Pflfigers Archly, Bd. 257, S. 363--370 (1953).

Aus dem Physiologischen Institut der Universit~t Bonn.

fiber den Ablauf spontaner, rhythmischer Erregungen an parabiotischen Nervenstellen und seine Beein~lussung durch

elektrische Polarisation. Von

PAUL ]~JLLER.

Mit 7 Textabbfldungen.

(Eingegangen am 23. Jctnuar 1953,)

Einleitung.

In einer vorhergehenden Arbeit (MOLL]S~) wurden die rhythmisehen Erregungen, die yon einer parabiotischen Nervenstelle ausgehen, dureh Ableitung der Aktionspotentiale unmittelbar an der Parabiosestelle untersueht. Dabei lieB sich schon zeigen, dab an der Parabiosestelle eine starke Tendenz zur Synchronisation besteht, dab sich also die einzelnen Fasern gegenseitig beeinflussen mfissen. Darfiber hinaus war aber aueh an der Muskelaktion zu beobaehten, dab sieh bei spontaner T£tigkeit die zu einem Muskel gehSrenden motorisehen Fasern wie eine Einheit verhalten, d .h . also, gemeinsam Erregungen aussenden oder in Ruhe sind. Dagegen verhalten sieh solche Einheiten als Ganzes meist un- abh~ngig yon denen, die andere Muskeln versorgen. Der Ablauf der Er- regungen in solehen Fasergruppen und seine Beeinflussung dureh elek- trisehe Polarisation soll im folgenden untersueht werden.

Hethodik. Verwendet wurden Ischiadicus-Gastrocnemins-Pr~parate yon K~ltfrSschen.

Die Parabiosestelle wurde dutch Auflegen eines NaC1-Kristalls auf den Nerven er- zeugt. Zur Anzeige der rhythmischen Tatigkeit wurde das Myogrgmm benutz~.

Die Spannung fiir die elektrische Polarisation wurde aus einem Reizgenerator nach KLV.NSCg U. G~U~E entnommen, dabei konnte der l~ngsame Anstieg der Polarisation durch Aufdrehen des Amplitudenreglers mittels eines Elek~romotors mit Untersetzungsgetriebe erreicht werden. Die tt5he der Polarisation wurde mechanisch auf der Kymo-Trommel mitregistriert. Anstiegssteflheiten bis herab zu 1 mV/sec wurden angewand~. Stromzufiihrung durch unpolarisierbare Elek- troden. Eine Elek~rode unmit~elb~r auf der Parabioses~elle, die andere indifferent auf dem narkotisierten, zentralen Ende des l~erven. Feuchte Xammer.

Ergebnisse. An der Parabioseste]]e stellt jede einzelne I~ervenfaser eine rhyth-

miseh t~tige Einheit dar, die an sich unabh~ngig yon den I~achbarein- heiten t~tig sein sollte, da ja eine direkte Verbindung durch nervSse

364 P. MOLL~R :

Substanz, wie sie bei Ganglienzellen vorliegt, nieht vorhanden ist. Nimmt man den Muskel als Erfolgsorgan und benutzt ihn zur Anzeige der T~tigkeit der ihn versorgenden motorischen Fasern, so w~re zu er- warren, dab je nach Anzahl der t~tigen Fasern nur ein gleichm~13iges Fibri]lieren oder ein g]atter Tetanus auftritt .

Wir ha t ten aber schon bei Beobaehtung der NervenaktionsstrSme an der Parabiosestelle feststellen kSnnen, dal3 sehr ]eicht eine Syn- chronisation der AktionsstrSme eintritt~ sich also die Fasern gegenseitig beeinflussen mtissen. Diese Beeinflussung geht nun bei den zu demselben Muskel gehSrenden motorisehen Fasern noeh welter, so daI~ es nicht allein zu einer Synchronisation der MuskelaktionsstrSme kommt, son-

Abb. 1. Die 4 H a u p t t y p e n de r lVIllskelt~tigkeit bei spon tane r r h y t h m i s c h e r T £ t i g k e i t des ver - so rgenden ~ e r v e n . a) E inze l zuckungen in regelm~l~igen odel" unrege lm~Bigen Abs t~nden . -- b) Wiede rho l t e Te t an i ~hnl icher F o r m und Gr6Be, m e i s t in regelln~i~igen Abs t~nden (Per ioden) . -- c) U n g e o r d n e t e Te tan i . -- d) A n n ~ h e r n d gla~ter T e t a n u s (Sch re ibung yon rech t s n a c h l inks) .

