3.** Reizzeit und Intensitätsdiagramm – Rheobase, Chronaxie

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1) Definitionen

  • Rheobase = die Intensität des Reizstroms, der gerade ausreicht, um einen Nerv oder einen Muskel zu erregen
  • Nutzzeit = die minimalste Zeit, die der Strom bei gegebener Intensität wirken muss, um eine Erregung auszulösen
  • Chronaxie = die Nutzzeit bei doppelter Rheobase
  • Rheobase und Chronaxie sind an erregbaren Geweben feststellbar

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2 Membrandepolarisation über extracelluläre Elektroden

Da die technische Stromrichtung d.g. von der Anode (positiv) zur Kathode (negativ) weist und die Elektronen aber in die gegensätzliche Richtung fließen, und außerdem natürlich negativ geladen sind, ist hier das “ current sink – current source – Modell“ nicht ohne weiteres zu übernehmen.
Die technische Stromrichtung eignet sich aber hervorragend, um sich zu merken, was unter der jeweiligen Elektrode geschieht (siehe Skizze). Die Anode wird daher im Praktikum proximal angelegt und die Kathode distal, denn die Erregung soll sich ja nicht in Richtung Rückenmark ausbreiten.

Skizze 1: Depolarisation

Aus der Physik ist bekannt, dass ein Kondensator keinen Gleichstrom durchläßt, sondern nur Wechselstrom. Nur durch Ein- und Ausschalten kann der Kondensator, wenn es sich um Gleichstrom handelt, auf- und entladen werden. Wenn man mit einer Elektrode den Stromkreis schließt, kommt dies der Schaltfunktion gleich – natürlich ist dabei wesentlich, welche Elektrode man an die jeweiligen Kondensatorplatten anschließt.
Das Zahlenverhältnis der Elektronen ( ) soll den Potentialgradient anzeigen, d.h. in der Skizze ist die Membran innen gegenüber außen negativ geladen.

Skizze 2: Stromkreis offen

Schließen der Elektroden:
Skizze 3: Stromkreis geschlossen

Wenn für eine extracelluläre Ableitung bzw. Reizung der Nerv nicht freipräpariert wird, sondern wie im Praktikum, die Elektroden nach Entfettung und Bestreichung mit einem Gel, welches die Leitfähigkeit verbessert, auf die Haut aufgebracht werden, so spricht man von Oberflächenreizung oder percutaner Reizung. Dabei ist zu bedenken, dass zwischen dem Nerv (Muskel) und der Reizelektrode ein Widerstand (R?) liegt, der durch lebendes (Durchblutung, Schweißsekretion, Fettanteil, Faserrichtung usw. sind zu berücksichtigen) Gewebe dargestellt ist; auch die Lage der Elektroden zum erregbaren Gewebe ist dann ohne weitere technische Hilfsmittel nicht mehr exakt feststellbar. Daher wird von manchen die Chronaxie, welche nicht so stark von diesem R? abhängt als die Rheobase, auch als der aussagekräftigere Wert bezeichnet.

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3 Direkte Reizung

Bei der direkten Reizung wird die Endplattenregion gereizt (die indifferente Elektrode befindet sich am Muskelursprung). Da die elektrische Reizschwelle des Muskels höher liegt (positiver ist) als die des Nervs, werden die Nervenendverzweigungen erregt, und da das Endplattenpotential immer überschwellig ist (Alles-oder-Nichts-Gesetz), folgt eine Kontraktion der innervierten Muskelfasern. Voraussetzung ist natürlich, dass die neuromuskuläre Übertragung, Transmitterfreisetzung, elektromechanische Kopplung, kontraktile Elemente… intakt sind.
Das firing level wird zwar beim Muskel meist etwas positiver angegeben als jenes der Nerven, doch bei percutaner Reizung kann man die höhere elektrische Reizschwelle wegen R? nicht auf diesen Umstand zurckführen.
Zur Bestimmung der Erregbarkeit ist die Rheobase eben wegen „R?“ zu ungenau.

