Das Rückenmark – nur eine lange Leitung vom Körper zum Gehirn?
Als Bündel von Neuronen zieht es sich beinahe durch unseren halben Körper, läuft gut geschützt vom Lendenbereich durch den Rücken bis hoch zum Nacken und verbindet sich dort mit dem Hirnstamm: das Rückenmark. In den Neurowissenschaften spielt es bislang neben dem Gehirn nur eine Nebenrolle, für den Körper ist es jedoch von zentraler Bedeutung. Sinnesreize aus allen Körperteilen – außer dem Kopf – reisen durch das Rückenmark nach oben und motorische Impulse für Bewegungen nach unten. Doch ist es damit einfach nur eine lange Leitung, die unserem Gehirn mitteilt, dass wir gerade auf ein Legosteinchen getreten sind, oder passiert dort mehr? Einsichten in einen bislang wenig untersuchten Teil unseres Nervensystems.
von Janek Haschke
Der Großteil neurowissenschaftlicher Forschung befasst sich mit dem Gehirn, das Rückenmark wird dagegen noch weitaus weniger erforscht.
Eine bislang ungeklärte Frage ist beispielsweise, in welchem Ausmaß Sinnesreize schon im Rückenmark verarbeitet werden und dem Gehirn somit ein bisschen Arbeit abnehmen. Wird das Signal nur vom Körper zum Gehirn weitergeleitet oder wird es hier schon danach bewertet, ob es überhaupt relevant ist und weiter oben im Hirn einen Nutzen hat? Es hätte durchaus Vorteile, wenn das Rückenmark schon einfache Entscheidungen treffen kann: Trifft ein schmerzhafter Reiz auf der Haut ein, verlangt das in der Regel eine sofortige Reaktion — die altbekannte Hand auf der Herdplatte will blitzschnell zurückgezogen werden. Ein Mückenstich hingegen erfordert eher mittelfristige Handlungen. Und tatsächlich: Erste Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Signale bereits vorverarbeitet werden und einige Weichen passieren müssen, bevor sie ins Gehirn gelangen.
Im Alltag ist das Rückenmark unverzichtbar: Schon wenn man sich eine Tasse Tee aus der Küche holen will, hat es jede Menge zu tun. Vom Gehirn aus werden bestimmte Nervenzellen im Rückenmark angesprochen, die die richtigen Muskelgruppen in geordnete Bewegung versetzen. Den Stuhl zurück schieben, Oberkörper vor, Gewicht auf die Füße bringen und aufstehen. Mit jeder ausgeführten Bewegung verändert sich unser Körper im Raum und sofort werden neue Informationen über die Position unserer Gliedmaßen über das Rückenmark empfangen und für die weitere Verarbeitung ans Gehirn weitergeleitet. Ein permanenter Abgleich der angestrebten Bewegungsmuster mit der tatsächlichen Position des Körpers ist unerlässlich, wenn die Küche wohlbehalten erreicht werden soll.
Nicht nur altbekannte Muster wie Laufen sind so abgesichert, im kompakten Rückenmark ist auch genügend Platz für Unvorhergesehenes: besonders potentiell gefährliche Situationen werden zuverlässig verarbeitet. Die Küche mit dem wohlverdienten Tee ist nun schon in Sichtweite und die Gedanken drehen sich um die Auswahl der Sorte. Oder doch lieber Kaffee? Plötzlich zuckt ein stechender Schmerz vom linken Fuß ins Bewusstsein und alle Gedanken um Tee werden innerhalb eines halben Herzschlags weggerissen. Im selben Augenblick sorgt die Verschaltung im Rückenmark dafür, dass das Körpergewicht auf die intakte, rechte Seite verlagert, die Vorwärtsbewegung eingestellt und der linke Fuß sofort hochgezogen wird, um dem Schmerz zu entkommen. Ein erfolgreiches Manöver. Der Schmerz lässt nach und die Reflexhandlung wird wieder von der üblichen Hirnaktivität abgelöst, die sowohl erleichtert als auch liebevoll genervt feststellt, dass es sich um ein Legosteinchen handelt. Wieder gehen die Signale über das Rückenmark in Beine, Po, Oberkörper und Arme und in einer flüssigen Bewegung wird das Legosteinchen aufgehoben, damit der Rückweg weniger schmerzhaft ausfällt.
