Neurokardiologie - Herz und Gehirn bilden ein System
Neurokardiologie - Herz und Gehirn bilden ein SystemDo, 13.10.2022 — Nora Schultz
Das Herz spielt eine wichtige Rolle für das Gehirn. Nicht nur seine unmittelbare Gesundheit hängt daran: Je besser das Herz, desto besser das Gehirn. Auch schlägt Stress direkt durch aufs Gehirn. Bekannteste Krankheit ist vermutlich das Broken-Heart-Syndrom, doch es gibt einige mehr. Selbst auf Zellebene gibt es verblüffende Parallelen, weshalb die neue Richtung der Neurokardiologie Herz und Hirn als System betrachtet. Damit es ein Leben lang rund um die Uhr situationsgerecht pocht, hat es sich einige Tricks vom Gehirn abgeschaut und spezielle Muskelzellen in ein elektrisch erregbares Kommunikationsnetzwerk umgewandelt. Die Entwicklungsbiologin Nora Schultz gibt einen Überblick über das System "Herz-Gehirn".*
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| Neurokardiologie: Herz und Hirn als System betrachtet. |
Beherzte Entscheidungen; Worte, die von Herzen kommen; Herzen, die auf der Zunge getragen werden oder in die Hose rutschen – Vieles, was wir im Kopf wälzen, scheint eng verknüpft mit dem Organ, das in unserer Brust schlägt (Abbildung 1), Aristoteles verortete im Herzen sogar den Sitz der Seele. Das Gehirn dagegen betrachtete er als bloßes Kühlsystem. Heute wissen wir, dass die Emotionen, die wir „im Herzen“ spüren, in Wirklichkeit durch Neuronengewitter im Kopf entstehen. Längst mehren sich aber die Hinweise auf Parallelen und Verbindungen zwischen Herz und Hirn, die biologisch und medizinisch in vielerlei Hinsicht bedeutsam sind: Psychische Gesundheit und Herzgesundheit hängen oft eng zusammen.
Ein Herzensleben
Das Herz spielt eine Hauptrolle im Leben, fast von Anbeginn. Nur in den ersten beiden Wochen nach der Befruchtung ist der menschliche Embryo herzlos. Kurz nachdem er sich in die Gebärmutter eingenistet hat, verschmelzen kleine Hohlräume in seinem Inneren zu einem Schlauch, der optisch zunächst noch an eine Nacktschnecke erinnert. Zu Beginn der vierten Entwicklungswoche fängt der Herzschlauch an zu pumpen – schon jetzt im Ultraschall messbar. In den folgenden fünf Wochen kringelt sich der Schlauch in eine Schleifenform. Anschließend bilden sich die verschiedenen Herzkammern aus, Wände und Klappen entstehen, um die Kammern voneinander abzutrennen. Und schließlich formen sich die großen Blutgefäße.
In nur neun Wochen ist das menschliche Herz im Wesentlichen fertig konstruiert und verrichtet fortan ein Leben lang seinen Dienst. Schlägt es ganz zu Beginn der Entwicklung noch gemächlich und ähnlich wie das Herz der Mutter etwa 80-mal pro Minute, drückt das Ungeborene bald danach erst einmal gehörig auf die Tube. In der siebten Entwicklungswoche rast das sich formende Herzchen mit 185 Schlägen pro Minute und verlangsamt dann nach und nach bis zum Erreichen des Erwachsenenalters wieder auf durchschnittlich 80 Schläge pro Minute.
Bei gesunden Erwachsenen pumpt jeder Schlag etwa 80 Milliliter Blut in den Körper. Pro Minute sind das ungefähr 5 Liter – etwa die gesamte Blutmenge im Körper. Regen wir uns auf oder strengen wir uns an, schafft das Herz zeitweise und je nach Alter mehr als 200 Schläge und bis zu 20 Liter pro Minute. Selbst wenn man nur die erwachsenen Durchschnittswerte zugrunde legt, kommt ein Mensch so auf über 115.000 Herzschläge und 7.200 Liter gepumptes Blut pro Tag. Das macht rund 42 Millionen Herzschläge und knapp 263.000 Liter Blut pro Lebensjahr und knapp dreieinhalb Milliarden Schläge sowie über 210 Millionen Liter Blut in einem 80-jährigen Menschenleben.
