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Herzen von Mutter und Fötus im Gleichtakt


 
Obwohl das Herz des Ungeborenen schneller schlägt als das der werdenden Mutter, versucht es sich an dessen Rhythmus anzupassen. Dadurch werden beide immer wieder kurzfristig synchronisiert. Das geschieht umso öfter, je schneller die Mutter atmet.

Von Peter van Leeuwen und Jürgen Kurths

Am Anfang des Lebens bildet die werdende Mutter die unmittelbare Umwelt für ihr Kind. Während der Schwangerschaft kann man sie und den Fötus als ein zusammengehöriges System mit vielfältigen internen Wechselwirkungen auffassen. Aktivität und Befinden der Mutter stecken die physikalischen und physiologischen Rahmenbedingungen für die Entwicklung des Ungeborenen ab und sollten es deshalb stark beeinflussen. Beispielsweise hat sich gezeigt, dass die fötale Herzfrequenz bei körperlicher oder psychischer Belastung der Mutter zunimmt.
Allerdings ist der quantitative Nachweis einer direkten Interaktion zwischen den beiden Individuen schwierig, weil er eine zuverlässige Messung physiologischer Parameter bei jedem von ihnen erfordert.    
        
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Das schlägt bereits mit sechs Wochen, und nach zehn Wochen ist das Herz-Kreislauf-System des Ungeborenen funktionsfähig. Seit einigen Jahren untersuchen wir die kardiale Aktivität von Föten anhand der Magnetokardiografie (MKG). Damit lässt sich schon ab der 16. Schwangerschaftswoche der Herzschlag des Ungeborenen nicht-invasiv und belastungsfrei aufnehmen. So genannte SQUIDs (super conducting quantum interference devices) zeichnen dabei schwache Magnetfelder, die durch die elektrische Aktivierung des fötalen Herzens erzeugt werden, mit hoher Präzision auf. Da wir bei unseren Messungen mit dem Herzschlag des Fötus auch den der Mutter aufnehmen, eröffnet sich die Möglichkeit, Korrelationen zwischen beiden zu analysieren.

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Systeme, die einen gleichartigen Takt oder Rhythmus aufweisen, bezeichnet man als synchronisiert. Ein Beispiel einer solchen Synchronisation hat schon 1665 Christiaan Huygens entdeckt und erforscht, dafür allerdings den Ausdruck Sympathie benutzt. Der berühmte holländische Physiker, Astronom und Mathematiker beschäftigte sich damals intensiv mit der Konstruktion hochseetauglicher Pendeluhren. Dabei bemerkte er zufällig in seinem Fachwerkhaus, dass zwei solche Uhren, die an einem gemeinsamen Holzbalken hingen, im Gleichtakt schwangen. Tatsächlich genügt, wie Huygens durch gezielte Experimente herausfand, die ziemlich schwache Wechselwirkung über den Balken für die Synchronisation der Pendel. Die Dynamik dieses Systems ist allerdings viel einfacher als beim menschlichen Herzschlag.

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Auch nach Huygens erforschten Physiker lange Zeit ausschließlich die Kopplung zwischen periodischen Schwingungen. Erst jüngst reifte die Erkenntnis, dass Synchronisation nur in nichtlinearen Systemen auftreten kann. Daraufhin wurde dieses Phänomen vor wenigen Jahren auch bei komplexeren, insbesondere chaotischen Schwingungen gefunden.

Derartige Synchronisationen sind allerdings nicht mehr direkt sichtbar. Deshalb wurden Nachweismethoden für sie entwickelt, welche nichtlineare Dynamik und Informationstheorie mit mathematischer Statistik verbinden. Sie ermöglichten es, Synchronisation auch in ökologischen Zyklen wie der Population von Hase und Luchs in Kanada, im Herz-Kreislauf-System, im Gehirn und im Klimasystem nachzuweisen. Daraus ließen sich jeweils wichtige Schlüsse über die Funktionsweise der zu Grunde liegenden dynamischen Rückkopplungen ziehen. Das gilt etwa für die Erkenntnis, dass das El-Niño-Phänomen im Pazifik in bestimmten Zeitspannen über schwache, aber weit reichende Wechselwirkungen, so genannte Telekonnektionen, mit dem indischen Monsun synchronisiert ist.