All diese Aufgaben stemmt das Rückenmark durch seine über Jahrmillionen hinweg entwickelte Architektur mit solcher Brillanz, dass wir darüber überhaupt nicht nachdenken müssen. Sein innerer Aufbau teilt sich, genau wie im Gehirn, in weiße und graue Bereiche. Während die weiße Substanz die eigentliche Nervenautobahn darstellt und die langen Verbindungen der Nervenzellen entlang der Wirbelsäule beinhaltet, liegen in der grauen Substanz die Zellkörper der Nervenzellen. Hier laufen die entscheidenden Schaltvorgänge ab und die Neuronen beeinflussen ihre Nachbarn durch Verstärkung oder Blockade.
Um diesen Schaltplänen des einige Millionen Nervenzellen umfassenden Rückenmarks auf die Spur zu kommen, soll die aus der Hirnforschung bekannte Methode der funktionellen Magnetresonanztomographie (fMRT) helfen. Das Problem jedoch dabei: Im Vergleich zum Gehirn ist das Rückenmark wesentlich kleiner im Querschnitt und verläuft durch eine abwechslungsreiche anatomische Landschaft aus Wirbelkörpern, Lunge und Rückenmuskulatur. Das erschwert die Aufnahme von klaren Signalen erheblich. Denn Herzschlag und Atmung bringen viele Bewegungen mit sich und die aufgenommenen Bilder sind verwackelt. Hier arbeiten Forschende an speziellen Algorithmen, um diese Störungen herauszufiltern und damit klarere Signale zu bekommen. Zudem werden besonders starke Magnetfelder eingesetzt, welche die kleine Struktur detaillierter auflösen können als die bislang üblichen Felder. Diese sind bis zu 3,5 Millionen mal stärker als das Erdmagnetfeld.
Weitgehend unklar ist auch, welchen Einfluss kognitive und psychologische Prozesse auf die neuronalen Schaltkreise im Rückenmark haben. Etwa wenn es um chronische Schmerzen geht. Die könnten sich durchaus auch dauerhaft in den neuronalen Verbindungen des Rückenmarks niederschlagen. Wie das genau aussehen könnte, ist eine der Fragen, mit denen sich auch unsere Forschungsgruppe „Schmerzwahrnehmung“ am Max-Planck-Institut für Kognitions- und Neurowissenschaften (MPI CBS) in Leipzig beschäftigt. Beispielsweise wissen wir bereits, dass Schmerz viel mit Erwartungen zutun hat und das Rückenmark eine der ersten zentralen Verarbeitungsstelle für Schmerzen außerhalb der Kopfregion ist. Ließe sich, so die Vision, bereits an dieser Stelle etwas an den Signalen ändern, wäre das eine Möglichkeit zum Beispiel chronische Schmerzen zu behandeln.
Vorverarbeitung von Reizen, detaillierter Aufbau, psychologische Einflüsse – Schritt für Schritt werden mehr Details über diese komplexe Struktur im Zentrum der Wirbelsäule zu Tage gefördert und geben uns tiefere Einblicke darin, wie Hirn und Körper zusammenarbeiten. Dabei zeigt sich: Sie ist mehr als nur eine lange Leitung. Vielmehr übernimmt sie in alltäglichen Situationen einen hohen Grad an Kommunikation zwischen Hirn und Körper. Sie als zentrale Verbindung mehr zu verstehen, bedeutet damit auch, den Menschen als Ganzes besser zu begreifen. Das wurde nicht nur in den Neurowissenschaften erkannt. Auch in der Philosophie gibt es gute Argumente, die dafür sprechen, den Körper ganzheitlich zu betrachten, wenn man den Geist verstehen will (Wild 2017, Suhrkamp). Beispielsweise legt unser Körper durch seine Beschaffenheit fest, was für uns gut und schlecht ist und bildet damit Dreh- und Angelpunkt unserer geistigen Welt.
