Rhythmusbildung und Ausgangswert

Journal/Book: Z. Physiother. 30 (1978) 147-155. 1978;

Abstract: Forschungsinstitut für Balneologie und Kurortwissenschaft Bad Elster (Direktor: OMR Prof. Dr. med. habil. H. Jordan) Die folgenden Erörterungen seien mit einigen grundsätzlichen Bemerkungen eingeleitet. 1. Es besteht ein grundlegender Unterschied zwischen "Rhythmik" und "Periodik" Rhythmik ist eine "Wiederholung von Ähnlichem in ähnlichen Zeitabständen" Periodik dagegen eine Wiederkehr von Gleichem in gleichen Zeitabständen". Wir beziehen uns dabei auf KLAGES sowie TRIER. 2. Streng periodische Prozesse scheinen im biologischen Bereich nicht zu existieren. Lebendige Systeme sind Schwingungssysteme mit rhythmischer Grundstruktur. 3. Die Begriffe "Ausgangswert" Basiswert Ruhewert Nullwert besitzen eine unterschiedliche systemorientierte Definition und können nicht synonym verwendet werden. 4. Zur Funktionsfähigkeit des biologischen Organismus sind Reize erforderlich die den Organismus als duale Ganzheit treffen und beeinflussen. Auf die Bedeutung der organischen Dualität hat besonders BLASIUS hingewiesen. 5. Reiz und rhythmische Funktion müssen demnach in einer Wechselwirkung stehen: Reizeinwirkung modifiziert die Rhythmik Rhythmik modifiziert die Reizbeantwortung. 1. Das Modell eines periodischen Prozesses ist der "Sägezahngenerator" bei dem Kreiskausalität aber keine Kreisverteilung vorliegt. Das Modell eines periodischen Schwingungsvorganges ist die Sinusschwingung bei der Kreisverteilung vorliegt (Abb.1 Oberste Kurve). Das Modell eines rhythmischen Schwingungsverlaufes läßt sich nicht exakt angeben; spiralverteilte Prozesse verdeutlichen nur die "Wiederkehr von Ähnlichem in g l e i c h e n Zeitabständen" (Abb.1 mittlere und untere Kurve). Trifft ein Reiz auf ein schwingendes System so ist nach DRISCHEL die in Abbildung 2 dargestellte Reizbeantwortung möglich: - einfaches Wiedereinschwingen - die aperiodische Entartung - die periodische Entartung (Sinusschwingung als Grenzfall gegen die Instabilität des Reglers) und - die anschwellende Schwingung ("Aufschaukeln") die in endlicher Zeit zur Zerstörung des Reglers führen muß [2]. Ohne Abb. 1. Schema eines kreisverteilten (oberste Kurve) und von spiralverteilten Prozessen (mittlere Kurve: archimedische unterste Kurve: logarithmische Form) Ohne Abb. 2. Einschwingverhalten kybernetischer Regelungssysteme in Abhängigkeit von der Dämpfung (aus: H. DRISCHEL a. a. O. S. 20) Auf die Ähnlichkeit mit den in Abbildung 1 gezeigten spiralverteilten Prozessen sei besonders aufmerksam gemacht. Nach den WILDERschen Ausgangswertbeziehungen wird nun sowohl der Auslenkvorgang als auch die gegenregulatorische Antwort des Organismus von dem Grad der Ansprechbarkeit des Reaktionssystems bestimmt. Dabei erfolgt auf einen Reiz in arithmetischer Form entsprechend dem Weber-Fechnerschen Gesetz (Empfindung E Reiz R: E = konst. log R) eine Reizantwort in logarithmischer Form wobei die Stärke des Reizes ausschlaggebender ist als die Ausgangslage des Tonus. Gegebenenfalls kann es damit zu sogenannten paradoxen Reaktionen kommen [11]. Im Zuge längerwelliger Mittelwertverschiebungen des Systems kann sich der Basiswert der Nullwert oder die Nullinie ändern. Solche Verschiebungen können dazu führen daß die "Ansprechbarkeit