Zum Inhalt springen Was ist der physiologische Motor hinter unserer Atmung, unserer Lungenkapazität und der Kontrolle über unsere Stimme? Die Antwort lautet: das Zwerchfell, medizinisch als „Diaphragma“ bekannt. Obwohl wir diesen Muskel täglich unbewusst (und manchmal auch bewusst) steuern, steckt hinter seiner Anatomie und Funktionsweise eine komplexe Welt.
Im folgenden Artikel befasst sich der Neurologe J.C.J. van Hemert intensiv mit der Wissenschaft des Zwerchfells. Er erklärt, wie sich dieser Muskel bereits in der frühesten Phase unseres Lebens entwickelt, wie die einzigartigen Muskelfasern funktionieren und wie sich Kraft und Ausdauer des Zwerchfells trainieren lassen.
Eine faszinierende physiologische Grundlage für alle, die die Kraft einer kontrollierten Atmung verstehen möchten, um das Stottern endgültig zu überwinden.
Bevor das Zwerchfell seine endgültige oder ausgewachsene anatomische Form erreicht hat, finden in den Strukturen, aus denen es entsteht, zahlreiche Veränderungen statt, insbesondere im embryonalen Stadium. So entsteht das Centrum tendineum, das zentrale Sehnenblatt des Zwerchfells, in der dritten Woche des embryonalen Lebens aus einer Masse mesodermalen Gewebes. Diese wird dann als Septum transversum bezeichnet; sie befindet sich hauptsächlich am sich bildenden Brustbein und an den sich bildenden Rippen.
Eine zweite Komponente, aus der sich später das Zwerchfell bildet, entsteht in der siebten Woche. Dann bildet sich der hintere Teil des Zwerchfells aus den Membranen (Häuten) der Brust- und Bauchhöhle. Diese verschmelzen miteinander, sodass eine vollständige Trennung zwischen Brust- und Bauchhöhle entsteht. An diesem Vorgang ist auch das Mesenterium (Membran) der Speiseröhre beteiligt: Von der Rückseite des Septum transversum wachsen nämlich Muskelfasern in Richtung des Mesenteriums der Speiseröhre, aus denen die „Muskelbalken“ des späteren Zwerchfells entstehen.
Zwischen der neunten und zwölften Woche der embryonalen Entwicklung wächst Muskelgewebe von der Seite her – aus dem sechsten und siebten thorakalen Myotom – in das Septum transversum hinein. Dabei wachsen auch die Nervenfasern mit, die später die sensorischen Nerven (Muskelempfindung) des peripheren Teils des Zwerchfells bilden werden.
1 | Zwerchfell
2 | Sehnenplatte
3 | Lunge
4 | Herz
5 | Brustkorb
6 | Bauchhöhle
Im Laufe der weiteren Entwicklung des Zwerchfells erfahren alle zuvor genannten Komponenten eine drastische Positionsveränderung. Das Septum transversum beginnt sich nämlich von oben nach unten zu bewegen, wobei im Laufe der vierten Woche Nervenfasern des dritten, vierten und fünften zervikalen (Hals-)Segments des Rückenmarks entlang des Herzens in das Septum transversum einwachsen. Diese Nervenfasern bilden später den Nervus phrenicus.
Durch das sehr schnelle Wachstum des hinteren Teils – der Rückseite – des Embryos kommt es zu einer nach unten gerichteten Entwicklung des Zwerchfells, das im Laufe der sechsten Woche die Höhe der thorakalen (Brust-)Somiten erreicht. Etwa in der neunten Entwicklungswoche erreicht das Zwerchfell seine endgültige Position auf Höhe des ersten Lendenwirbels, wo es sich an den Wirbeln festsetzt und dabei seine endgültige Form annimmt.
In ihrer endgültigen Form weist das Zwerchfell eine kuppelförmige Struktur auf, die die Brusthöhle von der Bauchhöhle trennt. Ihre Form, insbesondere die der Kuppel, variiert stark zwischen maximaler Einatmung und maximaler Ausatmung. Das ausgewachsene Zwerchfell ist eine Muskel-Sehnen-Platte, deren Ränder aus Muskelfasern bestehen, die am Umfang an der knöchernen Struktur des Rumpfes befestigt sind. Der mittlere Teil besteht aus einer Sehnenplatte, die gleichzeitig auch den höchsten Abschnitt des Zwerchfells bildet. Sie ist an der Oberseite an der Herzhaut befestigt.