Zentrum des Blutkreislaufs
Der südafrikanische Chirurg Christiaan Barnard, der 1967 die erste Herztransplantation durchgeführt hat, soll gesagt haben: „Das Herz ist nur eine Pumpe.“ Ganz so schlicht sehen Fachleute die Sache heute nicht mehr. Doch ist gerade die Pumpfunktion des Herzens zentral für unser Leben. Wir sind darauf angewiesen, dass das Herz als Motor unseres Blutkreislaufs zuverlässig seinen Dienst verrichtet – und zwar rund um die Uhr.
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| Schema des menschlichen Herzens (Quelle: Jakov - Eigenes Werk based on image by Yaddah, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=3327983. Lizenz: cc-by-sa.) |
Das Grundprinzip ist einfach: Das Herz besteht aus zwei von der Herzscheidewand getrennten Hälften. Jede Hälfte ist noch einmal in einen Vorhof und eine Kammer unterteilt. Blut kann nur auf einer Einbahnstraße durch die Herzhälften fließen. Dafür sorgen die Herzklappen, die sich jeweils nur in eine Richtung öffnen. Die zwei Hälften des Herzens bedienen zwei unterschiedliche Kreisläufe. Der Körperkreislauf versorgt den Körper mit Sauerstoff. Sauerstoffreiches Blut fließt über die Lungenvenen in den Vorhof und dann in die Kammer der linken Herzhälfte. Mit ihren kraftvollen Pumpbewegungen schickt die linke Herzkammer das sauerstoffreiche Blut anschließend über die Hauptschlagader bis in die entlegensten feinen Blutgefäße des Körperkreislaufs, die Kapillaren, wo das Blut Sauerstoff und Nährstoffe an die vielfältigen Gewebe abgibt. Auf der Rückreise fließt das nun sauerstoffarme Blut durch Körpervenen zurück zum Herzen: in den Vorhof und die Kammer der rechten Herzhälfte. Von hier aus gelangt es über die Lungenarterien in die Lunge, wo es wieder mit Sauerstoff angereichert wird. Dieser kleinere Kreislauf ist bekannt als Lungenkreislauf.
Arbeitstiere und Impulsgeber
Damit das Herz jeden Winkel des Körpers im Dauereinsatz versorgen kann – und zwar immer genau abgestimmt auf die aktuellen Bedürfnisse – verfügt es über eine Reihe von besonderen Eigenschaften, die teilweise erstaunliche Parallelen zum Gehirn aufweisen. Vereinfacht betrachtet arbeiten in der Hauptsache zwei Zelltypen im Herzen: die Zellen der Arbeitsmuskulatur und die Zellen des Erregungsleitungssystems. Wie der Name schon vermuten lässt, sorgt die Arbeitsmuskulatur dafür, dass das Herz sich verlässlich und kräftig rhythmisch zusammenzieht. Im Unterschied zur Skelettmuskulatur, deren Zellen schon vor der Geburt zu langen Muskelfasern mit mehreren Zellkernen verschmelzen, bewahren Herzmuskelzellen ihre Individualität. Sie enthalten meist höchstens zwei Zellkerne, die bei einer letzten DNA-Verdopplung entstehen, bevor die Zelle den Zellzyklus für immer verlässt.
Einzelkämpfer sind Herzmuskelzellen deshalb noch lange nicht. Vielmehr verketten sie sich über verzweigte Endungen mit ihren Nachbarn und bilden so ebenfalls lange Muskelfasern. An den Verbindungsstellen sitzen viele kleine Poren, die so genannten Gap Junctions. Über diese kann Zellplasma direkt von Zelle zu Zelle fließen. So lassen sich nicht nur chemische Botenstoffe, sondern – über den Austausch von Ionen – auch elektrische Signale besonders schnell übertragen. Das ist nützlich, wenn es wie im Herzmuskel gilt, die rhythmische Aktivität vieler Zellen zu koordinieren. Ähnliches findet sich im Gehirn: Auch hier verbinden Gap Junctions bestimmte, eng zusammenarbeitende Nervenzellen, so etwa im Hippocampus, der zentralen Schaltstelle zwischen dem Kurz- und Langzeitgedächtnis.
Noch mehr Parallelen zum Gehirn weist das Erregungsleitungssystem auf. Es besteht aus abgewandelten Herzmuskelzellen, die sich zu einem komplexen und mit diversen Backup-Mechanismen ausgestatteten Signalnetzwerk verschalten. Dieses Netzwerk übernimmt die Bildung und das Weiterleiten der elektrischen Impulse, die der Arbeitsmuskulatur ihren Takt vorgeben – und das fast ohne Zutun des Nervensystems. Herzmuskelzellen im Erregungsleitungssystem können sich weniger gut zusammenziehen als ihre Kolleginnen in der Arbeitsmuskulatur, sind dafür aber Spezialistinnen im Erzeugen und Weiterleiten von elektrischen Impulsen, den Aktionspotentialen.
