960; Histamin : WIDDICOMBE, 1961 a; Serotonin: SCHNEIDER U. YO~KMA~, 1953). Die Erregung der Lungendehnungsreceptoren im Wege eines Broncho- spasmus ist indirekt. Eine direkte Erregung durch Angriff am nerv0sen Substrat des Receptors ist bisher nur ffir Veratrumalkaloide (MEIEr, Bv.I~ u. It~LMICH, 1949; PAINTAL, 1953a), ffir Aconitin (WELLHSNEI~ U. CONI%.~-D, 1965), Delphlnln, einige Aconitinderivate und Andromedotoxin (WELLHONER, unverSffentlicht) nachgewiesen. -- Inhalationsanaesthetica machen eine starke Sensibilisierung yon Lungendehnungsreceptoren (WHITTERIDGE U. B~LBRING, 1944; PArieTAL, 1957a).

Grol~ ist die Zahl der Stoffe mit desensibilisierender oder hemmender Wirkung auf Lungendehnungsreceptorcn. Ihnen sind in der Mehrzahl starke lokalanaesthe- tisehe Eigenschaften gemeinsam. Fiir die innere Lokalanaesthesie der Receptoren hat sieh die Bezeiehnung ,,Endoanaesthesie" herausgebildet. Eine Obersicht fiber die untersuchten Stoffe finder man bei Z~F (1959, 1966). Man kann annehmen, da~ der lokalanaesthetische ~¥irkungsmeehanismus bei allen im wesentlichcn derselbe ist und in einer Reduktion der Permeahiliti~erhShtmg fib • Natrium- und Kaliumionen bei tier Aktionspotentialbildung am konduktilen Anfang (axon hillock) des Reeeptoraxons besteht (PA~TAL, 1964). Zum Unterschied hiervon ~ k t y-Aminobutters~ure zwar ebenfatls hemmend auf die T~tigkeit von Lungen- dehnungsreceptoren (DRAKONTIDES, 1960), jedoch dfi~fte der Ionenmeehanismus anders scin und hi einer Stabilisierung des Ruhepotentials durch ErhShung der Kalium- und]oder Chloridionenpermeabilit~it bestehen.

Der Taradoxe Re/lex von Head HEAD (1889) konnte zeigen, dal~ die bei Dehnung der Lunge zu beobaehtende

Hemmung der zentralen Inspirationstendenz in eine FSrderung umschli~gt, wenn die Nn. vagi gekfihlt werden. Diese Erseheinung wurde als paradoxer Inspir~tions- reflex bezeiehnet. Zu seiner Erkl~rung kann man yon drei Befunden ausgehcn:

1. WYss u. RIVKINE (1950) konnten zeigen, dal~ bei elektriseher Reizung des N. wgus (Reizsti~rke zur Erregung sehnelleitender Afferenzen aus den Lungen- dehnungsreceptoren gerade ausreiehend) ein exspiratoriseher Effekt erreieht wird (wie nach der Theorie des hlspiratorischen Hering-Brcuer-Reflexes zu erwarten),


wenn die Reizfrequenz hoeh lag, jedoch ein inspiratorischer Effek~ (wie bei Heads paxadoxem Reflex zu beobachten), wenn die Reizfrcqucnzen niedrig waxen.

2. Am Beginn einer Inspiration (Entladungsrate der Lungendehnungsrecep- toren noch langsam) hubert mehrere Autoren eine FSrderung der Inspiration beobachtet (WoRzl~IAi~ u. GESELL, 1939; LAI~ABEE U. KNOWLTO~, 1946; WIDDI- COMBE, 1961, 1954, 1967; R~Y~OLDS, 1962; R~YI~OLDS U. H~OESON, 1965; GODlY, Y, 1966). Die Hemmung der Inspiration (Hering-Breuer-Reflex) setzte erst sp/~ter ein.

3. Lokale Abkiihlung der schnelleitenden Fasern aus Lungendehnnngs- receptoren bewirkt, daI3 nur noch ein Teil der afferenten Impulse die Kfihlstelle passier~, aus einer sehnellen Impulsfotge also eine langsame Impulsfolge ~4rd (PAI~TAL, 1965a,b; 1966).