Die in der Peripherie vorhandenen Muskelfasern sind zu Bündeln zusammengefasst, die am Brustbein, an den Rippen und an den Lendenwirbeln befestigt sind. So besteht beispielsweise der Brustbeinabschnitt aus zwei kräftigen Bündeln, die am schwertförmigen Fortsatz des Brustbeins befestigt sind. Die kuppelförmige Struktur des Zwerchfells lässt sich in zwei Teilkuppeln unterteilen. Der an den Rippen befestigte Teil bildet die linke und rechte Kuppel und entspringt an der Innenseite der unteren sechs Rippen sowie am Knorpel dieser Rippen. Die Muskelbündel entspringen dabei zwischen den Ansatzstellen des quer verlaufenden Bauchmuskels.
An der Rückseite entspringen an den oberen drei Lendenwirbeln Sehnenblätter, an denen der Muskelteil des Zwerchfells befestigt ist. An den oberen beiden Lendenwirbeln entspringen die auf der linken Seite gelegenen Sehnenblätter. Diese beiden Sehnenblätter laufen an der Stelle zusammen, an der die Aorta das Zwerchfell durchquert. Die Länge der Muskelfasern des Zwerchfells ist von Person zu Person unterschiedlich. Zudem gibt es große Unterschiede hinsichtlich des Ansatzes am Rumpf, auf die wir hier nicht näher eingehen. Im Zwerchfell lassen sich drei große Öffnungen unterscheiden, durch die die Aorta, die Speiseröhre und die untere große Hohlvene verlaufen. Daneben gibt es noch eine Reihe kleinerer Öffnungen, durch die Bauchgefäße und Nerven verlaufen.
Im Muskelteil des Zwerchfells kommen drei verschiedene Arten von Muskelfasern vor: schnell kontrahierende, schnell ermüdbare Fasern (Typ IIb), schnell kontrahierende Fasern mit größerer Ermüdungsresistenz (Typ IIa) und langsam kontrahierende, ermüdungsresistente Fasern (Typ I). Bei einer schwachen Kontraktion werden vor allem die Typ-I-Fasern mobilisiert. Wenn die Kontraktion anhält, kommen auch die Typ-IIa-Fasern hinzu, und bei einer noch stärkeren Kontraktion werden die Typ-IIb-Fasern aktiv. Die dafür verantwortlichen Impulse verlaufen hauptsächlich über die Alpha- und Gamma-Nervenbahnen, doch die Regulierung dieser Impulse erfolgt über die interkostalen Phrenikus-Reflexe (über die Sinnesnerven des Zwerchfells).
Untersuchungen haben ergeben, dass der Zwerchfellmuskel zu etwa 60 % aus Fasern des Typs IIa besteht. Die Muskelfasern des Zwerchfells reagieren hinsichtlich Inaktivität und Training ähnlich wie die Skelettmuskeln. So beobachten wir bei Ausdauertraining einen Anstieg des Anteils an IIa-Muskelfasern, während der Anteil an IIb-Fasern sinkt. Unter dem Mikroskop lässt sich zudem eine Zunahme der Mitochondrien und damit indirekt der oxidativen Kapazität feststellen. Der umgekehrte Prozess ist zu beobachten, wenn die Zwerchfellaktivität abnimmt.
Wie alle Muskeln des menschlichen Körpers können auch die Atemmuskeln durch Training an Kraft und Ausdauer gewinnen. Der positive Einfluss des Zwerchfelltrainings wurde bereits bei Patienten mit Atemwegserkrankungen – wie Asthma und Emphysem – sowie bei Sportlern nachgewiesen. Der Aufbau einer größeren Muskelkraft wäre theoretisch auf verschiedene Weise möglich: Ein allgemein bekanntes Prinzip der Muskelfysiologie besagt, dass ein Muskel durch begrenzte Dehnung (also innerhalb der physiologischen Grenzen) in der Lage ist, eine größere Kraft zu entwickeln. In Bezug auf das Zwerchfell würde dies bedeuten: Je höher die Kuppel beim Ausatmen steigt, desto stärker nimmt die Länge der Muskelfasern zu, was zur Folge hat, dass die darauf folgende Einatmung umso kraftvoller sein kann.
Außerdem kann der Muskel bewusst gedehnt werden, indem die Rippen, an denen der Zwerchfellmuskel befestigt ist, nach außen bewegt werden; dadurch nimmt die Länge der Muskelfasern des Zwerchfells zu. Dabei beobachten wir physiologisch eine Verschiebung von IIb- zu IIa-Fasern. Darüber hinaus besteht die theoretische Möglichkeit, die Kraft des Zwerchfells durch Einatmen gegen Widerstand (durch Einatmen durch eine kleine Öffnung) zu steigern. Es handelt sich also um ein dynamisch-konzentrisches Krafttraining zur Steigerung der Kraft des Zwerchfellmuskels.