Allein schon die graue Substanz im Rückenmark lässt erwarten, dass da einiges passiert. Je mehr lokal abgehandelt wird 1) umso mehr wird das Hirn entlastet 2) umso schneller folgt die Reaktion auf einen Reiz. 1) und 2) sprechen also für eine aktive Rolle des Rückenmarks. Doch – muss man sich fragen – gibt es nicht auch Nachteile einer dezentralen, lokalen Verarbeitung gegenüber einer zentralen? Eine schwierige Frage, zu der sich mehrere untergeordnete Fragen stellen lassen wie etwa: a) kann auch das Rückenmark lernen und besser werden b) „Erinnert“ sich das Rückenmark an das, was vorher passierte c) unterscheiden sich Menschen, beispielsweise Sportler auch in ihrem Rückenmark, d) gibt es individuelle Unterschiede in der Benutzung der grauen Substanz des Rückenmarks, werden von einigen Menschen mehr Aktionen vom Rückenmark ins Gehirn verlagert als bei anderen?
@Haschke
Bei der ´Zeitlupenwahrnehmung / slow motion perception´*) kann man gut verstehen, wie Gehirnfunktion und Körperreaktion zusammenarbeiten: Schritt-für-Schritt.
*) Tennis-/Baseball-Spieler berichten manchmal, dass sie den Ball wie in Zeitlupe auf sich zufliegen sahen – und dann besonders perfekt reagieren konnten.
Diese Arbeitsweise lässt sich erklären/beschreiben – so dass man verstehen kann, wie Gehirn und Körper zyklisch zusammenarbeiten (ob man damit beim Verständnis der Schmerzverarbeitung weiterkommt, müssen Sie prüfen)
off topic:
Ich schicke Ihnen einen Brief mit dem Erklärungsschema zu-
Hallo KRichard,
ja, dass es eine sehr enge und schrittweise Verknüpfung geben muss, ist sehr wahrscheinlich. Das ermöglicht erst die Flexibilität und Feinheit, die zum Tennisspielen gebraucht wird (oder im so gern gewählten Steinzeit-Szenario: zum Überlebenskampf mit dem Säbelzahntiger). Die Frage für die Forschung wäre dann: welche Neuronen übernehmen welchen Job und wie ist die Regulierung genau ausgeformt? Wie viel von der Verarbeitung (z.B. Abgleich Muskelanspannung und Lage der Gliedmaßen im Raum) ist schon im Rückenmark und wird dann im Gehirn “nur noch” mit anderen Infos abgeglichen (z.B. die visuellen Infos wo Netz und gegenerische Spielerin/Spieler sich befinden)? Oder wird die erforderliche Muskelaktivität ins kleinste Detail auch erst im Gehirn zusammengesetzt und dann mit dem Rest verknüpft?
Beim Schmerz sind es genau dieselben Fragen. Theoretisch gibt es viele plausible Modelle, aber welches ist es nun wirklich? Welche Neuronen muss eine Therapie ansprechen und in welche Richtung (verstärken oder hemmen)? Da das Schmerzsystem evolutionär sehr alt ist, hat es sich vermutlich auf sehr basaler Ebene in den Körper gewoben, so dass man sehr tief graben muss, um die Mechanismen freizulegen. Visuelle Mustererkennung wie etwa für das Tennisnetz wäre in der Hierarchie vermutlich weiter oben und damit etwas eher zu durchdringen als das Schmerzsystem.
(Hier auch nochmal der ausdrückliche Hinweis, dass die meisten Sachen bislang theoretische — wenngleich teils sehr plausible — Überlegungen sind und der clou immer ist, belastbare Beweise zu finden.)
