Vortrage cler Erlanger Physiologentagung 1970 fIerausgegeben von w. D. Keidel und K. -H. Plattig Mit 145 Abbildungen Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York 1971 KEIDEL, WOLF. D., o. Prof., Dr. med., Direktor des 1. Physiologischen Instituts der Universitat Erlangen-Niirnberg, 852 Erlangen, Universitatsstr. 17 PLATTIG, KARL-HEINZ, Priv.-Doz. Dr. med., Ober-Ass. im 1. Physiologischen Institut der Universitat Erlangen-Niirnberg, 852 Erlangen, Universitatsstr. 17 Hauptvortrage der Herbsttagung 1970 der Deutschen Physiologischen Gesellschaft ISBN- 13: 9 78-3-540-05530-3 e-ISBN- 13: 978-3-642-65259-2 DOl: 10.1007/978-3-642-65259-2 Das Werk ist urheberrechtlich geschutzt. Die dadurch begriindeten Rechte, insbesondere die der Obersetzung, des Nachdrudtes, der Entnahme von Abbildungen, der Funksendung, die Wiedergabe auf photomechanischem oder ahnlichem Wege und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwer tung, vorbehalten. Bei Vervielfaltigungen fur gewerbliche Zwedte ist gemaB § 54 UrhG eine Vergiitung an den Verlag zu zahlen, deren Hohe mit dem Verlag zu vereinbaren ist. © by Springer-Verlag Berlin' Heidelberg 1971. Library of Congress Catalog Card Number 72-173742. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, daB solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Mar kenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten waren und daber von jedermann benutzt werden diirften. Herstellung: Konrad Triltsch, Graphischer Betrieb, 87 Wiirzburg Vorwort Der vorliegende Band enthalt die neun Hauptreferate der 38. Tagung der Deut schen Physiologischen Gesellschaft, die yom 29.9. bis zum 2.10.1970 in Erlangen stattgefunden hat. Nachdem die Auswahl der Referate unter dem Gesichtspunkt ge troffen worden ist, damit einen Dberblick Uber den derzeitigen Kenntnisstand mag lichst vieler Sachgebiete der Physiologie flir den jeweils auf anderen Spezialgebieten arbeitenden Kollegen zu geben, wurde in der Mitgliederversammlung yom 2.9.1970 beschlossen, die Hauptreferate zu veraffentlichen und damit einem breiten Leserkreis in gedruckter F9rm zuganglich zu machen. Die Reihenfolge entspricht der in der gesamten Physiologie Ublichen Anordnung der Stoffgebiete. Die Drucklegung war uns moglich durch eine Reihe von Spenden und Beihilfen, flir die wir auch an dieser Stelle herzlich danken durfen. Dabei gilt unser besonderer Dank dem Bayerischen Staatsministerium fUr Unterricht und Kultus, das diesen Kon greB besonders gefordert hat. Dem Springer-Verlag danken wir fUr die Bereitschaft zur Dbernahme der Drucklegung und das groBzUgige Eingehen auf aIle WUnsche der Herausgeber. Allen Referenten sei fUr ihre konstruktive Mitarbeit und fUr ihr Ver stiindnis auch unter der damit verbundenen zeitlichen Belastung aufs herzlichste ge dankt. Mage der vorliegende Band wohlwollende Aufnahme linden und den Anfang entsprechender Veraffentlichungell anliiBlich der folgenden Tagungell der Deutschen Physiologischen Gesellschaft darstellen. Erlangen, den 1. Oktober 1971 Prof. Dr. W. D. KEIDEL Priv.-Doz. Dr. K.-H. PLATTIG Tagungsprasident Tagungssekredr Vorsitzender der Deutschen Physiologischen Gesellschaft 1969/70 Inhalt Die Dynamik des Herzens im nattirlichen Kreislauf. E. BAUEREISEN. Mit 7 Ab- bildungen . 1 Neuere Ergebnisse zur Physiologie, Pharmakologie und Pathologie der elektro mechanischen Koppelungsprozesse im Warmbltitermyokard. A. FLECKENSTEIN. Mit 34 Abbildungen . 13 Der Gasaustausch in der Lunge unter BerUcksichtigung der Inhomogeniditen von Ventilation, Perfusion und Diffusion. G. THEWS. Mit 23 Abbildungen . 