5fit diesen drei Befunden bietet sich folgende Interpretation an: Wenn fiber die afferenten Fasern aus Lnngcndehnungsreeeptoren nur Aktionspotentiale in langsamer Folge das ZNS erreiehen, so ffihrt alas zu einer InspirationsfSrderung. Diese ,,Niederfrequenzbedingung" ist erffillt a) am Beginn der Inspiration, wenn die Lungendehnungsreeeptoren noch langsam entladen; b) bei Kfihlung der Nn. vagi, wobei an der Kfihlstelle die Frequenz herabgesetzt wird; e) bei niederfrequenter kfinstlicher Reizung. Gegen diese Interpretation macht WIDDICOBM~ (1967) jedoch geltend, dai~ aueh naeh totaler K/iltebloekade der Fasern aus den Lungendehnungsreceptvren Heads paradoxer Reflex noeh auslSsbar ist und postuliert eigene Receptoren ffir den Reflex. Solehe Receptoren wurden bisher funk~ionell noeh hie isoliert, und WIDDICOMB~ nennt selbst in der zitiert~n Ver- 5ffentliehung Umst/inde, die sich gegen die Sehliissigkeit seiner Folgerungen geltend machen lassen.

Im Zusammenhang mit den oben erw/~hnten Befunden fiber die Wirkung yon langsamen Impulsfolgen sind Untersuehungen yon P6RSZASZ et al. (1965) inter- cssant. Sie hubert gefunden, da$ eine beachtliche Anzahl der Lungendehnungs- receptoren bereits in Exspiration mit niedriger Frequenz aktiv ist. Die Autoren sehen die physiologische Aufgabe dieser Reeeptoren allerdings in einer Bahnung des inspiratorischen Hering-Breuer-Reflexes. Die Frage, ob niehb doch wenigstens ein Teil der yon P6~sz~isz gefundenen Afferenzen eine Verschiebung der Atemlage in Inspirationsriehtung bewirkt, erscheint jedoch der Uberlegung weft.

Uber die zentrale Integration yon Heads paradoxem Reflex und fiber den efferenten Tell des Reflexbogens gibt es kaum gesicherte Kenntnisse.

Exspiratorischer Reflex nach Hering und Breuer Ph£nomenologie: Die Entdehnung der Lunge ffihrt zu einer F6rderung der

Inspiration. Wcnn man auf der Tiefe der Exspiration (am naxkotisierten Versuchs- tier) die Trachea verschlieBt und dann die nachfolgende Inspiration verhindert, dann wird der Beginn der n~chsten Exspiration schwach his m~Big verzSgert (Inspiratorische TrachealverschluBreaktion nach Head). Na.ch Vagotomie wird der Reflex erheblich abgesehwgcht, versehwindet aber nach Durehsehneidung der thorakMen Dorsalwurzcln ganz (To~AI~c]~ u. W~rrTERID(~E, 1948).

l~ber die Receptoren und afferenten :Fasern besteht noeh keine einheitliche Ansieht. Drei MSglichkeiten werden diskutiert. 1. Verantwortlich sind Receptoren,