Ein toller Artikel, gut beschrieben, das Lust auf mehr entsteht.
Dass wir so viele Aufgaben gleichzeitig abwickeln können, bedeutet doch, dass es viele gleichzeitig arbeitende Nervenverbindungen geben muss.
Vielleicht könnte man über eine sehr genaue temperaturmessung an den Nervenbahnen feststellen, welche Bahn gerad eine Aufgabe durchführt. (von einem Laien gefragt)
Hallo hwied,
danke für das feedback!
Ja, das liegt durchaus nahe, dass es viele Nervenverbindungen gibt. Die spannende Frage ist, welche Verbindung welche Aufgabe übernehmen kann. Und möglicherweise gibt es effiziente Kombinationen, so dass für mehrere Aufgaben nur wenige Neuronen nötig sind. Denn das spart Energie und kann im Lauf der Evolution von Vorteil sein.
Die Idee mit der Temperaturmessung wird tatsächlich so ähnlich umgesetzt: man schaut zum Beispiel auf den Sauerstoffgehalt im Blut und kann daraus ableiten, welche Region gerade viel Energie verbraucht. Leider ist dabei das Problem, dass das ein relativ grobes Maß ist, da die Blutversorgung immer für mehrere Neuronen in der unmittelbaren Umgebung da ist. Dazu kommt, dass die Neuronen sehr klein sind und dicht beieinander sind. Welches genau dann aktiv ist, ist sehr schwer zu bestimmmen. Das in Kombination mit der Tatsache, dass es ja die ganze Zeit jede Menge zu tun gibt für die Neuronen, so dass man auch erstmal die Aufgaben aufdröseln muss.
Eine Hommage an das Rückenmark (die Wirbelsäule?) – und dazu eine so schöne. Glückwunsch!
Was für Neuronen sind das denn im Rückenmark?
Noch mehr als das Beispiel mit der heißen Herdplatte faszinieren mich die Fälle, erst vor Kurzem wieder, in denen ich die Hand schreckhaft von einer Herdplatte weggezogen habe, die vorher nicht an gewesen (also gar nicht heiß) war. Wer/was “entscheidet” denn über diese Reaktion?
Lernt das Rückenmark oder muss man für solche Fälle doch eine Beteiligung des Gehirns annehmen? Wenn die Herdplatte aus war, kann ja keine Hitze/Schmerz wahrgenommen werden, sondern muss das visuell vermittelt sein.
P.S. Die Quelle zu Wild 2017, Suhrkamp hätte man ausführlicher geben können; ich habe es spontan nicht gefunden.
Hallo Her Schleim,
danke für das positive Feedback!
Im Rückenmark gibt es verschiedene Neuronentypen. Im Fokus stehen hier hauptsächlich Interneurone, also diese, die weder direkt einen Sensor in sich tragen oder die Muskeln ansteuern.
Für die Hand, die von der kalten Herdplatte weggezogen wurde, ist vermutlich die Gewohnheit der Grund. Vorherige Erfahrungen mit heißen Platten haben sehr eindrücklich dazu geführt, immer erstmal wegzuziehen, um auf Nummer sicher zu gehen. Wie genau die Entscheidungen getroffen werden und auf welcher Ebene, ist eine der Fragen, die zur Zeit untersucht werden. Gleiches gilt auch für das Lernen — Plastizität (also schrittweise Veränderung über die Zeit hin) gibt es auch im Rückenmark, aber welche Veränderungen ausschlaggebend sind (die im Hirn oder im Rückenmark? Oder beide ein bisschen?), ist noch nicht geklärt. Für chronische Schmerzen ist es vermutlich sehr ähnlich – wir haben uns einmal daran gewöhnt und dann wurden Verknüpfungen so dauerhaft verändert, dass es auch wehtut, wenn der eigentliche Reiz weg ist. Was davon im Gehirn und was im Rückenmark ist, spielt vor allem für die Therapie eine wichtige Rolle.