10 .12 . 1951. T e m p . 19 °.

dern dal3 sich diese Fasern wie ein geschlossenes, rhythmiseh t~tiges Zentrum verhalten, in dem best immte Erregungsmuster in allen Ein- heiten gemeinsam ablaufen.

Wir haben als erstes die spontane T~tigkeit solcher Einheiten durch einfache l~egistrierung der Muskelkontraktionskurven untersueht. In Abb. 1 sind die 4 Haup t typen der Muskelt~tigkeit zusammengestellt . Es sind dies:

a) Zuckungen in regelmg~igen und unregelm~Bigen Zeitabst~Lnden; b) Tetani yon ghnlieher Form und GrSi3e, meist in regelm~Ll3igen

Zeitabst~nden (Perioden) ; c) asynchrone Tetani verschiedener Fasergruppen des Muskels; d) glatter oder fast glatter Tetanus. Daneben gibt es noch Kombinat ionen der verschiedenen Formen.

So kSnnen sich z. B. auf die Tetani yore Typ b einzelne Zuckungen auf- setzen. Alle 4 Formen kSnnen nacheinander am gleiehen Pr~parat auf- ~reten. Sie scheinen typisch zu sein ftir einen best immten Erregungs- ablauf an der Parabiosestelle. Es kann vorkommen, dab ein Prgparat

Ablauf spontaner, rhythmischer Erregungen an parabiotischen Nervenstellen. 365

nur einen der 4 Typen zeigt. Niem~ls reagiert das Pr~parat im raschen Weehsel real in der einen und real in der anderen Form, wie dies eigent- lieh zu erwarten w~re. Ein und dieselbe Form h~lt meist mehrere Mi- nuten an.

Von diesen 4 Typen beansprucht der Typ b, die sieh in Form und GrSBe wiederholenden Tetani, das meiste Interesse. Die Form des Myo-

Abb. 2. Spontane Pe r iodenb i ldung an 4 ve r sch iedenen P r ~ p a r a t e n ; die F o r m der Te t an i wi rd i m m e r in gle icher Weise wiederhol t . 13 .1 . 1952. Temp. 20 °.

gramms bei diesen Tetani ist ja abh~ngig yon der Aufeinanderfolge der Erregungen in den verschiedenen Fasergruppen des Muskels. Diese wird aber in der Parabioseste]le bestimmt. Dauer 'und Wechsel der Erregung der einzelnen Gruppen mul~ ebenso wie die Pause zwischen den Er- regungen naeh einer best immten Regel erfolgen, wenn Anstieg, Dauer, HShe und Abfal] des Tetanus jedesmal gleieh sein sollen. Man kann von einem regelrechten Erregungsmuster sprechen, alas an der P~rabiose- stelle ablaufen muB.

Die Form der Tetani ist ffir jedes Pr~parat charakteristisch. Abb. 2 zeigt eine Auswahl solcher Myogramme yon versehiedenen Pr~paraten.

366 P. Mt~LLna:

Auch wenn die HShe der einzelnen Tetani zunimmt, so geht diese Zu- nahme meist stetig vor sich, und die Form des Tetanus bleibt sich ahn- ]ich. l~egistriert man die MuskelaktionsstrSme wahrend der Tetani, so sieht man Bilder wie auf Abb. 3. hohe synchronisierte AktionsstrSme, die in Gruppen auftreten. Jede Gruppe entspricht einem Tetanus. Die Zah| der einzelnen AktionsstrSme ist in ]eder Gruppe gleich, in der Abbildung sind es jewei]s 7 AktionsstrSme yon zunehmender H5he.

Da~ die Synchronisation und die Steuerung der Erregungen in der Parabiosestelle erfolgt, liiBt sich durch L~ngsteflung des Muskels in zwei Hi~lften, die nur noch an der Nerveneintrittsstelle zusammenhangen, zeigen. Beide Hiilften schreiben dann das gleiche Bild.