268 H . H . WELLHONER:

deren Existenz schon yon ADRIAN (1933) besehrieben und von PARTRIDGE (1935), K~OWLTON U. LA~RABEV. (1946), BEn~ u. HELMICH (1949), PA~T~m (1953a), WIDDICOMB~E (1954b) besti~tigt wurde, und die nur bei Entdehnung aktiv werden. Vergleicht man die Pr~parationstechnik der Autoren und die niedrigen Eingangs- widersti~nde der ~lteren Verst~rker mit der beaehtlichen HShe der abgebildeten Aktionspotentiale, so kann man sieher sein, da[3 es sich jedenfalls um dieke Axone und damit schnelleitende Afferenzen gehandelt haben muir. Ihr prozentualer Anteil (3 ~/o) an der Gesamtzahl der sehnellen Afferenzen ist aber so gering, dab man sieh ernstlieh fragen mu•, ob sie urs~chlich f ~ den exspiratorisehen Hering- Breuer-Reflex in Frage kommen. 2. Die FSrderung der Inspiration w~hrend der physiologischen Lungenentdehnung (Exspiration) wird erkl~rt fiber den inspira- tionsfSrdernden Effekt niederfrequenter Entladungen aus den Lungendehnungs- reeeptoren, also auf prinzipiell gleichem Wege wie vorstehend der paradoxe Reflex yon HEAD. Auch bier bek~men die Befunde yon PSRSZ~SZ et al. (1965) die gleiche Bedeutung wie beim Head-Reflex. 3. Die FSrderung der Inspiration erfolgt fiber die yon PAnUTAL (1955, 1957b) beschriebenen Reeeptoren, deren Impulse fiber dfinne, langsam leitende Fasern im N. vagus zum ZIqS verlaufen. Diese Ansicht yon WrDDICOMBE (1964) h~lt der Referent aus drei Grfinden ffir sehr wenig wahrscheinlieh: Erstens ist es F~ANKSTErS U. SE~GEEVA (1966) nicht gelungen, in der entsprechenden Faserg~ppe bei physiologischer Atmung eine respirations- abhi~ngige Aktivit~t naehzuweisen. Zweitens ist der inspiratorisehe Hering- Breuer-Reflex nut sehwaeh und entspricht in seiner Stiirke etwa dem Erfotg elektriseher Reizung mit niedriger Spannung und langsamer ~requenz. Die dfinnen Fasern werden erst bei hohen Reizspannungen aktivier~ und maehen dann (bei Erregung im Gesamtnerv) eine starke Inspiration (]~bersicht bei WYss, 1964). Drittens aber besteht die Reflexantwort bei Reizung der durch PArSTXL beschriebenen Receptoren mit Phenylbiguanied oder 2-~-Naphtyl~thyl-isothio- harnstoff (Referenzsubstanzen nach DAwws u. MOTT, 1950; DAWES u. FASTIER, 1950) an der Katze primi~r nie in einer inspiratorischen, sondem stets in einer exspiratorischen Reaktion bei Injektion in den linken Vorhof (DAwEs, MOTT U. WIDI)ICOM~E, 1951; ~VELLHSNE~, 1961, 1964). Es kommt stets zu einem Atem- stillstand in Exspiration, und nur wahrend des bestehenden Atemstillstandes kann es eine meist geringe und sehr langsame Verschiebung in Inspirationsrichtung geben, die aber auch oft fehlt. Beigeringer Dosierung der Referenzsubstanzen wird die At- mung nur eingeschr~nkt, und zwar so gut wie ausschlieBlieh aufKosten der Inspira- tion. Die Paintalsehen Receptoren werden auch dureh pulmonale Mikroembolie, Serotonin und viele Pharmaka erregt, besonders dureh Phenothiazine (WELLHS~ER et al., 1960) und Antihistaminiea (JoNv.s, 1957). Die Reflexantwort an der Katze ist in jedem Fall eine exspira~orisehe.

Es dfirfte sich um keinen proprioceptiven, sondern um einen nociceptiven Re- flex handeln, dessen afferen~e Leitung auf einem Teil ans der grol~en Menge mark- armer Fasern im N. vagus erfolgt. Bei elektrischer Vagusreizung mit starken Spannungen werden eventuell andere, dfinne Fasern aktiviert, die eine starke inspiratorische Reaktion bewirken. Eine Erregung exspiratoriseh wirkender Fasern aus Lungendehnungsreceptoren erfolgt auch mit hohen Dosen Phenylbiguanid nieht (PAI~T~, 1953a; ~VEL~SNE~ u. CONRAD, 1965).

Proprioceptive Reflexe bei der A~mung 269

4. Reflexe vaseul~iren Ursprungs Die atemwirksamen proprioceptiven Reflexe vascul£ren und kardialen Ur-

sprungs sind in ihrer Bedeutung wenig untersueht. Die afferen~en Bahnen sind iden- tiseh mit denen wohlbekann~er kreislaufwirksamer proprioceptiver Reflexe, und es herrseht die Ansicht vor, da$ bei Aktivierung dieser Afferenzen die Ver/~nderungen der Atmung yon sekundi~rer Bedeutung sind (WIDDICOMB~, 1964). Am bekann- testen ist die atemwirksame Komponente des Pressoreeeptorenreflexes. Bei ErhShung des arteriellen Druckes in den Carotiden kommt es nicht nut zu der atlgemein bekarmten kardiovascul/~ren Reflexantwort, sondern aueh zu einer Hemmung der Atmung (Mo~ss~J~rr, 1926). Umgekehrt hat eine Drueksenkung in den Carotiden eine FSrderung der Atmung zur Folge. Die Ergebnisse yon MOISSEJ~FF wurden vielfaeh best~tigt (~bersicht: HEYMANS U. N ~ , 1958). Wesentlich f ~ die Relevanz des Experiments ist hierbei eine Versuchsanordnung, in der atlein die Wirkung auf Baroeeptoren ohne 5fitbeteiligung der Chemo- receptoren untersueht wird.