Danke für den Hinweis zur Literaturquelle: “Philosophie der Verkörperung” – Grundlagentexte zu einer aktuellen Debatte, Herausgegeben von Joerg Fingerhut, Rebekka Hufendiek und Markus Wild
Siehe z.B. hier: https://www.suhrkamp.de/buecher/philosophie_der_verkoerperung-_29660.html
Interessant! Danke auch für die Literaturangabe. Dann mal viel Erfolg bei der Forschung – hoffentlich ohne zu viel Schmerzen!
@Schleim
Unser Gehirn reaktiviert immer sofort eine zum aktuellen Erleben passende Erfahrung – dies ist unsere wichtigste Überlebensfunktion. Schnelligkeit ist wichtiger als Genauigkeit. Der Fachbegriff dazu ist ´predictive coding´.
So können wir immer sofort und schnellstens reagieren. (wenn aber genug Zeit ist, kann die erste Reaktion noch korrigiert werden)
Wenn viele Details der aktuellen Situation mit einer im Gedächtnis gespeicherten Erfahrung übereinstimmen – dann wird ein Ereignis besonders schnell/intensiv reaktiviert.
Der Fachbegriff dazu ist ´context dependent retrieval´.
Dies ist ein Grund, warum Sie die Hand zurückgezogen haben, obwohl die Herdplatte gar nicht heiss war.
Für diese Arbeitsweise gibt es noch andere schöne Beispiele.
a) wenn ein Magier einen Ball mehrmals in die Luft wirft und wieder fängt – dann ´sehen´ wir bei den Wiederholungen nur den Ballflug der im Kurzzeitgedächtnis gespeichert ist (und nicht mehr den realen Ballflug). Diese Wahrnehmungslücke nutzt der Magier um den Ball verschwinden zu lassen.
b) Wenn Leute per Handy sehr oft angerufen werden – dann passiert es öfter, dass sie in bestimmten Situationen ihr Handy klingeln ´hören´; obwohl es tatsächlich nicht geklingelt hat: Phantomklingeln. Auch hier kommt das Gehörte aus dem Gedächtnis.
c) wenn Menschen sehr lange mit Partner (m,w,d) in identischer Umgebung zusammenleben, dann wird diese Person in Zusammenhang mit Wohnungseinrichtung und entsprechenden Gerüchen in Erfahrungen abgespeichert.
Wenn eine Person stirbt, dann kann es sein, dass die hinterbliebene Person den Partner noch wochenlang wie lebensecht erinnert. Sogar regelrechte Gespräche sind gedanklich möglich. Der Grund für solche Erlebnisse ist, dass zu Einrichtung/Geruch in der Wohnung auch die verstorbene Person erinnert wird.
Bei solchen Erlebnissen ist man nicht verrückt – sondern hier ist nur erkennbar, wie das Gehirn arbeitet.
Nach einigen Wochen verschwinden solche Erlebnisse wieder, weil man gelernt hat dass die andere Person nicht mehr anwesend ist.
Solche Erlebnisse werden speziell von älteren Personen sehr oft berichtet (> 50%) – weil diese in der Regel lange Zeit mit der verstorbenen Person lebten.
Vielleicht ein anderer Denkansatz. Bei Achtsamkeit/Meditation/Gewahrsein erkennt man das viele Empfindungen die im Körper ablaufen vom Gehirn(Geist) nicht bewusst wahrgenommen werden. Erst durch diese “Übungen” kommen sie ins Bewusstsein. Es steht also hier die Frage ab wann ein Reiz(Schmerz) aus dem Unterbewusstsein ins Bewusstsein kommt, ab wann also das Aktionspotential an den Synapsen so stark wird das wir auf Schmerzen reagieren. Im Rückenmark sind wohl in der Mehrzahl Interneurone angesiedelt, was also im Prinzip der Reizweiterleitung -und nicht der Bewertung- dient. Sinnesreize könnten also erst ab einem bestimmten Aktionspotential erst in das Bewusstsein kommen. Alles ,was darunter liegt spielt sich unbewusst ab- Wir unterliegen dann also der Täuschung, dass das Rückenmark einfache Entscheidungen treffen kann.
