Neuronale Plastizität bzw. Neuroplastizität bei chronischen Schmerzen – Schmerz als Lernprozess

Die Verbindungen innerhalb des Nervensystems sind nicht starr, sondern können aufgrund von Lernprozessen Veränderungen unterliegen.
— Dr. Tobias Weigl

Allerdings kann dieser Vorgang auch negative Auswirkungen auf den Organismus haben: Bleibt ein akuter Schmerz zu lange bestehen, entwickelt sich durch Veränderungsprozesse der Nervenzellen ein sog. Schmerzgedächtnis. Weil die Zellen des Nervensystems formbar sind, wird der Schmerz chronisch – selbst, wenn kein akuter Schmerzauslöser mehr vorliegt, melden die Nervenzellen fortwährend „Schmerz“ an das Gehirn. Der Grund für diese Falschmeldung liegt in der neuronalen Plastizität (Formbarkeit) der beteiligten Zellen; sie haben gewissermaßen gelernt, den Schmerz als „Normalzustand“ an das Gehirn zu melden.

Neuronale Plastizität – Zelluläre Prozesse ähneln dem Lernen

Als neuronale Plastizität bezeichnet man die Eigenschaft von Nervenzellen, sich sowohl in ihrem Aufbau als auch in ihrer Funktionalität zu verändern. Die Veränderung erfolgt in einem langsamen, stetig verlaufenden Prozess: Sie verfolgt das Ziel, die Funktion des Nervensystems dahingehend zu optimieren, dass Nervenimpulse schneller bzw. effizienter weitergeleitet werden können. In Abhängigkeit der neuronalen Plastizität spricht man auch von synaptischer Plastizität – diese betrifft nicht die Nervenzellen selbst, sondern die sie verbindenden Synapsen, und folgt demselben Muster.

Eine zentrale Rolle spielt die Eigenschaft der Plastizität in der Schmerzmedizin: Denn weil Nervenzellen und Synapsen dazu fähig sind, ihre Struktur im Zuge wiederkehrender elektrischer Impulse nachhaltig zu verändern, kann es zur sog. Chronifizierung von Schmerzen und der Ausbildung eines Schmerzgedächtnisses kommen. Für die Neurowissenschaften ist die synaptische bzw. neuronale Plastizität deshalb ein wichtiger Forschungsgegenstand, auch weil inzwischen nachgewiesen werden konnte, dass die Plastizität ein neurophysiologischer Mechanismus ist, der in engem Zusammenhang mit Gedächtnis und Lernprozessen steht.

Was heißt neuronale Plastizität?

Um zu verstehen, wie neuronale Plastizität die Verarbeitung von Schmerz steuert und infolge eines langanhaltenden Schmerzzustands zu einer Veränderung der Nervenzellen führen kann, lohnt sich ein Blick in die Forschung. Eingeführt in die Neurowissenschaften wurde der Begriff der Plastizität bereits 1906 durch den italienischen Psychiater Ernesto Lugaro. Noch früher, bereits Ende des 19. Jahrhunderts, wusste man um die Zusammenhänge zwischen Gedächtnis und Lernen auf Zellebene.

Verbunden mit der neuronalen Plastizität ist die sog. Neuromodulation: Sie ist dafür verantwortlich, dass das Nervensystem eben kein starrer Schaltkreis ist, sondern sich ständig an die organischen Gegebenheiten anpasst. Bestehende, neue und fehlende Reize sorgen dafür, dass sich die neuronalen (d. h. das Nervensystem betreffenden) Netzwerke im menschlichen Organismus ständig verändern und mit dem Ziel der Optimierung der organischen Vorgänge anpassen. Der Wirkmechanismus, der hinter diesem Prozess steht, ist die bereits erwähnte synaptische Plastizität. Wie aber unterscheiden sich neuronale und synaptische Plastizität voneinander?

• neuronale Plastizität: Veränderungen in einem Verbund mehrerer Nervenzellen/Neuronen bzw. eines Zellverbunds
• synaptische Plastizität: Veränderungen und Anpassungsprozesse auf Ebene der Synapsen

Betroffen von den synaptischen Anpassungen ist die Reizübertragung zwischen einzelnen Synapsen, die eine Information oder einen Reiz von Nervenzelle zu Nervenzelle weiterleiten. Entscheidend dafür, dass sich Synapsen und Nervenzellen durch einen Anpassungsprozess verändern, sind wiederum die sog. Langzeitpotenzierung und Langzeitdepression.