Das Erregungsleitungssystem besteht aus mehreren Komponenten. Die primären Impulsgeber sind die Schrittmacherzellen im Sinusknoten. Hierbei handelt es sich um eine rund ein bis zwei Zentimeter lange, spindelförmige Struktur in der Wand des rechten Herzvorhofs. Die Schrittmacherzellen liefern spontan und idealerweise regelmäßig die elektrischen Impulse, die jeden Herzschlag in Gang bringen. Das funktioniert, weil Schrittmacherzellen die Fähigkeit haben, sich selbst immer wieder zu depolarisieren und so rhythmisch neue Aktionspotentiale zu erzeugen. Auf jedes Aktionspotential in elektrisch erregbaren Zellen folgt eine Repolarisationsphase, während der die Natriumkanäle in der Zellmembran sich schließen und den weiteren Einstrom positiv geladener Natriumionen stoppen. Gleichzeitig werden ebenfalls positiv geladene Kaliumionen aus der Zelle herausgepumpt. So wird die Ladung im Zellinnern nach und nach wieder negativer, die Zelle nähert sich ihrem Ruhepotential an. Die meisten elektrisch erregbaren Zellen – einschließlich Neuronen und Zellen der Herzarbeitsmuskulatur – verharren nun eine Weile im Ruhepotential. Anders die Schrittmacherzellen im Sinusknoten des Herzens: Sie verfügen über ganz besondere Natriumkanäle, die sich beim Erreichen der Hyperpolarisation sofort wieder öffnen. Das Zellinnere wird umgehend wieder positiver und es kommt zu einer erneuten Depolarisation.
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| Erregungsleitungssystem des menschlichen Herzens. 1: Sinusknoten, 2: Atrioventrikular(AV)knoten. ((Quelle: Heuser https://de.wikipedia.org/wiki/Sinusknoten#/media/Datei:Reizleitungssystem_1.png. Lizenz: cc-by) . |
Dank dieser besonderen Ausstattung können die Schrittmacherzellen im Sinusknoten als autonome Taktgeber fungieren. Ganz unabhängig vom Rest des Körpers sind sie allerdings nicht. Vor allem das autonome Nervensystem kann über seine Transmitter die Entladungsfrequenz des Sinusknotens, und damit die gesamte Herzfrequenz, sowohl senken als auch erhöhen. Eine wichtige Rolle spielt dabei die Regulierung des Calcium-Haushalts – auch dies eine Gemeinsamkeit mit dem Gehirn, wo calciumabhängige Signale vielfältig an der Modulierung von Synapsen und Netzwerken mitwirken.
Vom Sinusknoten wandern die Impulse in den Atrioventrikularknoten, der in der Wand zwischen dem rechten und linken Vorhof nahe der Grenze zu den Herzkammern sitzt, und weiter in das so genannte His-Bündel. Es verläuft in zwei Strängen (Tawara-Schenkel) entlang der Herzscheidewand in Richtung Herzspitze. Dort verzweigen sie sich in die letzte Komponente des Erregungsleitungssystems, die so genannten Purkinje-Fasern. Diese sind mit den Zellketten der Arbeitsmuskulatur verbunden und diktieren ihnen unmittelbar den Takt. Interessanterweise können auch die Zellen, die im Erregungsleitungssystem dem Sinusknoten nachgeschaltet sind, als Schrittmacher arbeiten. Im Normalbetrieb kommen sie allerdings nicht zum Zug, können aber zum Beispiel einspringen, wenn der Sinusnoten ausfällt.
Energiehunger und Regenerationsfähigkeit
Das ständige Erzeugen und Weiterleiten elektrischer Impulse sowie die unermüdliche Pumpleistung der Arbeitsmuskulatur sind energetisch teuer. Um die Energieversorgung zu gewährleisten, enthalten Herzmuskelzellen daher besonders viele Mitochondrien. Dies ist eine weitere Parallele zum Gehirn, dessen Nervenzellen ebenfalls sehr energiehungrig sind. Beide Organe teilen sich noch eine Gemeinsamkeit: Die große Mehrheit ihrer Zellen verschreibt sich spätestens kurz nach der Geburt ihren spezialisierten Aufgaben, und zwar so rigoros, dass sie darüber die Fähigkeit verliert, sich zu teilen. Das bedeutet, dass beide Gewebe sich nach Verletzung oder Erkrankung, etwa einem Infarkt, kaum regenerieren können.