53 Die Rolle des gastrointestinal en Kanals 1m Stoffwechsel fremder Substanzen. K. HARTIALA. Mit 4 Abbildungen . 79 Neurophysiological Aspects of Mental Phenomena and Some New Trends in Therapy of Brain Disorders. N. P. BECHTEREVA. With 10 Figures. 89 Die Bedeutung der Synapsenlokalisation fUr die Interaktion von post-synap- tischen Potentialen an Nervenzellen. M. R. KLEE. Mit 13 Abbildungen . 109 Die zentralen neurohumoralen Regulationen der vegetativen Funktionen und der Aktivitatsbereitschaft. M. MONNIER. Mit 23 Abbildungen . 135 Reafferenzprinzip - Apologie und Klinik. H. MITTELSTAEDT. Mit 2 Abbildungen 161 Das vestibulare System, mit Exkursen tiber die motorischen Funktionen der Formatio reticularis, des Kleinhirns, der Stammganglien und des motorischen Cortex sowie Uber die Raumkonstanz der Sehdinge. H. H. KORNHUBER. Mit 29 Abbildungen 173 Namenverzeichnis 205 Sachverzeichnis . 214 Mitarbeiterverzeichnis BAUEREISEN, E., Prof. Dr. med., Direktor des Physiologischen Instituts der Universitat Wiirzburg, D 8700 Wiirzburg, Rontgenring 9 BECHTEREVA, N. P., Frau Prof. Dr., Director of the Institute of Experimental Medi cine, Academy of Medical Sciences, Kirovsky 69/71, Leningrad, USSR FLECKENSTEIN, A., Prof. Dr. med., Direktor des Physiologischen Instituts der Univer sitat Freiburg, D, 7800 Freiburg, Hermann-Herder-Stra~e 7 HARTIALA, K., Prof. Dr., Rektor der Universitat Turku, Direktor des Physiologischen Instituts, Turku 3, Finnland KLEE, M. R., Dr. med., ass. prof., Neurosensory Laboratory and Department of Physiology, State University of New York at Buffalo (SUNYAB), 2211 Main Street, Buffalo, N. Y. 14214, U.S.A., und Max-Planck-Institut fiir Hirnforschung, Neuro Anatomische Abteilung, D 6000 Frankfurt-Niederrad, Deutschordenstra~e 46 KORNHUBER, H. H., Prof. Dr., Leiter der Abteilung fiir Neurologie und Sektion Neurophysiologie, Universitat Ulm, D 7900 Ulm MITTELSTAEDT, H., Dr. phil. nat., Direktor am Max-Planck-Institut fiir Verhaltens physiologie, D 8131 Seewiesen/Obb., Post Erling-Andechs iiber Starnberg MONNIER, M., Prof. Dr., Direktor des Physiologischen Instituts der Universitat Basel, CH 4000 Basel, Vesalgasse THEWS, G., Prof. Dr. med., Dr. rer. nat., Direktor des Physiologischen Instituts der Universitat Mainz, D 6500 Mainz, Saarstra~e 22 Die Dynamik des Herzens irn natiirlichen Kreislauf E. BAUEREISEN Mit 7 Abbildungen Die organphysiologische Erforschung des Herzens im uneroffneten Thorax ist moglich geworden durch methodische Entwicklungen, die aussagekraftige Messungen am intakten Tier erlauben. Auf dieser methodischen Grundlage hat sich eine For schungsrichtung entwickelt, die man in ihrer Zielsetzung durchaus unterscheiden kann von den Untersuchungen am isolierten Organ und von der Erforschung der Elemen tarprozesse an contractilen Einzelstrukturen. Wenn sich die verschiedenen Arbeits richtungen naturgemaB auch erganzen und haufig iiberdecken, so scheint es doch zweckmaBig, die Herzphysiologie unter den zwei Aspekten der Organphysiologie und der Elementarprozesse getrennt zu behandeln, wie es etwa der unterschiedlichen Thematik der beiden kardiologischen Referate dieses Kongresses entspricht. Die gesonderte Betrachtung der Dynamik des Herzens im natiirlichen Kreislauf, betont unterschieden auch von der des isolierten Organes, ist aus mehreren offensicht lichen Griinden notwendig. Am wesentlichsten erscheint mir folgender: Am isolierten Herzen oder an Herzteilpraparaten konnen im Experiment Funktionsbesonderheiten mit so groBer Dominanz und Reproduzierbarkeit auftreten, daB sie unbedenklich auf das im natiirlichen Organverband schlagende Herz iibertragen