Volume 23, Issue 3

Zusammenfassung Der von inneren Organen ausgehende, viszerale Schmerz unterscheidet sich in entscheidenden Aspekten von somatischen Schmerzen, sodass sich aus der somatischen Schmerzforschung gewonnene Erkenntnisse nur begrenzt übertragen lassen. Zugleich sind insbesondere zentralnervöse Mechanismen der bidirektionalen Kommunikation zwischen Darm und Gehirn bislang nur unzureichend verstanden. Diese Übersichtsarbeit beleuchtet den viszeralen Schmerz aus einer biopsychologischen Perspektive mit Schwerpunkt auf neurowissenschaftlichen Erkenntnissen. Die Bedeutung von Stress und weiteren psychologischen Einflussfaktoren auf die bidirektionale Signalvermittlung entlang der Gehirn-Darm-Achse steht dabei im Fokus. Zudem werden Befunde zu möglichen geschlechtsbezogenen Unterschieden bei viszeralen Schmerzen diskutiert. An der Schnittstelle von biologischer Psychologie, Neurogastroenterologie und den Neurowissenschaften soll so ein Einblick in ein faszinierendes, interdisziplinäres Forschungsgebiet eröffnet werden.

Visceral pain arising from inner organs differs from somatic pain in crucial aspects, limiting the possibility to transfer knowledge derived from somatic pain research. The neurobiological mechanisms involved in the bidirectional communication between the brain and the gut along the brain-gut axis remain incompletely understood. This review addresses visceral pain from a biopsychological perspective, with an emphasis on psychological aspects and neuroimaging findings. It focuses on the role of stress and other psychological factors involved in the pathophysiology of chronic visceral pain in functional gastrointestinal disorders such as irritable bowel syndrome and summarizes findings on possible sex-related differences. Together, this overview aims to provide insights into a fascinating, interdisciplinary field of research at the interface between biological psychology, neurogastroenterology and the neurosciences.

Zusammenfassung Funktionelle und strukturelle Plastizität in neuronalen Schaltkreisen kann aktiv zu chronischen Schmerzsymptomen beitragen. Die Veränderungen des Zentralnervensystems, die einer Amputation folgen, sind besonders eindrückliche Beispiele der Plastizität des Gehirns. Solche plastischen Veränderungen resultieren aus der kombinierten sensomotorischen Deprivation und intensiven Verhaltensänderungen. Dies beinhaltet sowohl die Aufnahme von kompensatorischen motorischen Fähigkeiten als auch die Bewältigung einer chronischen Schmerzstörung (Phantomschmerz), der eine häufige Folge einer Amputation ist. In diesem Übersichtsartikel diskutieren wir die neusten Befunde zu funktionellen Veränderungen und Neuorganisation in nozizeptiven Bahnen und integrieren die Analysen aus Untersuchungen an Menschen auf mehreren Ebenen. Wir diskutieren wie funktionelle Veränderungen mit Schmerzsymptomen interagieren, nicht nur lokal im primär somatosensorischen Kortex, sondern auf der Netzwerkebene, in die sowohl spinale als auch zerebrale Regionen des nozizeptiven und Schmerznetzwerks eingebunden sind. Zusätzlich ist es wichtig festzustellen, dass Änderungen in der Funktion von neuronalen Netzwerken auch durch veränderten peripheren Input moduliert werden. Diese zentralen Netzwerke sind dynamisch und sind von verschiedenen psychologischen Faktoren wie Depression oder Angst, Lernprozessen, Prothesennutzung oder Nutzung des intakten Gliedes beeinflusst. Wir postulieren, dass zentrale und periphere Faktoren auf dynamische Weise interagieren und die Phantomerfahrung kreieren.