Lange dachte man, das menschliche Herz sei überhaupt nicht regenerationsfähig. Inzwischen steht fest, dass Regeneration zwar möglich ist, aber nicht in einem Maß, um auch größere Schäden reparieren zu können. Warum das so ist, dass andere Lebewesen wie beispielsweise der Zebrafisch keine Mühe haben, neues Herzgewebe zu bilden, weiß man bis heute nicht genau. Es wäre denkbar, dass diese Unfähigkeit direkt mit dem großen Energiebedarf von Herz und Hirn zusammenhängt. Wo besonders viele Mitochondrien energiehaltige Stoffe mit Hilfe von Sauerstoff zu ATP, der universellen Energiewährung des Körpers, verarbeiten, entstehen auch mehr freie Radikale, die aufgrund ihrer großen chemischen Reaktionsfreudigkeit die DNA schädigen können. In Zellen, die sich noch teilen, bedeutet dies ein erhöhtes Tumorrisiko. Der energieintensive Betrieb in Herz und Hirn ist also möglicherweise nicht kompatibel mit starker Zellteilung.
Wechselwirkungen
Die Ähnlichkeiten zwischen Herz und Gehirn sind umso interessanter, je näher man die vielfältigen Zusammenhänge und Wechselwirkungen zwischen beiden Organen betrachtet. Inzwischen ist bekannt, dass psychische Erkrankungen und Herzkrankheiten eng zusammenhängen. Funktioniert das Herz nicht gut, können Probleme in der Blutversorgung des Gehirns schnell zu Beeinträchtigungen seiner Funktionen führen – zum Beispiel zu einer Demenz ▸ Wenn Herz und Gehirn gemeinsam leiden. Umgekehrt kann nicht nur intensive physische Aktivität das Herz an die Belastungsgrenze treiben, sondern auch großer emotionaler Stress seine Funktionen bedrohen ▸ Wie Stress im Kopf dem Herzen schadet . Wie genau der Austausch zwischen beiden Systemen funktioniert ▸ Herz und Gehirn – das dynamische Duo und welche Faktoren sie aus dem Gleichgewicht bringen können ist daher zunehmend Gegenstand der Forschung. Das Herz, so zeigt sich dabei immer deutlicher, ist letztlich weder Sitz der Seele noch schnöde Pumpe, sondern hat ein bisschen was von beidem.
* Der Artikel stammt von der Webseite www.dasGehirn.info, einer exzellenten Plattform mit dem Ziel "das Gehirn, seine Funktionen und seine Bedeutung für unser Fühlen, Denken und Handeln darzustellen – umfassend, verständlich, attraktiv und anschaulich in Wort, Bild und Ton." (Es ist ein Projekt der Gemeinnützigen Hertie-Stiftung und der Neurowissenschaftlichen Gesellschaft e.V. in Zusammenarbeit mit dem Zentrum für Kunst und Medientechnologie Karlsruhe). Im Fokus des Monats Oktober steht das Thema "Herz". Der vorliegende Artikel ist am 1.10.2022 unter dem Titel: "Mehr als eine Pumpe" https://www.dasgehirn.info/grundlagen/herz/mehr-als-nur-eine-pumpe erschienen. Der unter einer cc-by-nc-sa Lizenz stehende Artikel wurde unverändert in den Blog gestellt, die Abbildungen von der Redaktion eingefügt.
Zum Weiterlesen
Koehler U, Hildebrandt O, Hildebrandt W, Aumüller G. Herz und Herz-Kreislauf-System in der (kultur-)historischen Betrachtung [Historical (cultural) view of the heart and cardiovascular system]. Herz . 2021;46(Suppl 1):33-40. doi:10.1007/s00059-020-04914-2
Elhelaly, Waleed M et al.: Redox Regulation of Heart Regeneration: An Evolutionary Tradeoff. Frontiers in cell and developmental biology vol. 4 137. 15 Dec. 2016, doi:10.3389/fcell.2016.00137
Islam MR, Lbik D, Sakib MS, et al. Epigenetic gene expression links heart failure to memory impairment. EMBO Mol Med. 2021;13(3):e11900. doi:10.15252/emmm.201911900