Vom Schwindel gepackt

Bei fast der Hälfte der Leute, die an Schwindel leiden, ist bis heute unklar, worin ihr subjektiv gestörtes Körper-Raum-Verhältnis begründet liegt. Ein einzigartiger 3-D-Drehstuhl, der seit wenigen Monaten an der Neurologischen Klinik der Universität Zürich in Betrieb ist, soll neue Erkenntnisse bringen. VON DOMINIK STRAUMANN

Unser Raum- und Bewegungssinn im dreidimensionalen Raum hängt im wesentlichen von drei sensorischen Eingängen ab, deren Informationsflüsse dem Stamm-, Klein- und Grosshirn zur Verfügung gestellt werden: den Beschleunigungsmessern im Innenohr, dem Sehsystem und dem sensorischen System von Haut, Gelenken und Muskeln. Beeinträchtigungen dieser Sinneseingänge oder deren Verarbeitung im Gehirn führen zu Gleichgewichtsstörungen und / oder Schwindel. Während bei langsamen Bewegungen des Kopfes und des Körpers im Raum alle drei Informationsflüsse einander ergänzen, ist nur das vestibuläre Organ in der Lage, hochfrequente Bewegungen zu registrieren. Das Signal aus dieser Ansammlung von Beschleunigungsmessern im Innenohr ist entscheidend, um die Augen bei jeder noch so kleinen Kopfbewegung stabil im Raum zu halten. Ohne den vestibulo-okulären Reflex würden sich die Augen bei jedem Schritt und jedem Herzschlag gegenüber der Umwelt bewegen, und unser Bild der Umwelt würde völlig verwackelt, wie bei einer bewegten Kamera ohne Stabilisierungselektronik. Damit die Augen auch bei hohen Kopfbeschleunigungen (beim Gehen und Rennen: 0,5–5,0 Hz) im Raum ruhig gehalten werden können, ist der vestibulo-okuläre Reflex in den Neuronen des Stammhirns als «Open-loop»-System implementiert, das heisst, der Signalfluss geht vom vestibulären Organ im Innenohr über zwei bis drei Synapsen direkt zu den Augenmuskeln. Dank dieser kurzstreckigen Verschaltung beträgt die Latenz zwischen dem Anfang der Kopfbewegung und dem Anfang der kompensatorischen Augenbewegung weniger als 16 Millisekunden. Kalibrierung Der Verzicht des vestibulo-okulären Reflexes auf eine Rückkopplung wird allerdings teuer erkauft: Die Leistung des Reflexes muss permanent gemessen werden, damit die Gewichte der synaptischen Übertragungen entsprechend angepasst werden können (Kalibrierung). Setzt ein Kurzsichtiger zum Beispiel seine Brille auf, muss sich das Auge sofort weniger weit bewegen, um die Richtung der Sehachse zu verändern. Kann sich der vestibulo-okuläre Reflex nicht an diese neue Situation anpassen, kommt es bei jeder Kopfbewegung zu einer Bewegung des Auges gegenüber der Umwelt mit entsprechend verwackeltem Bild. Die Kalibrierung des vestibulo-okulären Reflexes findet über das Sehsystem statt. Dabei wird bei jeder Kopfbewegung die Verschiebung der Umwelt auf der Netzhaut gemessen und der Verstärkungsfaktor des Reflexes so verändert, dass diese Verschiebung minimal bleibt. Alter und Krankheiten können zu Minderfunktionen des vestibulären Organs im Innenohr oder des nachgeschalteten vestibulo-okulären neuronalen Netzwerkes führen. Aber auch die Gehirnstrukturen, die den vestibulo-okulären Reflex kalibrieren, können beeinträchtigt werden. In der Diagnostik von Schwindel und Gleichgewichtsstörungen wird als erster Schritt immer geprüft, ob eine Fehlfunktion des vestibulo-okulären Reflexes vorliegt. Je nach Resultat schliessen sich weitere Funktionsprüfungen, zum Beispiel der visuellen Verarbeitung, an. Den Raum erfahren Der vestibulo-okuläre Reflex ist dreidimensional (3D) organisiert, was nicht überrascht, da wir uns ja in einer 3-D-Umwelt bewegen. Kopfbewegungen um beliebige Achsen im Raum und in beliebige Richtungen werden vom vestibulären Organ problemlos erfasst. Das 3-D-Signal wird zum Gehirn geleitet, welches