Neuroanatomische und elektrophysiologische Grundlagen von Rückenschmerzen: Untersuchungen an Ratten

Zusammenfassung

Fragestellung Die Prävalenz von „unspezifischen” Rückenschmerzen, die zum großen Teil muskulär bedingt sind, ist im Vergleich zu Schmerzen in Extremitätenmuskeln deutlich höher, ohne dass dafür ein Grund bekannt wäre. Der Untersuchung liegt die Arbeitshypothese zugrunde, dass Rückenmuskeln eine besonders effektive Verschaltung mit dem Rückenmark und höheren nozizeptiven Zentren haben. Methodik Zur Testung der Hypothese wurden unterschiedliche Techniken eingesetzt. 1. In Verhaltensexperimenten wurde getestet, ob die tiefen Rückenmuskeln (M. erector spinae, ES) empfindlicher als der Extremitätenmuskel gastrocnemius-soleus (GS) auf Schmerzreize reagieren. 2. In neuroanatomischen Experimenten wurden die Verbindungen des ES mit dem Rückenmark und Thalamus im Vergleich zum GS untersucht. 3. Mit dem immunhistochemischen Nachweis des Transkriptionsfaktor-Proteins c-Fos in Nervenzellen des Rückenmarks wurden die Zellen sichtbar gemacht, die durch die schmerzhafte Reizung des ES oder GS erregt worden waren. 4. In elektrophysiologischen Messungen wurde das Antwortverhalten von Hinterhornneuronen bei Reizung des ES registriert. Ergebnisse und Schlussfolgerungen Bei Reizung durch i. m.-Injektion von Nervenwachstumsfaktor (NGF) stellte sich der ES im Vergleich zum GS als schmerzempfindlicher heraus. Der ES dorsal des Wirbelkörpers L5 wurde nicht von Spinalganglienzellen desselben Segments (L5) versorgt, sondern vorwiegend von Ganglienzellen des Segments L3. Die von den Nozizeptoren des ES und GS ausgelöste Expression von c-Fos verteilte sich dagegen im Hinterhorn des Rückenmarks über viele Segmente. Bei Registrierung der elektrischen Aktivität von Hinterhornneuronen im Rückenmark wurden die meisten Zellen mit Antrieb vom ES im Segment L3/L2 gefunden. Insgesamt liefern die Ergebnisse drei Erklärungsansätze für die große Häufigkeit chronischer unspezifischer Rückenschmerzen. 1. Der ES war bei Injektion von NGF stärker schmerzhaft als der GS. Dies könnte darauf zurückzuführen sein, dass die Nozizeptoren des ES einen besonders dichten Besatz mit Rezeptormolekülen für NGF haben. 2. Bei schmerzhafter Reizung des ES waren im Hinterhorn des Rückenmarks mehr Neurone c-Fos-positiv als bei Reizung des GS. 3. Von den Hinterhornneuronen mit Antrieb vom ES projizierte ein größerer Anteil zum nozizeptiven Thalamus als von den Neuronen mit GS-Antrieb, allerdings war der Anteil projizierender Zellen auch für den ES so gering, dass fraglich erscheint, ob der Thalamus die Hauptschaltstation für nozizeptive Information vom ES darstellt.

Abstract

Working Hypothesis For unknown reasons, the prevalence of „unspecific” low back pain (LBP) - which is assumed to be due to muscular disorders - is higher than that of chronic pain in extremity muscles. In this study, the hypothesis was tested that low back muscles have particularly effective connections with the spinal cord and higher nociceptive centres. Methods To test the hypothesis several methods were applied: 1. in behavioural experiments the reactions of the animals to painful stimulation of the erector spinae muscle (ES) or gastrocnemius-soleus muscle (GS) were recorded. 2. In neuroanatomical experiments the connections of the ES and GS with the spinal cord and thalamus were investigated. 3. The immunohistochemical visualisation of the c-Fos protein was used to identify those spinal neurones that were activated by painful stimulation of the ES or GS. 4. In electrophysiological measurements the response behaviour of dorsal horn neurones with input from the low back was studied. Results and Conclusions In response to chemical stimulation with NGF, rats showed stronger pain-related reactions when the ES was tested (in comparison to GS stimulation). The ES dorsal to the vertebra L5 did not receive its sensory fibres from the dorsal root ganglion L5 but mainly from the ganglion L3. Following painful stimulation of the ES or GS, an increase in c-Fos positive cells was found in all lumbar segments. The recordings of the electrical activity of dorsal horn neurones in the segments L5 and L3/L2 yielded only a small number of cells in L3/L2 that responded to stimulation of the ES at the level L5. The still preliminary data yielded differences between the ES and GS in three sets of experiments: 1. the ES was more sensitive to NGF injections, which may be due to a particularly high density of NGF receptors on its nociceptors, 2. painful stimulation of ES led to a more marked increase in the number of c-Fos-expressing neurones in the spinal cord than did stimulation of GS, 3. the proportion of neurones projecting to the thalamus was higher for cells with input from ES than for cells with input from GS. However, the overall proportion of projecting cells was very low so that the thalamus likely is not the main supraspinal centre for the processing of nociceptive information from ES.

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