Wir nahmen an, dal~ die Perioden dutch dauernde Schwankungen der Schwelle an der Parabiosestelle zustande kommen. In einem friihen

Abb. 3. ~ Inske lak t ionss t rSme bei s p o n t a a e r Pdr iodenbi ldul lg . (Bei a jeweils 7 synchronis ie r te AS in e iner Per iode , bei b jeweils 9 AS, die w iede r in Gruppen zu ]e 3 zusammenl iegen . ) 4 .3 . 1949.

Temp . 20 ° .

Stadium, in dem noch keine spontanen t~hythmen auftraten, wurde die Parabiosestelle unmittelb~r mit schw~ch fiberschwel]igen Str0mstSl~en yon 0,5 msec und 10 Hz gereizt (differente Elektrode unmittelbar auf der Parabiosestelle, indifferente Elektrode myodistal davon am Nerven). Das Ergebnis zeigt Abb. 4. Liegt die K~thode an der Parabiosestelle (K), so t re ten Perioden yon groI~er Amplitude auf, d. h. die l~eize werden immer nut eine Zeitl~ng (10 sec) be~ntwortet. Bei Anlegen der Anode an die Par~biosestelle (A) n immt die Amp]itude der Perioden stark ab, w~hrend die Frequenz zufiimmt. Geht man mit der Spannung herauf (bei b), so verschwinden die Perioden. Es ist also sehr wahrschein]ich, dal~ tatsgchlich spontane Schwellengnderungen an der Parabiosestelle auftreten.

Um die Frage nach dem SteuerungsprozeB, der an der Parabiosestel]e den Ablauf der Erregungen bestimmt, zu kl~ren, wurde weiterhin die Wirkung elektrischer Polarisa~ion der P~rabiosestelle untersucht. I)abei wurde festgestellt :

Ablauf spontaner, rhythmischer Erregungen an parabiotischen Nervenstellen. 367

1. Nur die Anderung des Potentials ist in der Lage, l~hythmen aus- zul6sen. Diese ~nderung kann beliebig langsam erfolgen. Selbst Span- nungsanstiege yon 1 mV/see waren noeh wirksam (Abb. 6).

Abb. 4. Periodenbildung bei frequenter ]~eizung der Parabiosestelle. (l%eizdauer 0,5 msec, Frequenz 10 Hz.) Bei K liegt die Kathode, bei A die Anode an der Parabiosestelle. Die untere Linie zeigt die HShe der l%eizspaunung an. Bei schwellennahen kathodisehen Reizea (18 mV) zeigen sieh Perioden yon grof~er Amplitude und geringer Freqnenz. Bei anodischen l~eizen (a) wird die Ampli- tude der Perioden ganz klein, die Frequenz steigt an. Bei Vergr613erung der l~eizspaunung auf 30 mV gehen die Perioden bei b in einen Tetanus fiber, um bei erneu~em Absinken auf 25 mV wieder zu erscheinen. Ffir kathodisehe R, eizung liegt diese Spannung abet wieder zu hoch und es resultiert ein glatter Tetanus (c). Geht man mi t der Spannung wieder zuriick auf 18 mV, so treten wieder Perioden in der gleichen Form wie ira linken Tell der Kurve auf. [In der Abbiidung ist nur das Abfallen des Tetanus und eine einzelne Kontraktion (d) zu sehen, weft die Schreibung

hier abgebroeben werden muBte.] Zeitmarkierung 1 see. 3.4. 1952. Temp. 20 °.

Abb. 5. Ausl6sung yon rhythmischen Erregungen (obere Kurve) aurch Anderung (les Potentials an der Parabiosestelle (untere Kurve). Ansteigender und abfallender Anelektrotonus (AT). Dif- ferente Elektrode unmittelbar auf der Parabiosestelle, indifferente Elektrode myodistal yon tier Parabiosestelle auf dem Nerven. Das Ansteigen des AT yon 0 auf 30 mV (a, al) hat geringere Wirkung als das Versehwinden (b, bl). Bei gleicher ]=[6he des AT ist der langsamere Abfall auf Null [linker Teil der Kurve (b) wirksamer als der raschere (bl)]. Auf sehnelles Ansteigen und Abfallen der Polarisation antwortet die Parabiosestelle kaum noch (c). Bei langsamem Abfall (b) ist die

Aktion verliingert und auseinandergezogen. 4:. 5. 1952. Temp. 18 °.