daraus eine kompensatorische 3-D-Augenbewegung errechnet und dieses neue Signal an die Augenmuskeln weiterleitet. Die Transformation eines 3-D-Eingangsvektors in einen 3-D-Ausgangsvektor, welche im Stamm- und Kleinhirn erfolgt, wird durch mehrere Faktoren kompliziert: Die 3-D-Orientierung der Beschleunigungsmesser im Innenohr weicht von der 3-D-Orientierung der Augenmuskeln ab. Das Innenohr misst Beschleunigungen, aber die Augenmuskeln müssen mit Positions- und Geschwindigkeitssignalen angesteuert werden. Rotationen im 3-D-Raum sind nichtkommutativ, das heisst, eine unterschiedliche Reihenfolge von Einzeldrehungen führt zu einer unterschiedlichen Gesamtdrehung (was sich mit dem Rubik-Würfel gut veranschaulichen lässt). Der torsionelle Freiheitsgrad des Auges (Drehung um die Sehachse) ist stärker limitiert als die horizontalen und vertikalen Freiheitsgrade. Diese Überlegungen zeigen, dass eine adäquate Beschreibung des vestibulo-okulären Reflexes in drei Dimensionen erfolgen muss. Volker Henn (1943–1997), der ehemalige Leiter des Vestibulo-Okulomotorischen Labors an der Zürcher Neurologischen Klinik, war einer der ersten, der erkannte, dass zu diesem Zweck dynamisch-präzise 3-D-Drehstühle gebaut werden müssen. Der 3-D-Drehstuhl 1992 wurde nach seinen Plänen der weltweit erste motorisierte 3-D-Drehstuhl für Rhesusaffen installiert. Bei gleichzeitiger schmerzloser Registrierung elektrischer Nervenzellaktivität ist es seither möglich, die Signalflüsse im Gehirn während Drehbeschleunigungen um beliebige Achsen zu erforschen. Um die gewonnenen Erkenntnisse auf Patienten zu übertragen und für die klinische Diagnostik fruchtbar zu machen, plante Professor Henn bereits wenige Jahre später die Konstruktion eines noch grösseren 3-D-Drehstuhls, mit dem der vestibulo-okuläre Reflex in Menschen gemessen werden kann. Dank der Mitfinanzierung durch die Betty-und-David-Koetser-Stiftung für Hirnforschung konnte diese einzigartige Maschine Ende 1997 aufgestellt und im Juli 1998 in Betrieb genommen werden. Dreidimensionale Drehstühle gestern und heute. Links: Drehstuhl von Ernst Mach (aus E. Mach, Grundlinien der Lehre von den Bewegungsempfindungen, Leipzig 1875). Rechts: Drehstuhl der Neurologischen Klinik, Universitätsspital Zürich 1998. Klinische Anwendungen Wir werden nun in der Lage sein, bei Patienten und Normalpersonen mit Hilfe von 3-D-Drehstuhl-Beschleunigungen und gleichzeitiger 3-D-Messung der Augenbewegungen dieTransformation der Beschleunigungssignale zu den Augenbewegungssignalen als Matrix zu beschreiben. Dies gibt uns ein genaues Abbild der mathematischen Prozesse, die im Stamm- und Kleinhirn stattfinden müssen. Ausfälle, die mit dem traditionellen horizontalen Drehstuhl nicht erfasst wurden, werden jetzt nachweisbar. Da zurzeit die Diagnose bei bis zu 50% der Patienten mit Schwindel – selbst nach intensiver klinischer und apparativer Untersuchung – unklar bleibt, setzen wir grosse Hoffnungen in die diagnostische Anwendung des neuen Instruments. Der 3-D-Drehstuhl wird auch therapeutisch eingesetzt werden, um Konkremente im Innenohr, die zu einem krankmachenden Lagerungsschwindel führen, durch bestimmte Drehungen herauszumanipulieren. Die Erforschung des vestibulo-okulären Reflexes ist ein Paradebeispiel für eine integrierte Systemphysiologie, bei der neurophysiologische Grundlagenforschung, klinische Forschung und klinische Anwendung Hand in Hand gehen. Hier in Zürich haben wir das Glück, dass diese drei Richtungen in idealer Weise unter dem gleichen Dach praktiziert werden können.

Dr. Dominik Straumann ist Privatdozent für das Gebiet «Neurologie» an der Neurologischen Klinik und Poliklinik der Universität Zürich.