4 Indirekte Reizung

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Bei der indirekten Reizung, welche u.a. zur Kontinuitätsprfung motorischer Fasern zwischen Reizort und Muskel dient, muss das a-Motoaxon erregt werden. Da in einem Nerv, wie z. B. dem N. medianus, sowohl afferente als auch efferente Fasern verlaufen, und die afferenten I-a-Fasern die niedrigste Schwelle aller Nervenfasern aufweisen, kommt es bei schwachen Reizen [20 bis 30 V; bei Gleichstrom, (mit U = I*R und Leistung P = U/I) zu einem H-Reflex (Hoffmann).
Nur supramaximale Reizung gewährleistet die Erregung der A
a-Fasern, und damit eine Kontraktion, die nicht über einen Reflexbogen zustande kommt. Aa-Fasern gehören zu den schnellstleitenden Fasern. Ist der Verlauf des Nerven gesichert und wird die hyperpolarisierende Anode proximal angebracht, kann damit (Hyperpolarisation kann sich ja nur passiv, also elektrotonisch, ausbreiten) ein H-Reflex unterbunden werden. Gleichstromreizung (galvanische) führt zu einer schnellen kurzen Muskelzuckung beim Ein- bzw. Ausschalten des Stromes. Wechselstromreizung (faradische) zu einer tetanischen Dauerkontraktion (vergleiche Kondensatormodell).
Normalerweise ist die Art der Zuckung eine sehr schnelle. Zur Stärke der Zuckung besagt die Pflüger’sche Zuckungsregel:
KSZ < ASZ < AÖZ < KÖZ
K = Kathode; A = Anode; S = Schließung; Ö= Öffnung; Z = Zuckung.

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5 Bestimmung von Rheobase und Chronaxie

Zur Bestimmung von Rheobase und Chronaxie verwendet man normalerweise Rechteck-Stromimpulse (gleichgerichteter Wechselstrom mit steilen Flanken, Schmitt-Trigger, Impulsgenerator, „zerhackter Gleichstrom“)
>Wenn man eine Gleichstromquelle schnell hintereinander ein- und ausschaltet, hat man eine Art Rechteckimpuls. Wenn die Impulse sehr kurz und die Flanken sehr steil sind, ergibt sich aus f * t die effektive Zeit, in der dieser Strom zu depolarisieren vermag. Im Praktikum kann man davon ausgehen, dass der Strom ber die Zeit depolarisiert, die als Reizdauer eingestellt wird (nicht die Periodendauer). Es wird z.B. der N. medianus in Handgelenkhöhe gereizt, so dass eine Kontraktion am Thenar herbeigefhrt wird. Bei unendlich langer Reizdauer – 500 ms genügen, um dies zu ersehen – und bei sehr kleinem Reizstrom (kleiner 0,5 mA) wird kein AP ausgelöst.
Erhöht man die Stromstärke, so wird ab einem bestimmten Wert, bei „unendlich“ langer Reizzeit, eine Kontraktion auslösbar sein. Dieser Wert in mA wird als Rheobase bezeichnet.
Beträgt nun die Rheobase z. B. 0,7 mA, so kann man bei doppelter Rheobase, also 1,4 mA, bestimmt auch ein AP (Summen-AP) auslösen. Nun wird die Reizdauer von 500 ms ausgehend soweit verkürzt, bis keine Erregung mehr auslösbar ist.
Der letzte Zeitwert in ms, an dem eine Erregung ausgelöst werden konnte,wird als Chronaxie bezeichnet.