werden. In Wirk lichkeit sind diese Funktionsbesonderheiten aber unter echten physiologischen Bedin gungen in ihrer Wirkung auf das Herz entweder eingeschrankt oder sogar vollig irrelevant, weil im Organismus durch Vorgange, die man generell als ,,5torgroBen aufschaltung" bezeichnen konnte, die Arbeitsbereiche auf den Funktionskennlinien stark eingeschrankt sind und die unter experimentellen Bedingungen auftretenden Extreme niemals erreicht werden. MeBergebnisse an intakten Tieren stehen in so groBer Zahl zur Verfiigung, daB die Dynamik des Herzens im natiirlichen Kreislauf, insbesondere auch die Mechanis men der Kontraktionsanpassung sich ziemlich vollstandig beschreiben lassen. Auch konnen iiber die zugrunde liegenden Fundamentalprozesse durch Heranziehung elek tronenoptischer, elektrophysiologischer und biochemischer Befunde begriindete Aus sagen gemacht werden. Die groBten Schwierigkeiten bestehen gegenwartig zweifellos in Begriffsbestimmung und Bewertung der Kontraktilitat oder des inotropen Zu standes des Herzen im natiirlichen Kreislauf. Ich mochte im folgenden kurz die wichtigsten Me/3verfahren, mit denen unsere Kenntnisse der Dynamik des Herzens in situ gewonnen sind, beschreiben. Dann will ich die zwei am besten bekannten Mechanismen der Kontraktionsanpassung in ihrer 2 E. BAUERElSEN physiologischen Wirkung abgrenzen und ihre gegenwartige Deutung behandeln. Schlie~lich sollen die Moglichkeiten der Kontraktionsbewertung zur Diskussion ge stellt werden. 1. Md~verfahren am Herzen in situ Wie am isolierten Organ sind auch am Herzen in situ die notwendigen Me~­ gro~en zur Beschreibung und Bewertung der Kontraktion der Druck, das Volumen und die Zeit, die die Geschwindigkeit der Druck- und Volumenanderung erkennen la~t. Fur die Druckmessung hat den entscheidenden methodischen Fortschritt das von E. Wetterer (1943) entwickelte Katheterspitzenmanometer gebracht. Es besitzt den Vor- I--i 1s ec 10mm Abb.1. Druck- und Innenvolumenbestimmung beim Herzen in situ (Hund). Von oben nach un ten: Farbstoffauswaschkurve, Aortendruck, gespreizter diastolischer Druck des linken Ventrikels. Vd = enddiastolisches Volumen, Vs = Schlagvolumen, Vr = Restvolumen in m!. (Nach Jacob: lI.rztliche Forschung 22, 329-348, 1 %8) tei! eines beliebig gro~en zeitlichen Auflosungsvermogens. Ferner erlaubt es, neben der vollen Ventrikeldruckamplitude mit etwa zehnfacher Empfindlichkeit den "gespreiz ten" diastolischen Druck (Lutz, 1964) sowie endlich die Druckanderungsgeschwindig keit fur jeden einzelnen Herzzyklus richtig zu messen. Von prinzipiell gleicher Wichtigkeit, zwar methodisch ausreichend, aber bisher weniger vollkommen gelost, ist die exakte M essung der I nnenvolumina einzelner Ventrikel. Fortlaufende Messungen der Volumenanderungen sind am Herzen im natiirlichen Kreislauf nur schwierig durchzufiihren. Dagegen lassen sich mit dem rich tig angewendeten Indicatorauswaschverfahren (vollstandige Indicatormischung und hohe Absaugstromstarke) die Innenvolumina in den hamodynamisch wichtigsten Zeitpunkten wahrend des Herzzyklus mit hinreichender Genauigkeit messen (Abb. 1). (Jacob et a!., 1962). Und zwar zu Beginn der Anspannungszeit und am Ende der Austreibungszeit. Da Anspannungs- und Austreibungszeit isovolumetrisch verlaufen, lassen sich die Druck-Volumen-Wertpaare fiir jeweils den Beginn der Anspannungs- Die Dynamik des Herzens im natiirlichen Kreislauf 3 zeit, der Austreibungszeit, der Entspannungszeit und der Flillungszeit festlegen. Flir die Geschwindigkeiten der Volumenanderungen konnen nur die Mittelwerte liber die einzelne Phase des Herzzyklus bestimmt