Die Schmerzverarbeitung im Gehirn

Obwohl ein Schmerzreiz an jeder beliebigen Stelle des Körpers entstehen kann, erfolgen die Verarbeitung des Reizes und die Reaktion darauf im Gehirn. Damit die Reaktion auf einen Schmerz adäquat ausfallen kann, muss im Gehirn zunächst eine Reihe von Fragen abgearbeitet werden, die nötig sind, um den Schmerz einordnen zu können:

• Wo genau tritt der Schmerz auf?
• Welches Körperareal ist betroffen?
• Wie stark ist der Schmerz?
• Welche Qualität hat der Schmerz?
• Wie wird der Schmerz empfunden?
• Ist der Schmerzreiz bereits bekannt oder neuartig?

Erst wenn diese (und ggfs. weitere) Fragen beantwortet sind, kann das Gehirn die Informationen, die mit dem Schmerzreiz einhergehen, auch verarbeiten. Es merkt sich nicht nur die Intensität des Schmerzes, sondern auch wann, wo und unter welchen Umständen der Schmerz aufgetreten ist.

Ursprünglich ist der Schmerzreiz über ein fein verästeltes Netz von Nervenzellen (sog. neuronale Netzwerke) von der schmerzenden Körperstelle an das Gehirn übermittelt worden. Tritt der Schmerz in derselben, in einer stärkeren oder einer schwächeren Form häufiger auf, werden dieselben Nervenzellen immer wieder von den elektrischen Impulsen, die durch den Schmerz ausgelöst werden, durchlaufen. An dieser Stelle kommt die neuronale Plastizität ins Spiel.

Die Neuroplastizität ist aus Sicht der Schmerzmedizin besonders interessant, weil es durch die wiederholte Reizweiterleitung durch die Nervenzellen zu einer Verstärkung kommt. Diese wiederum trägt zur Ausbildung des sog. Schmerzgedächtnisses bei.

Wie werden Reize im Nervensystem von Zelle zu Zelle geleitet?

Entscheidend für das Verständnis der Auswirkungen von Schmerz im Gehirn ist das Wissen, wie eine Reizweiterleitung überhaupt zustande kommt. Ausgehend von der Stelle, an der der Schmerz tatsächlich auftritt, nehmen freie Nervenendigungen im Gewebe den Schmerzreiz wahr und übertragen diesen in Form eines elektrischen Impulses in umliegende Nervenzellen. In Form einer sog. Schmerzbahn wird das Signal zum Rückenmark weitergeleitet, wo es von den Strängen des Zentralen Nervensystems aufgenommen und verschaltet wird, bevor die Information zum Gehirn weitergetragen wird. Ermöglicht wird die Signalübertragung zwischen den einzelnen Nervenzellen durch Synapsen.

Jede Zelle im Nervensystem, die zur Weitergabe von Reizen in der Lage ist, besitzt auf ihrer Hülle, der sog. Zellmembran, eine bestimmte Grundspannung, das sog. Ruhepotenzial. Alle spannungsabhängigen Kanäle, die die Zelle mit ihrer Zellumgebung verbinden, sind in diesem Zustand geschlossen. Durch einen elektrischen Impuls bzw. Reiz (z. B. einen Schmerzreiz) wird das Ruhepotenzial der Zelle gewissermaßen gestört. Die Spannung innerhalb der Zellmembran erhöht sich. Überschreitet dieser Spannungszustand eine bestimmte Schwelle, öffnen sich die spannungsabhängigen Kanäle und positiv geladene Ionen breiten sich als elektrisches Signal über die Membran aus. Ein Aktionspotenzial (AP) entsteht.

Auf diese Weise können Nervenzellen Reize oder Signale von anderen Zellen aufnehmen und diese durch die Leitfähigkeit ihrer Membran an andere Zellen weitergeben. Über Synapsen wird der Reiz in die nächste Zelle überführt und entlang einer Nervenfaser weitergeleitet: Ausgehend von der sog. präsynaptischen Membran (der Synapse vorgelagert) überträgt sich bspw. ein Schmerzreiz auf die postsynaptische Membran (hinter der Synapse) und gelangt so in die daran angeschlossene Nachbarzelle, von wo aus sich das Aktionspotenzial wieder auf die nächste Zelle überträgt.