Functional and structural plasticity in neural circuits may actively contribute to chronic pain. Changes in the central nervous system following limb amputation are one of the most remarkable evidences of brain plasticity.Such plastic changes result from combined sensorimotor deprivation with intense behavioral changes, including both acquisition of compensatory motor skills and coping with a chronic pain condition (phantom limb pain), which is a common consequence after amputation. This review aims to discuss the latest insights on functional changes and reorganization in nociceptive pathways, integrating analyses in human patients across several scales. Importantly, we address how functional changes interrelate with pain symptoms, not only locally within the primary somatosensory cortex but at a network-level including both spinal and cerebral areas of the nociceptive and pain networks. In addition, changes in the function of neurons and neural networks related to altered peripheral input are dynamic and influenced by psychological factors such as learning, prosthesis usage or frequency of use of the intact limb as well as comorbidity with anxiety and depression. We propose that both central and peripheral factors interact in a dynamic manner and create the phantom pain experience.

Zusammenfassung Die Übersetzung von schmerzhaften Reizen in Schmerzempfindungen wird durch mehrere periphere und zentrale Signalwege des Nervensystems verwirklicht. Man nimmt heute an, dass die Organisation dieser Signalwege die beiden Hauptfunktionen der Schmerzwahrnehmung wiederspiegeln: die Bewertung von schmerzhaften Reizen (wo, was, wie stark) und die Generierung negativer Emotionen. Experimentelle Befunde deuten darauf hin, dass aufsteigende Schmerzsignale über zwei Hauptwege im thalamokortikalen (TK) System verlaufen, die diese beiden Funktionen erfüllen. Wir diskutieren daher hier die strukturellen und funktionellen Befunde, die zu der Auffassung führten, dass diskriminierende Schmerzbewertung im lateralen TK-Weg ausgeführt wird, während der mediale TK-Weg schmerzassoziierte aversive Emotionen generiert. Obwohl der Schwerpunkt dieses Übersichtsartikels auf akuter Schmerzverarbeitung liegt, gehen wir zum Schluss darauf ein, wie Veränderungen in diesen Signalwegen zu pathologischen Schmerzempfindungen bei Menschen und Tiermodellen führen können.

The transduction of painful stimuli into the experience of pain involves several peripheral and central signaling pathways of the nervous system. The organization of these pathways parallels the main functions of pain: the assessment of noxious stimuli (where, what, how strong), and the negative emotion of unpleasantness. Multiple lines of evidence suggest that the thalamocortical (TC) system, which interprets ascending pain signals, has two main pathways which support these functions. We discuss the structural and functional findings that support the view that the lateral TC pathway is involved in discriminative assessment of pain, while the medial TC pathway gives rise to aversive emotions associated with pain. Our review focuses on acute pain, but we also discuss putative TC maladaptations in humans and animal models of pain that are thought to underlie pathological pain sensations.

Zusammenfassung Schmerzhafte Reize werden von spezialisierten Nervenzellen, den sog. Nozizeptoren, registriert und in Aktionspotenziale übersetzt, die entlang afferenter Bahnen in das zentrale Nervensystem gelangen und dort als Schmerz interpretiert werden. Spannungsgesteuerte Natriumkanäle (Na V -Kanäle) sind für die Funktion der Nozizeptoren von entscheidender Bedeutung, denn sie generieren die Aktionspotenziale und sorgen für deren gerichtete Fortleitung. Die besondere Rolle der Kanalsubtypen Na V 1.7, Na V 1.8 und Na V 1.9 für die Fortleitung nozizeptiver Signale wurde in den vergangenen Jahren in einer Vielzahl von Studien herausgearbeitet, die genetisch bedingte Fehlfunktionen dieser Kanäle mit verschiedenen Schmerzerkrankungen assoziieren. Im Folgenden wird ein Überblick über Aufbau und Funktionsweise der Isoformen Na V 1.7, Na V 1.8 und Na V 1.9 gegeben, die mit ihnen assoziierten Krankheitsbilder vorgestellt sowie gegenwärtige und zukünftige Na V -basierte Strategien zur Schmerzbehandlung diskutiert.