werden. Unter Berlicksichtigung der Zeit ist es somit moglich, das vollstandige Druck-Volumen-Zeitdiagramm eines Aktions zyklus des Herzens im natlirlichen Kreislauf darzustellen (Abb. 2). Die dreidimen sionale Darstellung hat den Vorteil, die Geschwindigkeiten, mit denen sich Druck, Volumen und Zeit andern, unmittelbar zu veranschaulichen. Abb.2. Druck-Volumen-Zeit-Diagramm unter Kontrollbedingungen (linke Schleife) und unter Nethalide (rechle Schleife). FZ = Fiillungszeit. DAZ = Druckanstiegszeit. AuZ = Aus treibungszeit, EZ = Entspannungszeit. Die kontraktilitatsmindernde Wirkung des fJ-Rezep torenblockers wird nicht nur durch die Abnahme der Druck-Volumen-Arbeit, sondcrn auch durch die deutliche Verlangsamung der Druck- und Volumenanderungen erkennbar. (Nach Jacob und Weigand, 1966) II. Mechanismen der Kontraktionsanpassung Das Herz verfligt - infolge seiner Automatie und der besonderen Erregungs leitung - liber andere Mechanismen der Kontraktionsanpassung als der Skelet muskel. Dieser verandert die Kraft der Kontraktion durch Variation der Zahl der motorischen Einheiten sowie durch tetanische Superposition, beides ausgelOst durch die zentralnervose Impulsfolge. Das Herz modifiziert dagegen seine Kontraktionen durch zwei Mechanismen, von denen der eine intrakardial, der andere extrakardial ausgelost wird. Der erste auBert sich als positive Korrelation zwischen SarkomerenHinge und Spannungsentwicklung (Frank-Starling-Mechanismus). Der zweite Modus der Kontraktionsanpassung stellt eine Anderung des inotropen Zustandes dar. 4 E. BAUEREISEN 1. Frank-Starling-Mechanismus Es ist bekanntlich sehr ernsthaft bezweifelt worden, ob dem Frank-Starling Mechanismus am Herzen im natiirlichen Kreislauf nennenswerte Bedeutung zukommt. Das positive Ergebnis der sich dariiber entwickelnden Kontroverse lag vor allem darin, daB die zeitweilig iiberschatzte Rolle des Frank-Starling-Mechanismus als alleiniger physiologischer Regulationsmechanismus der Herztatigkeit eingeschrankt und seine tatsachliche Bedeutung fiir das Herz in situ klar festgelegt werden konnte. Auch laBt sich jetzt seine physiologische Wirkung scharfer gegen Xnderungen des inotropen Zustandes abgrenzen. Zweifellos erfolgt die schnelle Schlag-zu-Schlag Anpassung der Kontraktion an die Ventrikelfiillung auch beim Herzen im natiirlichen Kreislauf ausschlieBlich iiber den Frank-Starling-Mechanismus. Es gibt fUr diese lebens notwendige Adaptation keine andere experimentell gleich gut unterbaute Deutung. Dadurch sichert der Frank-Starling-Mechanismus die Stromungskontinuitat im Lun gen- und Korperkreislauf. Weiterhin ist der Frank-Starling-Mechanismus an der - primar sicher durch inotrope Mechanismen ausgelosten - Arbeitssteigerung des HMV infplge des vermehrten venosen Riickstromes beteiligt. Die am isolierten Herzen konstatierte direkte Rolle des Frank-Starling-Mechanis mus bei der Bewaltigung von Aortendruckerhohungen ist beim Herzen im natiir lichen Kreislauf im physiologischen Bereich wegen des sehr steilen Verlaufes der endsystolischen Druck-Volumen-Beziehungen (U-Kurven) (Jacob u. Weigand, 1966) ohne Bedeutung. Moglicherweise wird der Mechanismus iiber den von Arnold et al. (1968) beschriebenen coronaren "Gartenschlaucheffekt" wirksam. Dber diesen Effekt lieBe sich auch die sogenannte homeometrische Anpassung auf den Frank-Starling Mechanismus zuriickfiihren. Ganz wesentlich fiir das Herz im natiirlichen Kreislauf sind die quantitativen Grenzen, innerhalb derer der Frank-Starling-Mechanismus die Herzkontraktionen modifiziert. Bezieht man den Frank-Starling-Mechanismus auf seine