2 . A m w i r k s a m s t e n z u r A u s ] S s u n g d e r R h y t h m e n e r w i e s s i c h a b -

f a ] l e n d e r A n e l e k t r o t o n u s , w e n i g e r w i r k s a m a n s t e i g e n d e r K a t e l e k t r o -

t o n u s u n d n u r s e l t e n a n s t e i g e n d e r A T u n d a b f a l l c n d e r K T .

3. Langs~mer AbfM1 des AT ist manchmM wirksamer Ms steiler Ab- fall (Abb. 5).

4. Die Form der Tetani gleicht sich, wenn die Bauer, Spannung und Steilheit der Polarisation g]eich bleibt. Es Iassen sich also z. B. durch

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abwechselndes Ein- und Ausschalten eines AT ahnliehe Perioden aus- ]Ssen, wie sie spontan auftreten.

5. Bei langsamerem Abfall des AT oder Anstieg dos K T wird die Form des Tetanus auseinandergezogen (Abb. 5).

6. Neigt das Prapara t zu spon- tanen Rhythmen, so kSnnen diese durch Anderung des Potentials be- einflul~t werden. So hemmt das Ein- schalten eines AT meist die l~hyth- men, und dureh Anlegen eines AT yon niedriger Spannung kann ein

Abb. 6. a) Spon tane Pe r ioden werden du rch r e l a t ive N e g a t i v i e r n n g der Parabioses te l le (Ver- schwinden eines AT) in e inen g la t ten , n i eh t yon Perioclen un t e rb roehenen T e t a n u s i iberff ihr t . b) E i n d u t c h ans t e igenden K T ausge lSs te r Te t anus wi rd d u t c h Abfal l des K T ( re la t ive Pos i t i - v i e rung ) in r e g e l m a g i g e Pe r ioden f iberff ihrt . Die un te re K u r v e ze igt jeweils die t tShe der Pos i t i - v i e r u n g an. I n a) w i r d ein an die Parab ioses te l l e ge leg te r A T yon 45 m V unte rbrochen . I n b) s t e ig t

ein K T his auf 18 m V an u n d f~llt d a n a c h wieder au f Nul l ab. 10 .2 . 1952. Temp. 20 °.

Abb. 7. Das An legen eines A T yon b e s t i m m t e r D a u e r und S p a n n u n g (0,5 sec, 10 m V ) an die Pa ra - • biosestel le 15st bei b e inen T e t a n u s aus, der die gleiche F o r m und D a u e r h a t wie ein v o r h e r bei a

ab laufender . Die l~e izmark ie rung ze ig t das E inscha l t en , die D a u e r und das Abseha l t en des A T an. D e r du rch das E in - und Ausscha l t en des A T ausgel6s te T e t a n u s se tz t m i t e iner L a t e n z Yon etv~a 100 msee n a c h Abscha l t en des A T eiu. E r d a u e r t e twas l~nger als der k u r z v o r h e r spon t an ab-

ge laufene Te t anus , h a t a b e t i m f lbr igen die gleiche F o r m und I tShe . 10 .2 . 1952. T e m p . 20 °.

vorher bestehender dauernder Tetanus in Perioden iiberffihrt werden. Das gleiche kann aber auch dutch Ausschalten eines K T erreicht werden, d. h. relative Positivierung ist in der Lage, einen Tetanus in Perioden fiberzu- ffihren (Abb. 6).

7. Die auffallendste Erseheinung ist aber die, dab ein spontan und perio- diseh auftretender Tetanus in gleieher Form und GrSl~e dureh Anlegen eines AT yon bestimmger Dauer und St~rke ausgelSst werden kann (Abb. 7).