Painful stimuli are detected by specialized neurons, nociceptors, and are translated into action potentials, that are conducted along afferent pathways into the central nervous system, where they are conceived as pain. Voltage-gated sodium channels (Na V channels) are of paramount importance for nociceptor function, as they are responsible for the generation of action potentials and for their directed propagation. The exceptional role of sodium channel subtypes Na V 1.7, Na V 1.8 and Na V 1.9 in the transmission of nociceptive signals has been emphasized by a variety of studies that associated genetically-induced malfunction of these channels with various pain diseases. In the following, structure and function of subtypes Na V 1.7, Na V 1.8 und Na V 1.9 are briefly reviewed, associated pain diseases are introduced and current and future Na V -based strategies for the treatment of pain are discussed.

Zusammenfassung Schmerzhafte oder potenziell gewebeschädigende Reize werden von primären sensorischen Afferenzen detektiert, die sowohl die Haut als auch innere Gewebe innervieren. Die Nervenzellen, denen diese Afferenzen entspringen, liegen in den Hinterwurzelganglien (DRGs) und übermitteln die sensorische Information an das Rückenmark, wo diese verarbeitet und an das Gehirn weitergeleitet wird, wo letztendlich das Gefühl von Schmerz entsteht. Ziel dieses Übersichtsartikels ist, einen Überblick über die verschiedenen Arten sensorischer Afferenzen sowie deren Rolle in der Schmerzentstehung zu vermitteln. Darüber hinaus werde ich beschreiben, wie sensorische Information im Hinterhorn des Rückenmarks verarbeitet wird, wobei ich mein Hauptaugenmerk auf jene neuralen Schaltkreise legen werde, die für Schmerzüberempfindlichkeit im Rahmen neuropathischer Schmerzen und Entzündungen verantwortlich sind.

Painful or potentially tissue-damaging stimuli are detected by primary sensory afferents that innervate the skin as well as internal tissues. The neurons that give rise to sensory afferents are located in the dorsal root ganglia (DRG) and transmit sensory information to the spinal cord where it is processed and further relayed to higher brain regions to ultimately generate the perception of pain. Both the DRGs as well as the spinal cord comprise a variety of morphologically, molecularly and functionally diverse neurons. The objective of this review is to provide an overview of the different types of sensory neurons and their proposed role in pain signalling. Moreover, I will discuss how pain related sensory information is processed in the dorsal horn of the spinal cord with an emphasis on recently delineated neural circuits that mediate pain hypersensitivity in the setting of nerve injury and inflammation.

Zusammenfassung Chronischer Schmerz stellt eine große Herausforderung für die Medizin und die Grundlagenforschung dar. Periphere und zentrale nozizeptive Netzwerke zeigen eine erhebliche Plastizität bei pathologischen Krankheitsbildern. Krankheitsbedingte Plastizität kann sowohl auf struktureller als auch auf funktioneller Ebene stattfinden. Diese Veränderungen betreffen individuelle Moleküle, Synapsen, zelluläre Funktion und die Netzwerkaktivität. Die funktionelle Plastizität an der ersten Synapse der Schmerzbahn im spinalen Hinterhorn ist gut belegt. Aktuelle Studien haben auch den Mechanismus, der dem strukturellen Umbau spinaler synaptischer Dorne zugrunde liegt, aufgedeckt. Dieser Übersichtsartikel konzentriert sich auf Plastizitätsphänomene im Rückenmark in Modellen des chronischen Schmerzes und diskutiert deren molekulare Determinanten, funktionale Relevanz und potenziellen Beitrag zu existierenden wie auch neuartigen therapeutischen Konzepten.

Chronic pain is a major health problem and a challenge to clinical practice and basic science. Various avenues in the somatosensory nociceptive pathway undergo extensive plasticity in pathological disease states. Disease-induced plasticity spans various levels of complexity, ranging from individual molecules, synapses, cellular function and network activity, and is characterized not only by functional changes, but also by structural reorganisation. Functional plasticity has been well-studied at the first synapse in the pain pathway in the spinal dorsal horn, and recent studies have also uncovered mechanisms underlying structural remodeling of spinal synaptic spines. This review will focus on plasticity phenomena in the spinal cord observed in chronic pain models and discuss their molecular determinants, functional relevance and potential towards contributing to existing as well as novel therapeutic concepts.