Die Symptome: Neuronale Plastizität und Schmerz

Bei der Entstehung und Weiterleitung von Aktionspotenzialen spielen sog. Ionenkanäle eine wichtige Rolle. Dabei handelt es sich um Proteine, die elektrisch geladenen Teilchen, den sog. Ionen, das Durchqueren von Zellmembranen ermöglichen. Im Bereich der Nervenzellen sind es vor allem positiv geladene Natrium- (Na+) und Kaliumionen, die die Zellwand passieren und für kurze Zeit den Spannungszustand der Zellmembran verändern.

Es gibt neben Natrium- und Kaliumkanälen jedoch auch noch andere Ionenkanäle zwischen einzelnen Nervenzellen: Im Zusammenhang mit neuronaler Plastizität und Schmerzempfinden sind vor allem die Calciumkanäle (Ca2+) erwähnenswert. Kommt es zu einer wiederholten oder mehrfachen Reizung (d. h. zu einer zeitlichen oder räumlichen Summation von Aktionspotenzialen) in ein und derselben Zelle, werden nicht nur Na+-Kanäle, sondern auch Ca2+-Kanäle geöffnet, die normalerweise durch Magnesiummoleküle blockiert werden. Es strömt also neben Natrium auch Calcium in die postsynaptische Membran ein. So wird eine Grundlage für die Langzeitpotenzierung des auslösenden Schmerzreizes geschaffen.

Dieser Effekt ist vergleichbar mit dem Vorgang des Lernens bzw. der Gedächtnisbildung. Strömt bei einem Aktionspotenzial vermehrt Calcium in die Synapse einer Nervenzelle ein, erhöht sich die Wahrscheinlichkeit für ein sog. Folgeaktionspotenzial – die Zellmembran wird gewissermaßen durchlässiger für einen bereits bekannten Reiz: Auch ein schwächerer Schmerzimpuls, der zuvor nicht stark genug war, um die Membran zu passieren, kann nun als solcher erkannt und entlang der Nervenfaser bis zum Gehirn weitergeleitet werden. Dort wird der Schmerz registriert, es wird jedoch nicht unterschieden, ob es sich um einen hoch- oder niederschwelligen Schmerzreiz handelte. Stattdessen tritt ein Prozess in Gang, der als Bahnung bezeichnet wird: Je öfter eine Nervenzelle durch einen bestimmten Schmerzimpuls zu einem Aktionspotenzial gereizt wird, desto „anfälliger“ wird sie für diesen Reiz. Die synaptischen Kontakte zwischen zwei benachbarten Zellen werden enger miteinander verknüpft und verstärken den Prozess der Schmerzweiterleitung an das Gehirn. In der Folge der Bahnung geschehen drei Dinge, die mithilfe der Langzeitpotenzierung zur Entstehung eines Schmerzgedächtnisses beitragen:

• Es werden mehr Neurotransmitter gebildet, die von Zelle zu Zelle weitergegeben werden.
• Mehr und mehr Ionenkanäle werden zwischen den Zellen aktiviert.
• Es entstehen neue und stärkere synaptische Verbindungen zwischen den Zellen.

Mehr Informationen zur Entstehung von Schmerzen in diesem Video

Schmerz wird von den meisten Menschen als etwas Negatives empfunden. Dabei ist Schmerz eigentlich alltäglich und mitunter sogar förderlich für unsere Gesundheit. Warum Schmerzen wichtig für das Überleben sind und wie sie entstehen, erklärt Dr. Tobias Weigl im folgenden Video.

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An sich ist Langzeitpotenzierung nichts Negatives: Sie geschieht ständig, und das aus gutem Grund, denn sie unterstützt das Lernen und Verarbeiten von Informationen, Fremdsprachen oder Schul- und Studieninhalten. Ohne die Fähigkeiten der neuronalen Plastizität und der Langzeitpotenzierung wäre das menschliche Gehirn nicht imstande, Informationen zu verarbeiten und Wissen aufzubauen.