tiefer Ausgangswerte bei fördernden Reizen höher liegt während sie bei hohen Ausgangswerten nach hemmenden Reizen ihren stärksten Wert erreicht". Hierauf hat WAGNER auf dem 1. Biokybernetischen Symposium in Leipzig 1968 aufmerksam gemacht. Gleiche Effekte verursachen Verminderungen bzw. Erhöhungen der kollektiven Streuungen. In einem vollfunktionierenden System gibt es praktisch keine eigentliche "Nullage" es bestehen immer Restwerte von Leistungsvorrat (Energie Spannung Tonus usw.) die das Wirkungstempo und -ausmaß eines Reizes bestimmen. Solche Restwerte sind die eigentlich interessierenden "Ausgangswerte". Wiederholte Reize also Reizserien müssen demnach immer auch unterschiedliche Ausgangswerte treffen. Hierbei wird die zeitliche Lage des Reizes zur Momentanlage des schwingenden Systems entscheidend. Unterschiedliches zeitliches Einsetzen der Reize (der sogenannten "timing error" [4]) führt zu ganz verschiedenartigen Änderungen des Kurvenablaufes solcher Systeme. 2. WILDER hat 1957 aufmerksam gemacht daß wiederholte Reize die den menschlichen Organismus treffen zur Ausbildung von funktionellen Rhythmen führen können [10] wenn die Bedingungen des "Ausgangswertgesetzes" gelten. Wir haben versucht in einigen mathematischen Modellbeispielen zu analysieren welche Schwingungsverläufe sich ergeben wenn man konstante Reizqualitäten aber unterschiedliche Zeitpunkte des Reizeinsatzes im periodischen Ablauf zugrunde legt. 1. Die Entstehung einer kontinuierlichen Sinusschwingung (x=sin t) könnte durch einen Reiz zum Zeitpunkt der Nullage im aufsteigenden Ast im Abstand von 2 pi erfolgen bei dessen Ausbleiben die Kurve als gedämpfte Schwingung ausläuft (gestreckte e-Funktion) wie dies Abbildung 3a und b zeigt. Ohne Abb. 3. Sinuskurve über der Zeitachse t als Folge eines Reizes im Abstand von 2 pi (x = sin t) (obere Kurve); gedämpft auslaufende Schwingung bei Ausbleiben des Reizes in 2 pi (gestreckte e-Funktion) (untere Kurve) Ohne Abb. 4. Erhöhung (obere Kurve) und Erniedrigung (untere Kurve) des Kurvenniveaus bei zeitlicher Verschiebung des Reizeintritts (s. Text) 2. Bei einer zeitlichen Verschiebung des Reizeinsatzes kann es auch bei der Sinusschwingung zu einer Veränderung des Kurvenniveaus - analog einer Mittelwertverschiebung - kommen einmal im Sinne einer Erhöhung zum anderen einer Erniedrigung (Abb. 4a und b) die folgendermaßen beschrieben werden können: Theoretisch kann das Kurvenniveau gehalten werden wenn das zu zeitige Eintreffen der Reize in bestimmten Phasen erfolgt (Abb. 5). Ohne Beispiel einer zweimaligen Erhöhung des Niveaus der Sinuskurve: - mathematische Darstellung - Beispiel einer zweimaligen Erniedrigung des Niveaus der Sinuskurve: - mathematische Darstellung (s. Originaltext) Ohne Abb. 5. Erhaltengebliebenes Kurvenniveau unter bestimmten Bedingungen des Reizeintritts (s. Text) Die Beschreibung lautet hierzu: - Ohne mathematische Darstellung (s. Originaltext) 3. Weitere Varianten wären entsprechend dadurch möglich daß die gedachten Reize zu spät einsetzen. Dann tritt ein zusätzlicher Dämpfungseffekt auf aus dem wiederum entweder eine Erhöhung oder eine Erniedrigung resultieren kann. Schließlich könnten durch die Kombination der positiven oder negativen Zeitfehler des Reizeinsatzes weitere kompliziertere Änderungen von Amplitude und/oder Frequenz der Schwingung auftreten. 