Proprioceptive respiratorische Reflexe kardialen und venSsen Ursprungs sind wenig untersueht. In den hierzu ersonnenen Versuehsanordnungen sind die Ver- h/~lmisse meist sehr unphysiologisch, so da$ auftretende respiratorisehe Effekte nieht die Existenz entspreehender Reflexe unter normalen Umst/~nden bewelsen.

5. Kllnisehe Bedeutung atemwirksamer proprioceptiver Mechanoreflexe l~ber die proprioceptiven Atemreflexe gibt es umfangreiehe Untersuchungen

besonders an Tieren. Diese Experimente gestatten im optimalen Fall, den Mecha- nismus eines respiratorisehen Reflexes in allen Einzelheiten aufzukl/iren und die pharmakologisehe Beeinflussung des Reflexes zu versuchen. Sie berechtigen aueh zu tier Hypothese, dal3 der Mechanismus des jeweiligen reflektorisehen Vorgangs beim Mensehen/~hnlich sein wird. Zu einer Itypothese fiber die klinische Bedeutung des einen oder anderen Reflexes berechtigen sie hingegen nicht, weil die Species- untersehiede gerade bei respiratorischen Reflexen sehr grog sind (BucHER, 1949; RrrzEL, 1950). Die Bedeutung aller besproehenen respiratorischen Reflexe beim Mensehen I£$t sieh nut an gesunden Probanden kl/~ren oder an Patienten, bei denen ein bestimmter pathologischer Proze{3 ver/~nderte Bedingungen f/ir das reflektorische Geschehen geschaffen hat. 8olche Untersuehungen sind naturgem/~$ sehr viel weniger zahlreieh als tierexperimentelle. Die MSglichkeiten sind zudem be- schr/inkt: Eine direk~e Ableitung der elektrisehen Aktivitat yon nervSsen Elemen- ten seheidet nahezu ganz aus, und man ist auf elektromyographisehe Methoden aagewiesen, die aueh fiir die Atemmuskulatur zu groSer Vollkommenheit entwickelt wurden und quantitative Aussagen gestatten (Ubersieht: D~Ln~Z u. PETIT, 1966).

Unter dem Eindruek der Experimente yon It~Rrsa u. B ~ E u ~ (1884) hielt man es zun~ehst f ~ selbstverstiindlich, sehnelle reflektorisehe Vorg~inge bel der Atmung fiber den Hering-Breuer-Reflex zu erkl~ren. So fiihrten ttALD~'~E U. MAVROGORDATO (1916) am Mensehen Versuehe in Anlehnung an die Technik yon tiering und Breuer und yon Head durch, um die Existenz des Hering-Breuer- Reflexes auch am Menschen naehzuweisen. In der Tat beobach~eten sie die typischen Headschen ,,Traehealversehlui}reaktionen" und bei Verengung der