Neuroplastizität macht Lernprozesse möglich

Mithilfe der neuronalen Plastizität ist das menschliche Gehirn formbar: Die wiederkehrende Verarbeitung der immer gleichen Information sorgt dafür, dass sich informationsverarbeitende Nervenzellen intensiver miteinander verbinden und eine Art Bahn bilden, über die die jeweilige Information schneller an das Gehirn weitergegeben werden kann. Informationen, die auf diese Weise aufgenommen und verarbeitet werden, werden zunächst im Kurzzeitgedächtnis und schließlich im Langzeitgedächtnis abgespeichert, wo sie jederzeit abgerufen werden können, solange die „Bahn“ besteht.

Der Prozess der Bahnung erfolgt immer nach demselben Schema, und zwar unabhängig davon, ob wir Vokabeln für eine Fremdsprache lernen oder eine Körperstelle einen Schmerzreiz an das Gehirn meldet. In beiden Fällen durchlaufen elektrische Impulse das Nervensystem und werden an das Gehirn weitergeleitet, wo sie durch Thalamus und Hippocampus verarbeitet und „sortiert“ werden. Der Hippocampus ist gewissermaßen das Zentrum für Lern- und Gedächtnisprozesse und die zentrale Verschaltungsstelle des limbischen Systems: Wird eine Information wiederholt an das Gehirn geleitet, legt er im Rahmen der Langzeitpotenzierung eine Gedächtnisspur bzw. Bahn an, die die Informationsverarbeitung optimiert. Deshalb kann, wenn die Bahn oft genug durchlaufen worden ist, allein der Gedanke an einen Schmerz im Gehirn bereits sämtliche Reaktionen hervorrufen, die auf einen „echten“ Schmerz folgen – auch wenn gerade gar kein Schmerz auftritt.
Erfolgt die Bahnung und in der Folge der Lernprozess also nicht beim Vokabel-Lernen, sondern aufgrund eines andauernden akuten Schmerzreizes, brennt sich dieser in die aktiven Nervenzellen ein. Das Gehirn erkennt ein Muster und die Gedächtnisbildung setzt ein: Selbst, wenn kein akuter Schmerz mehr vorhanden ist oder die Ursache des Schmerzes erfolgreich behandelt wurde, kann der Schmerzreiz weiterhin an das Gehirn gemeldet werden, das die Information entsprechend verarbeitet und Alarm schlägt – das Schmerzgedächtnis gaukelt dem Organismus den Schmerz gewissermaßen vor. Das Gehirn ist jedoch nicht mehr dazu in der Lage, Schmerz von Nicht-Schmerz zu unterscheiden, weil es das Phänomen „Schmerz“ als gelernte Information abgespeichert hat.

Wer ist betroffen?

Von neuronaler Plastizität kann sich niemand freimachen. Sie ist im menschlichen Organismus angelegt und kann weder bewusst wahrgenommen noch „abgeschaltet“ werden.

Im Hinblick auf chronische Schmerzen bedeutet das, dass niemand wirklich davor gefeit ist, dass ein Schmerz chronisch werden kann. Wird ein akuter Schmerz, z. B. im Rücken, ignoriert und zu spät oder falsch behandelt, kann dieser sich bedingt durch die Formbarkeit der Zellstruktur und die Langzeitpotenzierung so sehr im Gehirn manifestieren, dass auch dann ein Schmerz wahrgenommen wird, wenn er gar nicht mehr akut auftritt.

Video: Was ist chronischer Schmerz?

Chronischer Schmerz entsteht durch zelluläre Lernprozesse. Wie diese ablaufen und wie ein Schmerzgedächtnis entsteht, erklärt Dr. Tobias Weigl im folgenden Video.

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Gibt es spezielle Fälle?

Die Veränderungen, die aufgrund neuronaler Plastizität im Gehirn entstehen, sind nicht nur zellulärer, sondern auch anatomischer Natur. Besonders auffällig sind diese Veränderungen bei Menschen, die sich über einen langen Zeitraum intensiv mit einem einzigen Thema auseinandersetzen. Zu dieser Gruppe gehören bspw.:

• professionelle Musiker
• Leistungssportler
• Experten und Berater mit speziellen Fachgebieten
• Dolmetscher und Menschen, die viele Fremdsprachen sprechen

Je intensiver die Beschäftigung mit einem bestimmten Thema, einer Sprache, einem Instrument oder einer Sportart ist, desto präziser muss das Gehirn Informationen verarbeiten. Diese müssen keineswegs ausschließlich intellektueller Natur sein: Auch das Führen eines Geigenbogens, die Fingerbewegung beim Spielen einer Klarinette oder der immer wieder gleiche Bewegungsablauf beim Ausführen einer Sportart werden „gelernt“ und im Gehirn abgespeichert, nachdem die jeweilige Information mithilfe von Nervenzellen und Synapsen verarbeitet wurde.