4. Legt man dem Modell die Annahme einer arithmetischen Reizfolge und logarithmischen Reizbeantwortung unter so resultiert keine reine Sinuskurve. Wir betrachten dazu zweckmäßigerweise eine zeitlich dichtere Reizfolge und werten das Reizergebnis als Resultat eines Regeleffektes bei dem im Sinne WILDERs der gleiche Reiz im Maximum der Erregbarkeit zu einem "paradoxen" Reizeffekt führt. Er entspricht dem Steilabfall des Kurvenschenkels in Abbildung 6 bei pi 2 . Ohne Abb. 6. Modell einer Reizbeantwortungskurve unter den Bedingungen des Weber-Fechnerschen Gesetzes (Erläuterung s. Text). Die Kurve läßt sich wie folgt beschreiben: - Ohne mathematische Darstellung (s. Originaltext) Eine derartige Kurve schwingt bei fehlendem Reiz analog einer Sinuskurve (Abb. 3b) aus. Betrachten wir auch hierbei den "timing error" d. h. das zu frühe oder zu späte Einsetzen der Reize so ergäben sich Kurvenänderungen wie sie in Abbildung 7a-d dargestellt sind. Auf die mathematische Beschreibung sei hier verzichtet. 3. Ohne Abb. 7. Kurvenverlauf unter den Bedingungen eines zu frühen oder zu späten Reizeintritts Ohne Abb. 8. Veränderungen des Blutzuckers (obere Kurve) der Chloridausscheidung im Urin (mittlere Säulen schwarz) der Urinmenge (mittlere Säulen weiß) und des Urinzuckers (untere Säulen schwarz) bei stündlicher gleicher Nahrungsmengenzufuhr über 36 Stunden bei einem Diabetiker (aus: F. GERRITZEN a. a. O. S. 151) Ein schönes - und zugleich seltenes - Beispiel für das Einwirken kurzfristiger konstanter Reize in arithmetischer Abfolge hat GERRITZEN 1953 vorgestellt. Er verfolgte die Rhythmik des Blutzuckers der Diurese der Chloridausscheidung im Harn und den Harnzuckergehalt bei einem Diabetiker der jede Stunde die gleiche Nahrung und Flüssigkeit zu sich nahm (Abb. 8). Die Darstellung offenbart zunächst einen 24-Stunden-Rhythmus der betreffenden Funktionen und zeigt wie die Reizabfolge zu rhythmischen Schwankungen derselben führt. Zugleich wird noch eine langwellige Mittelwertverschiebung erkennbar. Wir haben hierin ein Beispiel für die Interaktionen zwischen endogener Rhythmik und exogenem Reiz im Sinne einer dialektischen Wechselwirkung. Die gegenregulatorischen Phasen der Blutzuckerkurve entsprechen den "paradoxen" Effekten WILDERs und sind als Bestreben des Systems zu werten die Ausgangslage wieder herzustellen. Die 24-Stunden-Rhythmik fungiert gewissermaßen als Modulation der kurzfristigen Schwingungsvorgänge und verhindert das Wiedererreichen der "Nullage". Zugleich bewirkt sie die Veränderungen der Amplitude in der nachfolgenden Periode. Eine zweite beispielhafte Betrachtung gelte der respiratorischen Arrhythmie. Hier wirkt die Atmung - als ein nicht arithmetischer sondern ein recht rhythmischer Reiz - auf die Dauer der Herzschlagperiodik derart ein daß diese ständigen Verlängerungen und Verkürzungen im konstanten Wechsel unterworfen wird. Die dadurch entstehende "Herzzeitstreuung" [5] läßt sich abschätzen wenn man die Streuung der Änderung von Herzperiode zu Herzperiode ermittelt. Berechnet man dagegen die Streuung aller Herzperioden über einen längeren Zeitraum etwa von 3 Minuten so ist diese erheblich größer weil in dieser Zeit langwellige Mittelwertänderungen eintreten (es handelt