ultrastrukturel len Grundlagen, namlich die Sarkomerenlange (Spotnitz et al., 1966; Sonnenblick et al., 1967), so ergibt sich, daB bei einem enddiastolischen Z-Z-Abstand von 2,2-2,3 !l die kritische Sarkomerenlange erreicht ist, bei der der absteigende Ast der Frank Starling-Funktion beginnt (Abb. 3). Die bei normal en diastolischen Fiillungsdrucken gemessenen Sarkomerenlangen liegen bei 1,9-2,0!l' Es ist nun wesentlich, daB sich am normalen Herzen im natiirlichen Kreislauf - unterschiedlich zum isolierten Organ oder zum Muskelstreifen - ein absteigender Ast der Frank-Starling-Funktion niemals nachweisen laBt. Offenbar kann die Sar komerenlange beim Herzen in situ 2,2 !l nicht wesentlich iiberschreiten. Tatsachlich sind aazu Drucke notwendig, die im natiirlichen Kreislauf nicht vorkommen (Abb.4). Die Dehnungen der Ventrikel, die zum absteigenden Funktionsast fiihren, werden vor aHem aber durch den Frank-Starling-Mechanismus selbst verhindert, der einer vermehrten Fiillung durch vergroBerte Schlagvolumina entgegenwirkt. Dadurch wird fUr die Herztatigkeit eine sinnvolle Riickkoppelung erreicht. Eine synergistische Wir kung positiv inotroper Einfliisse auf das Herz in situ im Sinne starkerer Ventrikel ·entleerung, ausgelost durch dehnungsbedingte Herzafferenzen, ist denkbar (Bauer eisen, 1963). Man kann auch das insuffiziente Herz nicht einfach auf einem absteigenden Ast .der Frank-Starling-Funktion arbeiten lassen. Denn ein Herz, das vermehrte Fiillung Die Dynamik des Herzens im natlirlichen Kreislauf 5 50 - 45 Linker Ventrikel • Hund 600 i Fi xctionsdluck 1.0 '" Kotze ! 61mmHg en 35 :c 300- j 30 - 6 e '" Q; 5 E 0 0 -'" - 4 ~ (; 600 ! > (/) Fixationsdruck ...i . 3 e~ "'~0" 1 100mmHg 10 .1 !' 2 §a:'>". :N0c 300 i 5 .", , ! - 1 (/) ! ~ OL-~. ..&J .-.tX• i : · I 0 O~~--~~~-,~~ 1.8 1.9 2.0 2.1 2.2 23 2.4 25 19 2.0 2.' 2 2 2.3 2.4 2.5 2.6 27 SCI komeren - Lange (pm) Sarkomeren -Lange (fl) Ahh.3 Ahh.4 Ahh. 3. Aktiv entwickelte Spannung in Ahhangigkeit von der Sarkomerenlange. Positive Korrelation zwischen heiden GraBen his 2,2 !-t. (Nach Spotnitz et al., 1966) Ahh. 4. Haufigkeitsverteilung der Sarkomerenlange (Z-Z-Ahstand) bei unphysiologisch hohen Flillungsdrucken. Die ausgezogenen senkrechten Linien gehen den Mittelwert der Sarkomeren lange an. (Nach Monroe et al., 1970) mit vermindertem Auswurf beantwortet, erreicht keinen stationaren Zustand, son dern befindet sich in einem irreversiblen circulus vitiosus (Keidel), der zum Funktions verlust flihren mu£' Fur das Herz im naturlichen Kreislauf ist der absteigende Ast der Frank-Starling-Funktion hochstens als Bedingung des akuten Herzversagens denkbar. Hier wird eine wesentliche Eingrenzung des Frank-Starling-Mechanismus beim Her zen im naturlichen Kreislauf erkennbar. Fur die Deutung des Frank-Starling-Mechanismus ist wichtig, daB ihm analog zum KontraktionsprozeB ein Gleitmechanismus der contractilen Proteine zugrunde liegt. Bei zunehmender Dehnung bleibt die Lange der A-Streifen konstant, wahrend sich die I-Streifen linear mit der Sarkomerenlange verlangern. Offensichtlich beruht der Frank-Starling-Mechanismusauf dem Oberlappungsgrad der contractilen Proteine und der davon abhangigen Zahl der Aktin-Myosin-Interaktionsorte. Jedenfalls ist er im Unterschied zur Anderung des inotropen Zustandes durch physikalisch-geo metrische Bedingungen am Ende der Diastole determiniert und begrenzt. 2. Inotropie Der zweite Mechanismus der Kontraktionsanpassung besteht in einer Anderung des inotropen Zustandes. Auch hierbei zeigt das Herz im naturlichen Kreislauf Unterschiede zum isolierten Organ oder zum Streifenpdparat.