Durch Krafttraining verändert sich ein Muskel. Einerseits beobachten wir dabei eine Zunahme der IIb-Muskelfasern und eine Abnahme der IIa-Fasern (im Gegensatz zur zuvor genannten Möglichkeit), andererseits kommt es – ebenso wie bei der zuvor genannten Möglichkeit – zu einer Hypertrophie des Muskels, was bedeutet, dass der Muskel dicker wird. In den normalen Skelettmuskeln wird diese Hypertrophie durch eine erschwerte Blutversorgung begrenzt. Dies ist jedoch beim Zwerchfell nicht der Fall, das auf allen Kontraktionsstufen eine ausgezeichnete Blutversorgung beibehält. Dasselbe gilt für das Herz.
Die Hälfte ihres Energiebedarfs deckt das Zwerchfell aus dem Kohlenhydratstoffwechsel, hauptsächlich durch die Verwertung von Laktat, so wie es auch der Herzmuskel tut. Dadurch verfügt das Zwerchfell über eine gute Widerstandsfähigkeit gegenüber anaeroben Stoffwechselsituationen (Ermüdung) – auch dies wiederum im Gegensatz zu den Skelettmuskeln. Ausgehend von den Ergebnissen von Experimenten mit einem gelähmten Zwerchfell lässt sich feststellen, dass das Verhältnis von Ventilation zu Perfusion durch eine bessere Funktion des Zwerchfells erhöht wird. Dies gilt insbesondere für die unteren Bereiche der Lunge, die die am besten durchbluteten Bereiche darstellen.
Obwohl die Mechanismen nicht vollständig geklärt sind, lässt sich aus Experimenten schließen, dass eine Schwäche (Versagen) der Atemmuskulatur mit Anomalien des Lungenvolumens und des Gasaustauschs einhergeht. Zudem scheint die Vitalkapazität bei einer Schwäche der Atemmuskulatur verringert zu sein. Umgekehrt könnte man daher auch argumentieren, dass die Vitalkapazität bei einer Zunahme der Muskelkraft der Atemmuskulatur ansteigt.
Aufgrund einer möglichen reziproken (gegenseitigen) Innervation des Zwerchfells und der Bauchmuskeln wirken die Bauchmuskeln beim Ausatmen als Ausatmungsmuskeln. Das Anspannen der Bauchmuskeln hilft dem Zwerchfell, sich so weit wie möglich zu entspannen. Auch während der Einatmung sind die Bauchmuskeln als Hilfsatmungsmuskeln zu betrachten, wenn sie sich entspannen. Daraus ist abzuleiten, dass bei einem dauerhaft erhöhten Tonus der Bauchmuskulatur die Funktion dieser Muskeln als Hilfsatmungsmuskeln beeinträchtigt wird. Diese Gefahr besteht, wenn beim Training der Fokus zu sehr auf die Bauchmuskeln gerichtet wird.
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Embryonales Wachstum
Das Zwerchfell bildet sich zwischen der 3. und 12. Schwangerschaftswoche aus verschiedenen Geweben und senkt sich im Laufe seines Wachstums vom Halsbereich bis zum ersten Lendenwirbel.
Anatomische Grenze
Es handelt sich um eine kuppelförmige Muskel-Sehnen-Platte, die die Brusthöhle (Lunge und Herz) von der Bauchhöhle trennt und verfügt über drei große Öffnungen für die Aorta, die Speiseröhre und die Hohlvene.
Einzigartige Muskelfasern
Das Zwerchfell besteht zu etwa 60 % aus Typ-IIa-Fasern (schnell und ermüdungsresistent). Genau wie der Herzmuskel verfügt das Zwerchfell – im Gegensatz zu den Skelettmuskeln – über eine kontinuierlich hervorragende Blutversorgung und nutzt Laktat als Energiequelle, was für eine enorme Ermüdungsresistenz sorgt.
Trainbaarheid
Die Atemmuskulatur lässt sich sowohl in Bezug auf die Ausdauer (Ausdauertraining sorgt für mehr Typ-IIa-Fasern) als auch in Bezug auf die reine Kraft (durch Einatmen gegen Widerstand) trainieren. Je höher sich das Zwerchfell beim Ausatmen hebt oder je stärker sich die Rippen nach außen bewegen, desto größer ist die Muskelkraft beim nächsten Einatmen.
Vitalkapazität
Ein stärker trainiertes Zwerchfell erhöht die Vitalkapazität (Lungenvolumen) und verbessert den Gasaustausch, insbesondere in den gut durchbluteten unteren Bereichen der Lunge.
Die Rolle der Bauchmuskeln
Die Bauchmuskeln stützen das Zwerchfell. Die Entspannung der Bauchmuskeln unterstützt das Einatmen, während ihre Anspannung das Ausatmen unterstützt. Eine zu hohe, konstante Anspannung (Tonus) der Bauchmuskeln beeinträchtigt jedoch die Atemfunktion.
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