sich um folgende Größen: Langwellen I. Ordnung von 12 23 ± 1 92 s Langwellen II. Ordnung von 28 00 ± 3 86 s und Langwellen III. Ordnung von 61 5 ± 9 00 s also etwa Viertel- Halb- und Minutenschwankungen [5]). Bei insgesamt 45 Patienten mit ischämischer Herzkrankheit nach überstandenem Herzinfarkt ließ sich über alle Frequenzbereiche von 52 bis 128/Minute ein auffallend konstantes Verhältnis dieser Streuwerte (Änderung von Herzschlag zu Herzschlag/ Gesamtstreuung über 3 Minuten) von rund 1:10 (1:9 96) ermitteln. Die Ausprägung der Amplitude der respiratorischen Arrhythmie ist von der Frequenzlage - d. h. dem "Ausgangswert" - abhängig; bradykarde Frequenzen zeigen eine relativ große tachykarde dagegen eine relativ kleine respiratorische Amplitude. Während des Nachtschlafes erhöht sich die Herzzeitstreuung unabhängig von der Herzfrequenz [5] wofür möglicherweise auch die verstärkte respiratorische Arrhythmie infolge der vertieften Atmung mitverantwortlich ist. Diesem Beispiel der völlig unwillkürlichen Induzierung von Herzschlagrhythmik durch Atemrhythmik steht das der Kommandoatmung mit Hyperventilation (Exspirationsphase: Inspirationsphase = 3:1) gegenüber wobei also wieder ein genau "arithmetischer" Reiz wirksam wird. Bei einer Registrierung über 5 Minuten zeigte sich daß die Herzperiodenstreuung (HPS) deutlich zunimmt ohne daß sich die Herzfrequenz (= Herzperiodenmittelwert (HPM)) ändert (2 Versuche): vor HV nach HV ------------------------------------- HPS HPM HPS HPM 64 8 109 0 93 2 111 0 58 0 91 0 73 0 93 0 HV=Hyperventilation Man muß hierbei annehmen daß die künstlich verdreifachte exspiratorische Phase die Momentanfrequenz des Herzens stärker senkt (= Zunahme der Herzperiodendauer) und die nachfolgend kurze kräftige Inspiration zu verstärkter Beschleunigung des Herzschlages führt. 4. Es bedarf keiner Betonung daß derartige praktische und mathematische Modellbeispiele den tatsächlichen Gegebenheiten eines komplexen lebenden Systems nicht gerecht werden können. Keine Funktion des menschlichen Organismus kann isoliert betrachtet oder gar streng spezifischen Reizqualitäten zugeordnet werden. Normalität oder Fehlerhaftigkeit von Ausgangswerten können vielfach nur nach statistisch begründeter Übereinkunft und auch dann meist nur mit einer relativ großen "Bandbreite" der Aussage postuliert werden. Ähnliches gilt auch für die Frequenz und/oder die Amplitude von Rhythmen. Diese angesichts der bestehenden "Normtabellen" und nachgewiesenen Spektren der Körperrhythmen möglicherweise zu skeptisch formulierte Behauptung erklärt sich aus der Vorsicht gegenüber der übertriebenen Erwartung einer unmittelbaren Praxisrelevanz solcher Erwägungen. Eine verläßliche Rhythmologie physiologischer oder gar pathologischer Prozesse als Grundlage für eine "Rhythmotherapie" ist noch nicht geschrieben obschon es sehr verheißungsvolle Ansätze gibt. Unsere Darlegungen sollten unterstreichen daß 1. in einem von vegetativen Partnern gesteuerten Funktionssystem des Organismus praktisch niemals streng periodische Prozesse dagegen stets rhythmische Phänomene auftreten die sowohl hinsichtlich Frequenz als auch Amplitude unterschiedlich in der Gesamtheit aber sehr ähnlich sein können oder sind 2. selbst periodisch eintreffende ("arithmetische") Reize auf Grund