270 H.H. WELL~5~ER:

Atemwege w/£hrend der Inspiration eine Inspirationsverst~rkung, bei Verengung w/~hrend der Exspiration eine Exspirationsverst/irkung. In der Diskussion wird ein nerv6ser bleehanismus ira Sinne yon Itering und Breuer und ein ehemischer Meehal~i_smus vergleiehend betraehtet, spinale Reflexe aberwerden nieh~ berfieksieh- tigt. Naeh den Ausffihrungen anf S. 255--259 ist jedoch unbestreitbar, dab sieh die gleichen Beobaeh~ungen aueh fiber spinalreflektorische Vorg/~nge wfirden erkl~ren lassen. Das gleiche gilt sinngemaB ffir eine sp/itere VerSffentliehung, die sieh mit der Wirkung erhShter Atemwiderstande befaBt (DAvIEs et al., 1919/1920). Naeh- untersuehungen ffihrten WIDDrCOMBE (1961b) nun zu dem SehluB, dab der Hering-Breuer-Reflex nach Inspiration beim Mensehen sehwach, der ttering- Breuer-Reflex naeh Exsph'ation kaum und Heads paradoxer Reflex gar nicht naehweisbar sei. Nur beim Neugeborenen ist naeh CRoss et al. (1960) der Hering- Breuer-Reflex nach Inspiration deutlich abet schon naeh einer Woche sehr sehwaeh geworden. DEJOU~S et al. (1962) erhielten bei Priifung der Traeheal- versehlul~reaktion naeh Head am Menschen Ergebnisse, die sieh wesentlieh von dem unterschieden, was tIALDANE U. MAV~OGORDATO (1916) gefunden hatten und was nach Hering und Breuer zu erwarten war. Aueh Ca_~_rBELL (1962) wies in der Diskussion zu seinem Vortrag darauf hin, dal3 der Menseh den Atemwegsversehlul~ auf der H6he der Inspiration nicht wie das Tier mR einer verst/~rkten Exspiration, sondern mit einer verst/~rkten Inspiration beantwortet. Andererseits inter- pretieren PETIT st al. (1967a, b) ihre ebenfalls am Gesunden und am Asthmatiker bei Einschaltung eines Atemwiderstandes erhobenen Befunde fiber die Hering- Breuer-Reflexe.

Das Dilemma bei Untersuchungen dieser Art liegt immer in dem Umstand, dal3 aktive Inspiration oder Exspiration, passive Beatmung, Traehealversehlul3reaktio- nen und andere NfanSver stets gleichzeitig an Lunge und Thorax wirksam werden. Die reizlose Ausschaltung eines Systems w~tre fiir die Untersuehung notwendig. Guz et al. (1964) schalteten beide Nn. vagi an anaesthesierten Patienten w/ihrend operativer Eingriffe im Halsgebiet dureh Lokalanaesthetiea aus. Zum Untersehied zu allen bMang bekann~en tierexperimentellen Ergebnissen blieb dadurch die Atmung der Patienten v611ig unbeeinflul3t. Vor der Lokalanaesthesie war der inspiratorisehe Hering-Breuer-Reflex nut mit Volumina ausl6sbar, die das normale Atemvolumen der Patienten welt tiberstiegen; dementspreehend ffihrt dis sehnelle Reizung des zentralen Stumpfes des sp/~ter durehtrennten hr. vagus mit Impulsen yon SehweUenspannung zu einer Inspirationshemmung, wie naeh WYss u. RIVKI~E (1950) zu erwarten. Der exspiratorische Hering-Breuer-Reflex war kaum, Heads paradoxer Reflex gar nieht naehweisbar und in Ubereinstimmung damit die niederfrequente Reizung des zentralen Vagusstumpfes ohne Wirkung auf die Atmung. Es bleibt jedoch die Frage often, ob nieht die Narkose die Reflexe unter- driickt haben k6nnte. Naeh dem Ergebnis heroischer Selbstversuche (Guz et al., 1966a, b, e) ist aueh dies nieht wahrscheinlieh: Lokalanaesthesie bekter Nn. vagi an der Sch/~delbasis bei M. NOBLY. u. J. WIDDICOMBE und bei einem Patienten blieb auf die Atmung der nicht anaesthesierten Probanden ohne Einflu$.

Auf die Frage naeh der Bedeutung der Spinalreflexe gibt jedoeh das vor- stehende Experiment keine Antwort, da das Verhalten des Traehealdruekes und des Elektromyogramms wenigstens der Intercostalmuskulatur nach Einschaltung yon Atemwiderst/~nden nicht geprfift wurde. Es gibt jedoch Untersuehungen am