Hallo Golzower,
das ist ein schönes Beispiel für die Philosophie der Verkörperung. Im normalen Alltag sind uns die vielen körperlichen Prozesse garnicht bewusst. Das ist auch gut so, sonst könnte man sich vor lauter Atmen, Gehen und Verdauen auf nichts konzentrieren.
Nimmt man sich hingegen Zeit und richtet seine Aufmerksamkeit auf ebendiese Prozesse, erscheinen sie viel detaillierter und können sogar beeinflusst werden. Yoga oder Tai Chi nutz genau diesen Zusammenhang, meist ist die Atmung der Moderator zwischen Bewusstem und Unbewusstem. Übt man etwas sehr regelmäßig, verschiebt sich der Normalzustand ganz langsam.
Wie das genau funktioniert (sowohl das bewusstwerden in der Meditation als auch die Veränderung durch Übung) ist neurowissenschaftlich auch noch nicht geklärt. Besonders kniffelig sind hierbei die Begriffe Bewusstsein und Aufmerksamkeit — aus philosophischer Perspektive gibt es schon keine Einigung auf eine klare Definition und folglich ist es für die empirische Wissenschaft schwer, den Finger auf einzelne Regionen/Neuronen/Netzwerke zu legen.
(Nochmal ausdrücklich der Hinweis, dass es sich bei allem von mir Gesagtem um theoretische Betrachtungen handelt, zu denen noch keine eindeutige empirische Beweislage existiert. Es gibt jedoch viele gute Argumente, die diese Sichtweise stützen.)
Analysieren wir mal die Schmerzwahrnehmung. Ein aversiver Reiz entsteht im /am Körper. Dieser Reiz muss -um als aversiver Reiz bewertet zu werden- von einer “Schaltstelle” dementsprechend eingeordnet werden. In der Evolution war diese Schaltstelle notwendig um zu überleben ,schnell zu reagieren, in den Kampf-Fluchtrhythmus zu wechseln. Der Hirnstamm ,der evolutionär zuerst am Rückenmark angesiedelt ist, hat eine solche Stelle in der “Formatio Reticularis”, in der alle Sinneswahrnehmungen erstmals gebündelt werden.
Bei Schmerz aktiviert das Kampf/Fluchtsystem den Sympathikus ,der Organismus muss also reagieren. Wenn ich Zahnschmerzen habe – reagiere ich in dem ich zum Zahnarzt gehe, wenn ich andere Beschwerden habe -reagiere ich in dem ich zum Arzt gehe. Schmerzen sind also ein aversives Alarmsignal im Nervensystem und werden meiner Ansicht nach durch entsprechende Gefühle begleitet die diese Bedrohung in Aktionen dagegen umsetzen. Bei Ihrer Aussage dass das Rückenmark bereits erste Sinnesreize verarbeiten kann würde ich auf das Stammhirn verweisen was die einkommenden Reize aus dem Körper evolutionär zuerst verarbeitet. Evolution: Schmerzwahrnehmung= erhöhter Ausstoß von Neurotransmittern(Noradrenalin)= Sensibilisierung des Organismus für diesen Reiz = Reaktion….
Hallo Golzower,
klar, dass die Reize weiter oben *auf jeden Fall* verarbeitet werden, ist bekannt. Die Forschungsfrage ist, ob es nicht auch noch andere Schaltstellen im Rückenmark gibt und wenn ja, was diese genau tun. Das kann man durch das Wissen, dass es weiter oben eine Verarbeitung gibt, weder ausschließen noch bestätigen. Deshalb schauen wir genauer nach.