  • Die Rheobase-Werte sind sehr von R? abhängig und liegen z. B. unter 2 mA
  • die Chronaxiewerte sind ca. 0,1 ms für Nerven der Klasse A-a bzw. I
  • für den Skelettmuskel findet man etwa 0,7 ms
  • für den glatten Muskel Werte größer 10 ms

Bei obigem Beispiel wurde natürlich die Rheobase und Chronaxie des N. medianus und nicht des Muskels bestimmt.
Vor dem Diagramm noch ein interessanter Hinweis:
Würde man von der Nutzzeit der Rheobase die Nutzzeit der doppelten Rheobase (Chronaxie) abziehen, so müßte die Differenz eigentlich direkt Aufschluss über die Erregbarkeit der Nervenmembran geben, da sich bei gleichbleibenden Bedingungen (Gewebe, Lage der Elektroden, Fortleitungsgeschwindigkeit, neuromuskuläre Übertragung, elektromechanische Koppelung…) R? wegkürzen würde. D.h. der Zeitabschnitt Nutzzeit der Rheobase minus Nutzzeit der doppelten Rheobase (Chronaxie), müßte der Steigung des Präpotentials proportional sein, und damit die Erregbarkeit wiedergeben (siehe auch unten).

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6 Reizzeit-Intensitätsdiagramm

Halblogarithmische Darstellung, bei der die Zeit logarithmisch aufgetragen wurde.

Diagramm 2: Reizzeit-Intensitätsdiagramm

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7 Verwendung der Chronaxie

Die Chronaxie, der wichtigere Wert, soll zur Überprüfung der Kontinuität verwendet werden, hört man immer wieder. Da ist sicher etwas Wahres daran. Allerdings muss gesagt sein, dass wenn ich Sie auffordere den Daumen zu beugen und Sie können der Aufforderung nachkommen, so muss ebenfalls die Kontinuität gegeben sein. D.h. wenn vom Gehirn bis zum Daumen eine sog. Kontinuität gegeben ist, so muss sie zwangsläufig auch vom Reizort bis zum Daumen vorzufinden sein. Daher schlage ich eine differenzierte, sinnvollere Antwort vor:

Die Chronaxie und die Rheobase werden verwendet, um über definierte Abschnitte die Kontinuität zu überprüfen, z.B. zur Kontrolle des Verlaufs von Muskellähmungen und in der Nervenfunktionsdiagnostik,

wobei Fibrillationen einzelner Muskelfasern, welche nicht sichtbar – aber messbar sind, als Parameter verwendet werden. Anderenfalls, also bei Handhabung wie im Praktikum, in dem lediglich darauf geachtet wird, ob nach erfolgtem Reizversuch eine Zuckung des Daumens zu beobachten ist, wäre die Chronaxie ja völlig sinnlos, denn ein Proband bei vollem Bewußtsein kann bei gegebener Kontinuität, und nur dann, natürlich den Daumen auch willkürlich flektieren.
Bei einer Prfung hörte ich jedenfalls von jemandem, der es eigentlich wissen sollte, dass die Rheobase ein völlig ungenauer Wert sei, und, dass man über die Chronaxie keine Aussagen bezüglich Erregbarkeit machen könne, sondern dass diese lediglich zur Prüfung der Kontinuität dient.
Eigentlich hatte ich vor, Ihnen noch ein paar außergewöhnliche Begebenheiten aus den Physiologischen Üungen des Wiener Institutes für Physiologie zu erzählen, doch ein seltsames Phänomen macht es mir unmöglich. Kaum will ich einen Satz zu Papier bringen, überfällt mich eine furchtbare Sprachlosigkeit. Deshalb habe ich mich entschlossen, anstatt dessen ein kurzes Drama zum besten zu geben, bevor diese Frage mit Bemerkungen zum allgemeinen Einsatz von elektrischen Strom in der Medizin abgeschlossen wird, siehe „La Hodda, Prinz von Practica“.

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8 Weitere Beispiele für mögliche Applikationen von elektrischen Strom; Stromunfälle