Dass neuronale Plastizität auch in umgekehrter Richtung möglich ist, lässt sich am Beispiel der Demenz verdeutlichen. Im Alterungsprozess, das haben Neurowissenschaftler bereits vor einigen Jahren herausgefunden, treten neurologische Funktionsverluste auf. Weil u. a. der Neurotransmitter Noradrenalin mit zunehmendem Alter nur noch in geringerem Ausmaß produziert wird, kommt es im limbischen System, welches für die Gedächtnisbildung zuständig ist, zu einer verringerten Aktivität. Typische Symptome einer Demenz äußern sich daher im Verlust von kognitiven und handlungsbezogenen Fähigkeiten, weil sowohl Lernprozesse als auch das Abrufen von Gelerntem aufgrund der fehlenden Transmitter verzögert stattfinden.

Häufige Patientenfragen

Entsteht das Schmerzgedächtnis nur bei Rückenschmerzen?

Dr. T. Weigl:
Nein. Schmerzen können in allen Körperteilen auftreten können und daher auch immer chronifizieren. Dabei ist es egal, ob der akute Schmerz im Rücken oder bspw. in einem Gelenk auftritt. Der Rücken ist jedoch eine der häufigsten Stellen, an denen chronische Schmerzen entstehen – und damit auch die Voraussetzung für die Ausbildung eines Schmerzgedächtnisses. Das Schmerzgedächtnis bedeutet in diesem Zusammenhang so viel wie: Der Körper reagiert schneller und intensiver auf einen Schmerzreiz, auch wenn dieser schwächer ausfällt als der ursprünglich auslösende Akutschmerz.

Wie hoch ist das Risiko, ein Schmerzgedächtnis zu entwickeln?

Dr. T. Weigl:
Die Voraussetzung für die Entstehung eines Schmerzgedächtnisses ist, dass ein akuter Schmerz chronisch wird. Durch die synaptische Verschaltung und die neuronale Plastizität werden Schmerzbahnen sozusagen breiter gemacht – das ist vergleichbar mit einem Trampelpfad im Wald, der mit jeder Benutzung ausgetretener und besser begehbar wird. Diesen Prozess der Chronifizierung der Schmerzen gilt es mit einer ganzheitlichen Therapie aufzuhalten – denn tatsächlich entwickelt fast jeder Patient, der an chronischen Schmerzen leidet, in der Folge ein Schmerzgedächtnis.

Welche Therapie ist die beste bei chronischen Schmerzen?

Dr. T. Weigl:
Um den Dauerschmerz, der durch die neurologisch bedingte Plastizität chronifiziert ist, zu lindern und das Schmerzgedächtnis neu zu programmieren, eignet sich meiner Meinung nach am besten eine ganzheitliche Therapie. Diese ist für mich der zielführendste Weg, ein Schmerzgedächtnis zu behandeln. Es lässt sich zwar nicht löschen, doch so wie die Zellen gelernt haben, Schmerz dauerhaft wahrzunehmen, lässt sich in einem neuen Lernprozess die Information „Schmerz“ nach und nach überschreiben. Wichtige Bestandteile einer solchen Therapie sind Elektrostimulation, z. B. durch die Small Fiber Matrix Stimulation (SFMS), Bewegung bzw. Krankengymnastik und Entspannungstechniken. Darüber hinaus können zur Schmerzlinderung auch Medikamente wie z. B. Diclofenac verschrieben werden.

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Haben auch Sie Erfahrungen mit chronischen Schmerzen aufgrund von Langzeitpotenzierung durch neuronale Plastizität? Haben Sie Fragen zum Thema? Nutzen Sie unsere Kommentarfunktion unten für den Austausch untereinander und mit uns!

Autoren: Dr. Tobias Weigl, Christine Pepersack
Lektorat: Tobias Möller
Veröffentlicht am: 08.01.2019, zuletzt aktualisiert: 14.05.2019

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