Propriocep~ive Reflexe bei der Atmung 271

Menschen nach Rhizotomien und elektromyographische Befunde, die sich kaum anders als fiber eine wesentliche Beteiligung spinalreflektorischer Mechanismen erkl~ren lassen. NATHAN und SEARS (1960) besehrieben Beobaehtungen an drei Patienten, bei denen eine unilaterale Rhizotomie der Dorsalwurzeln im Cervical- oder Thoraxbereieh ausgefiihr~ wurde. Unilaterale Rhizotomie der cervicalen Dorsalwurzeln bei zwei Patienten hatte in beiden F~llen eine vollst~indige L~hmung des homolateralen Diaphragmas zur Folge, die sehr langsam zurfickging und noch naeh Woehen rSntgenologiseh erkennbar war. Unilaterale Rhizotomie thorakaler Dorsalwurzeln bei einem drit ten l~atienten fiihrte zu einer bei Inspektion und t~Iyographie deutlichen Reduktion der Th~igkeit der Intereostalmuskulatur. Die starke Reduktion der Zwerchfellatmung war nach den Ergebnissen yon allen vor- angegangenen Tierversuehen (S. 259) nicht zu erwarten. Ihre Ursaehe ist dutch die Untersuchungen yon DECI~IA et al. (s. S. 263) besser versti~ndlieh. -- Elektro- myographische Befunde fiber das Verhalten der Intercostalmuskula.tur beim Ein- sehalten yon Atemwiderstiinden haben ffir den Mensehen NEWSOM, DAws u. SEARS (1967) vorgelegt. Sie konnten eine reflektorische Aktivierung und Inakti- vierung der Intereostalmuskeln bei passiver DruckerhShung in den Lungen oder bei Einschaltung yon Atemwidersti~nden beobachten, die den aus Tierexperimenten entwickelten Vors¢ellungen fiber die Funktion der Spinalreflexe genau entsprach (s. S. 255--259). Die Annahme, dais bei diesen Versuehen aueh tatsiichlich nur das spinale System urs~chlich beteiligt war, hat zur Voraussetzung, dal~ man naeh den zitierten Untersuehungen yon WIDDICOM~E (1961b) ; DEJOURS (1962) und Guz et al. (1964, 1966a, b, c) yon einer wesentlichen Betefligung vagaler Afferenzen absehen kann. Gegenw~rtig besteh~ kein ernstlicher Grund zum Zweffel an der Be- reeht~igung dieser Voraussetzung. Es ist dann naheliegend, die Befunde yon REICHEL U. ULMER (1966, 1967) fiber reflekt~)risehe Verhnderungen der Atmung bei Ein- schaltung yon Atemwiderst~nden gleichfatls mi¢ tIitfe des splnaten Reflexsys~ems zu erkl~ren. Der Wert dieser Untersuchungen liegt vor allem aueh darin, daiS niche, wie oft iiblieh, nur die Atemvolumina, sondern auch die Interpleuraldrucke mitgeteilt werden. Sofort nach Einschalten der Stcnose nimmt die Inspirations- anstrengung erheblich zu, w~hrend sieh die Exspirationsanstrengung nur unwesent- lieh erhShb. Dies steh~ in ~bereinstimmung mit den auf S. 258 genannten Unter- schieden in der normalen Innervationssti~rke inspiratorischer und exspiratoriseher Intereostalmuskeln und ihrer Spindeln.

Endlich aber haben die Humanexperimente auf die Existenz eines proprioceptiven Reflexes hingewiesen, der im Tierexperiment bisher nicht ad£quat untersucbt werdcn konnte. Es lieiS sich zeigen, dab thorakale Afferenzen in irgend- einer Form an der Ausl5sung des Atemnot-Geffihls betefligt sein miissen. Zun£ehst fiel w~hrend der bereits zitierten Versuche yon Guz et al. (1966a, b, c) auf, daiS die Probanden nach beidseitiger Vagusblockade den Atem wiUkiirlich fiber ungewShnlieh lunge Zeit anhalten konnten. Da die Lokalanaesthesie bei den beiden gesunden Probanden an der Seh~delbasis ausgeffihrt war, hat te die Blockade auch die Nn. glossopharyngei erfa~t, in denen die Fasern aus den Caro$is-sinus-Chemo- receptoren verlaufen. Man wird zun~ehst den Ausfall gerade dieser Afferenzen en~scheidend halten fib" die Fi~higkeit der beiden gesunden Probanden, den Atem so viel l~nger anhalten zu k5nnen. Ein Einzelbefund an einem Patienten mit pulmonaler Sarkoidose mahnt jedoch zur kritisehen Untersuchung: Naeh operativer