Ablauf spon~aner, rhythmischer Erregungen an p~rabiotischen Nervenstellen. 369

Besprechung. Von den oben beschriebenen rhythmischen Erregungsformen der

Parabiosestelle interessierte uns am meisten die Periodenbildung. Erst kfirzlich haben BETIDE, ~EUROTtI und KLI~G~ART fiber die rhythmischen F~higkeiten des Skeletmuskels berichtet und dabei bei frequenter l~eizung, aber auch bei Gleichstrom, Periodenbildung gefunden. ERNST konnte zeigen, dag an einem anorganischen Modell der Rhythmen- bfldung, n~mlieh der Katalyse yon H202, an einer Queeksilberoberfl~tche immer dann Perioden auftreten, wenn die rhythmische T~tigkeit be- ginnt oder einschl~ft. Ebenso erscheinen an tier Parabiosestelle die Perioden immer zu Beginn der Rhythmen und vor (Jbergang in den glatten Tetanus, und umgekehrt ]~Bt sich ein anhaltender Tetanus durch relative Positivierung (Ausschalten eines KT oder Einschalten eines AT) hemmen, wobei dann im Obergang Perioden auftreten.

Die Frage, weshalb sich die Form der Perioden immer wiederholt, l~l~t sich nieht so ohne weiteres beantworten. In dieser Hinsieht gibt uns aber die Tatsache, dab sieh durch Ein- und AusschMten eines AT yon bestimmter Dauer und Spannung die gleiche Tetanusform hervor- rufen l~gt, wie sie am selben Pr~parat auch spontan auftritt, einige Hin- weise. Wahrseheinlieh laufen dabei die gleichen Vorg~nge ab, die aueh spontan die Ausl6sung und Steuerung der Rhythmen bewirken. Dabei sind drei Faktoren, das Einschalten des AT, die Dauer der konstanten Polarisierung und das Aussehalten, yon Bedeutung. Das Einsehalten des AT bewirkt eine Itemmung der Rhythmen. Die Dauer des AT hat, wie sp/£ter gezeigt wird, Einflug auf die Dauer, HShe, Anstiegssteilheit und Latenz des Tetanus, und das Aussehalten des AT, d.h. Einsehalten eines zum vorherigen Potential relativen KT, 15st die lghythmen aus. Diese Verh/~ltnisse unterliegen strengen Gesetzm~Bigkeiten, die mathe- matiseh formulierbar sind und in der folgenden Arbeit besprochen werden sollen.

Zusammenfassung.

Die einzelnen, denselben Muskel versorgenden motorischen Nerven- fasern verhalten sich bei spontaner rhythmischer T~tigkeit, ansgehend yon einer Parabiosestelle, nicht unabh~ngig voneinander, sondern unter- liegen in ihrer Aktion einem gemeinsamen Steuervorgang.

Dabei kommt es sehr h~ufig zu einer periodischen Wiederholung des- selben, ffir jedes Pr~Lparat charakteristischen Erregungsablaufs, der sich durch die Muskelaktion registrieren ]~Bt.

Es wird versucht, die Bedingungen, bei denen diese Perioden auf- treten, zu analysieren. Durch schwellennahe l~eizung der Parabiosestelle wurde festgestellt, dag dort periodische Schwellen~nderungen auftreten.

370 P. MOLLER: Erregungen an p~rabiotischen Nervenstellen.

Ein glat ter Tetanus laBt sich durch relat iv zum vorherigen Potent ia l positive Polaris ierung der Parabiosestelle in Perioden fiberffihren.

Du tch kurze Posi t iv ierung der Parabiosestelle k a n n m a n einen vorher spont~n ablaufenden Tetanus in gleicher Form, I-I6he und Dauer wieder- helen. Dabei sind yon der Dauer und Spannung der Posi t ivierung die Latenz, Dauer, I-IShe und Anstiegssteilheit des Tetanus abh~ngig.

Literatur.

B~TI{n, A.: Pfliigers Arch. 254, 1 (1951). - - EI~lVsT, K.-H.: Pflfigers Arch. 254, 79 (1951). - - KLI~GI{A~DT, G. W. : Pflfigcrs Arch. 254, 36 (1951). - - Mt~LLXI{, P.: Pflfigers Arch. 257, 112 (1953). --NnvRoT}I, G.: Pflfigers Arch. 254, 14 (1951).

Dr. P. MffLLEI~, Bolm/t%h., Physiologisches Insti*ut dcr Universitat.