Jedem, der Hand an ein elektrisches oder elektronisches Gerät legt, sollte geläufig sein, dass einerseits PDC = U*I und andererseits ist die Wirkleistung von Wechselstrom PAC = Ueff * Ieff * cos f
Wer aber negative Ladungen bzw. Strom appliziert, der ist geradezu verpflichtet, sich diese Formeln einzuprägen, will er nicht fahrlässig handeln. Weiters scheint mir folgendes Zitat aus (2) unbedingt wissenswert zu sein:
„Die Reizwirkung des elektrischen Stromes führt, besonders bei höheren Spannungen, zu Stromunfällen. Wesentlich ist dabei, wieviel Strom durch den Körper fließt. Bei gegebener Spannung ist die Stromstärke um so höher, je geringer der Widerstand ist. Eine feuchte und daher gut leitende Haut oder bloße Füße sind daher beim Berühren elektrischer Einrichtungen besonders gefährlich (Badezimmer!). Während Gleichstrom fast nur beim Ein- und Ausschalten als Reiz wirkt, kann niederfrequenter Wechselstrom (z.B. Lichtnetz, 50 Hz u.a., zu tödlichem Herzflimmern führen. Hochfrequente Wechselströme (15 kHz) können Nerven und Muskeln nicht mehr depolarisieren; sie erwärmen aber das Gewebe, was therapeutisch bei der Diathermie ausgentzt wird.“

Achtung: Zwischen dem Ein- und Ausschalten von Gleichstrom wirkt dieser zwar nicht als Reiz, ist aber keinesfalls wirkungslos . Ebenso ist zu beachten, dass zwischen Erwärmung und Verbrennung nur ein gradueller Unterschied liegt. p Bei kleineren Stromstärken entsteht schon Joule’sche Wärme und bei größeren Stromdichten kommt es zu elektrolytischen Zersetzungen, zur Zerstörung von Geweben und Blut, und außerdem zu starker Funkenbildung (Gleichstrom).
Bei AC kann man für f < 0,1 Hz die einzelnen Perioden fühlen – stechender Schmerz an der Grenze zwischen Gewebe und Elektrode (Elektrolyse).
Bei f > 10 Hz können erregbare Gewebe gut stimuliert werden, wobei aber mit zunehmender Frequenz die Erregbarkeitsschwelle abnimmt
(wichtig für die f der Rechteckimpulse des Reizstromes).
Bei f > 10 kHz wird hs. Wärmeentwicklung beobachtet. Manche Autoren halten Stromdichten < 1 A cm- für ungefährlich, wobei erwähnt wird, dass die Wirkung aber frequenzabhängig ist;
Als gefährlich werden Stromdichten > 100 A cm- bzw. E > 100 mV cm- angegeben (Aussagen über den Applikationsort werden dabei freilich nicht gemacht). Bei Operationen genügen jedenfalls isolierte, stromführende Kabelschlingen, um im guten Leiter „Blut“ Strom zu induzieren, der eine Gefahr darstellen kann. Andererseits wird im Praktikum mit einigen mA gereizt, wobei die Elektrodenfläche sicher nicht > 1 cm ist.
Abgesehen von der Schmerzbekämpfung und von der Diathermie, bei der AC 0,5 MHz bis 1 MHz verwendet wird, kommt elektrischer Strom z.B. auch zur Defibrillation (einige A) zur Applikation; siehe hierzu auch „vulnerable Periode – Frage EKG“. Weiters findet man Applikationen von Rechteckstrom (Reizfrequenz ca. 100 Hz) bei sog. „Bodystyler-Geräten“, welche zum Muskelaufbau und zum Fettabbau verwendet werden.

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Zwischenfragen

  • Nennen Sie den Zeitbereich, in welchem eine Reizauslösung möglich ist?
  • Zeichnen Sie ein I/t-Diagramm!
  • Wozu dient die Chronaxie?
  • Für welche Gewebe sind Rheobase und Chronaxie bestimmbar?
  • Wie und warum wird ein AP fortgeleitet?
  • Was ist ein „current sink“?
  • Wie ist ein EPSP mit einem AP verbunden?
  • Fragen zum Thema „Rheobase, Chronaxie“ sind übrigens am Physiologischen Institut Wien – und wahrscheinlich nur dort – sehr beliebt und werden häufig bei Prüfungen gestellt.

 

Weblinks zu Na reizend: Rheobase, Chronaxie:
Rheobase auf Wikipedia
Chronaxie auf Wikipedia
Die Einwirkung des Trainings auf die motorische Chronaxie
Über den Verlauf der Reizzeit-Spannungskurve des motorischen Froschnerven
Reizzeit- Spannungskurve

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