272 H.H. WELLHSNER:

DarsteUung und Lokalanaesthesie nur der Nn. vagi versehwand auch bei diesem Pa~ienten das Atemnotgefiihl. -- Der n~ehste naheliegende FehlschluB w~re die An- nahme, dab die Afferenzen aus den Hirnnerven IX und X die Atemno~ auf direktem Wege im ZNS ausl6sen. Tats~chlieh werden die Afferenzen zu einem erhebliehen Tefl zun~ichst im ZNS nur auf descendierende spinale Bahnen um- geschal~et, die zunehmend motorische An~riebe ffir die Atemmuskulatur schaffen (Nachweis ffir das Diaphragma: ANGOSTONI, 1963). Falls die Muskelkontraktion keine ausreiehende Bewegung herbefffihren kann, werden thorakale Receptoren erregt, die afferente Impulse fiber aufsteigende Sp'malbahnen zu supraspinalen Strukturen schicken und dor$ das Gefiihl der A~emno~ ausl6sen. Den Nachweis ffir die hier postulierte wichtige Rolle der A~emmuskulatur brachten CA~rrB~.LL et al. (1967). Sie eurarisier~en gesunde Probanden vollsti~ndig, erhielten abet aus- reichende Bewegungs- und damit Signaff~higkeit in einer Hand, indem sie durch arterielle Kompression den Curareeinstrom in den Arm verhinderten. Dann wurde die kfinstliehe Beatmung unterbroehen. Wenn der Proband wieder beatmet werden well,e, gab er ein Zeiehen mi$ der noch bewegliehen Hand. Es zeigt~ sich, daft die Atemhaltezeiten sich um wenigstens das Zweieinhalbfaehe verl~ngerten. -- Welche Receptoren kommen ffir eine Aktivierung dutch die Muske]kontraktion in Betraeht ? Untersuchungen yon N~wsoM-DAws (1965, 1966) haben wahrseheinlich gemacht, dab es sich hierbei nicht um Muskelspindeln handelt. Zu denken ist an Reeeptoren in den Gelenken und Sehnen.

Thorakale und nicht pulmonale Reeeptoren sind aueh verantwortlich ffir die ~Vahrnehmung eines Atemwiderstandes. In den Experimenten yon Guz e ta ] . (1966a, e) war durch die Vagusbloekade die F~higkeit der Probanden nieht beeintri~ehtigt, einen erh6hten Atemwiderstand wahrzunehmen. Umgekehrt war diese F~higkeit bei Patienten mib par~iell zerstSrter Medulla spinaHs erheblich reduziert (NEWSOM DAWS, 1965, 1966).

Zusammenfassend l~Bt sich sagen, dab beim Menschen die klassischen ttering- Breuer-Reflexe und Heads paradoxer Reflex ffir die Regulierung der physiologischen Atmung keine erkennbare Rolle spielen. Bei pathologischen Zust~nden ist zumindest eine Beteitigung vagaler Afferenzen an der AusI6sung des Atemnot- Gefiihls wahrseheinlieh. ~be r die Muskelspindeln der Atemmuskulatur verlaufende Reflexe sind beim Menschen allem Ansehein nach bedeutsam ffir die Anpassung der Atmung an veri~nderte Widerst~nde, vielleieht aueh ffir die neurogene Arbeits- hyperventilation (HuGo~ et al., 1962). Ob es wlchtige proprioeeptive Reflexe gibt, die weder fiber die bin. vagi noch fiber die spinalen Dorsalwurzcln verlaufen, ist eine offene Frage (FLv.ISCH u. TRIPOD, 1938).

Ieh danke den Herren C. vo~ EUL~R und T. A. SEARS sowie den Verlegern der Aeta Physiologica Scandinavia und des Journal of Physiology fiir die Erlaubnis zur Reproduktion yon Abbildungen und den Herren Professoren HxAs~. und H~.~ATSCH ffir ihre Ratschl~ge bei der Abfassung des Manuskriptes.

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Priv.-Doz. Dr. med. H~'~s WELL~5~ER, Dipl.-Physiker Max-Planck-Institut ffir experimentelle Medizin, Abteilung Pharmakologie 34 G5ttingen, Hermann Rein-Str. 3

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Proprioceptive Reflexe bei der Atmung