der Gültigkeit der nach dem Weber-Fechnerschen Gesetz ablaufenden Reaktion des Organismus zu echten rhythmischen Phänomenen führen und 3. Verschiebungen des Mittelwertniveaus als Folge nicht streng periodisch auftretender Reize möglich werden die z. B. als Anpassungsphänomene deutbar sind oder daß diese ihrerseits die Reizbeantwortung modulieren. Abschließend möchten wir meinen daß eine Reizserie - wie sie die Physiotherapie und besonders die Kurorttherapie im Prinzip darstellt - zur Ausbildung von rhythmisch formierten Reaktionsantworten des Organismus führen muß und daß vice versa die körpereigene Rhythmik die Reaktionsantwort auf eine derartige Reizserie verändern muß. Es ist eine Forderung der wissenschaftlichen Begründbarkeit der Kurorttherapie Reizrhythmik und Körperrhythmik in eine sinnvolle und effektive Übereinstimmung zu bringen soweit das überhaupt möglich ist. Auch hierin liegt eine der Reserven zur Verbesserung der Effektivität der Kurorttherapie [6] - wie sie ein verantwortungsbewußtes ärztliches Denken verlangen muß. Zusammenfassung Die Arbeit versucht gestützt auf mathematische Modellbeispiele die wechselseitigen Beziehungen zwischen rhythmisch ablaufenden Körperfunktionen und der Ausgangslage des ihnen zugrunde liegenden Systems darzulegen. Es läßt sich zeigen wie eine jeweilige Reizeinwirkung im Ablauf der Funktion die Rhythmik modifiziert und vice versa diese Rhythmik die Reizbeantwortung ändert. Auch die sogenannte paradoxe Reaktion WILDERs läßt sich damit beleuchten. Die Stoffwechselbeeinflussung durch stündliche Nahrungszufuhr sowie die Interaktion zwischen Atmung und Herzschlagfolge werden als praktische Beispiele angeführt. Literatur 1. BLASIUS W.: Probleme der Lebensforschung; rombach hochschul paperback Rombach-Freiburg 1973. 2. DRISCHEL H.: Beispiele Ergebnisse und Perspektiven der Anwendung des kybernetischen Konzeptes in der Medizin; Biokybernetik Bd. I S. 13. Karl-Marx-Universität Leipzig (Komm. Vertriebsverl. VEB Guatav Fischer Jena) 1968. 3. GERRITZEN F.: Der Stoffwechselstrom; in: Verb.IV. Conf. Internat. Ges. f. biol. Rhytmusforschung Stockholm 1955; S.150 (Suppl. Nr. 307 der Acta med. Scand.1955). 4. GOLDMAN ST.: Further Considerations of Cybernetic Aspects of Homeostasis; in: Int. Tracts in Computer Sci. a. Technol. a. their Applic.; Vol. II S.108. S. Cameron Pergamon Press Oxford-London-New York-Paris 1960. 5. JORDAN H.: Die kurzzeitlichen Schwankungen der Herzperiodendauer des Menschen; Schriftenreihe der Z. ges. inn. Med. Leipzig H.17 Cardiologie X 136 (1963). 6. JORDAN H.: Kurorttherapie. VEB Guatav Fischer Jena 1975. 7. KLAGES L.: Handschrift und Charakter. Hirzel-Verlag Zürich 1949. 8. TRIER J.: Stud. Gener. 2 (1949) 135. 9. WAGNER H.: Scheinbare und echte paradoxe Reaktionen im biometrischen Modell; Biokybernetik Bd. I S. 282. Karl-Marx-Universität Leipzig (Komm. Vertriebsverlag VEB Gustav Fischer Jena) 1968. 10. WILDER J.: Biological Rhythms and the Law of Initial Value; 6th Conf. Soc. Biol. Rhythm. Res. Semmering 1957. 11. WILDER J.: Stimulus and Response: The Law of Initial Value Bristol 1967. 1) Erweiterte Fassung eines Vortrages auf dem III. Symposium für Thalassotherapie der DDR und der VR Polen in Graal-Müritz vom 7. bis 10.9.1977.

Keyword(s): Rhythmus Reizwirkung

Zurück | Weiter