Synchronisation höherer Ordnung

Die Untersuchung zeitlicher Beziehungen zwischen mütterlicher und fötaler Herzfrequenz stellt besondere Anforderungen an die Analysemethoden. Einerseits schwankt die Herzfrequenz nämlich recht stark, andererseits generieren beide Herzen keinen identischen Rhythmus: Das fötale schlägt deutlich schneller als das mütterliche. Man muss also nach Episoden suchen, in denen eine Synchronisation höherer Ordnung auftritt, beispielsweise im Verhältnis fünf zu drei; in diesem Fall kämen auf fünf Herzschläge des Fötus drei der Mutter. Derartige Beziehungen zwischen zwei unabhängigen, aber schwach gekoppelten Systemen lassen sich mittels Synchrogrammen aufspüren.

Bei einer ersten Untersuchung waren in fast allen Messreihen kurze Episoden der Synchronisation zwischen den Herzschlägen von Mutter und Kind zu erkennen. Unsere Begeisterung darüber wurde freilich durch die Einsicht gedämpft, dass solche Übereinstimmungen auch rein zufällig auftreten können. Wie mitunter die Blinker von Autos in der Abbiegespur an einer Ampel vorübergehend alle gleichzeitig leuchten, besteht die Möglichkeit, dass die Herzen von Mutter und Fötus kurzfristig im Takt schlagen, ohne gekoppelt zu sein.

Um dies zu überprüfen, erweiterten wir unser Analyseinstrumentarium um eine spezielle statistische Methode, die auf besonders konstruierten Ersatzdaten beruht, so genannten Surrogaten. Dabei werden die Herzschlagreihen der Föten mit denen fremder Mütter verglichen; unter diesen Umständen ist jede Verbindung zwischen beiden Herzen ausgeschlossen. Eine detaillierte Prüfung zeigte, dass sich mindestens ein Teil der in den echten Datenreihen identifizierten Synchronisations-Episoden deutlich von den Surrogatreihen unterscheiden. Die Synchronisation ist in diesen Fällen also statistisch gesichert (bei einem Signifikanzniveau von fünf Prozent).

An dieser Stelle fragten wir uns, ob sich vielleicht Bedingungen schaffen lassen, die eine physiologische Interaktion im Mutter-Fötus-System fördern oder unterdrücken. Eine nahe liegende Idee war, die bekannte Respiratorische Sinus Arrhythmie (RSA) zu nutzen, wonach sich die Herzfrequenz beim Einatmen beschleunigt und beim Ausatmen verlangsamt. In einem zweiten Versuch baten wir deshalb die Mütter, nicht spontan zu atmen, sondern ihre Atemfrequenz an einen akustischen Taktgeber anzupassen. So variierten wir diese Frequenz zwischen 10, 12, 15 und 20 Zügen pro Minute. Damit überdeckten wir den Bereich von einer sehr langsamen über die normale bis zu einer sehr schnellen Atmung.
 
Wie sich herausstellte, hängt das Ausmaß der Synchronisation in der Tat deutlich vom Atemrhythmus ab. Bei raschem Luftholen treten ungewöhnlich viele Synchronisations-Episoden auf, bei zehn Atemzügen pro Minute dagegen nur wenige. Dieses Ergebnis überprüften wir mit einem verbesserten statistischen Verfahren: so genannten Zwillingssurrogaten. Dabei erzeugt ein Algorithmus aus der gemessenen Herzschlagzeitreihe der Mutter eine neue, bei der wesentliche Eigenschaften wie die Herzoder Atemfrequenz unverändert sind.


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Das Herz des Fötus schlägt im Abstand von 350 bis 600 Millisekunden, das der Mutter nur alle 700 bis 800 Millisekunden (oben). Ein Synchrogramm (unten) zeigt, wie die fötalen Schläge zeitlich zu denen der Mutter auftreten. Bleibt diese Relation einige Zeit konstant, so dass beide Schläge vorübergehend in einer festen Phasenbeziehung zueinander stehen, liegt eine Synchronisation vor. Sie manifestiert sich in einem horizontal verlaufenden Kurvenstück (ausgefüllte Punkte). Das gezeigte Synchrogramm überdeckt zwei Herzschläge der Mutter. Da das Herz des Fötus in dieser Zeit dreimal schlägt, handelt es sich um eine Synchronisation im Verhältnis drei zu zwei.

Reifung des Nervensystems


Auf diese Weise ließ sich das Resultat statistisch absichern: Bei schneller mütterlicher Atmung zeigten sich in den echten Daten signifikant mehr Synchronisationsepisoden als in den Zwillingssurrogaten (auch hier betrug das Signifikanzniveau fünf Prozent). Das ist ein klares Indiz für eine direkte physiologische Interaktion zwischen der mütterlichen und der fötalen Herzaktivität.

Die stärkere Synchronisation bei erhöhter Atemfrequenz der Mutter hängt vermutlich damit zusammen, dass bei höheren Atemfrequenzen der mütterliche Herzschlag ziemlich gleichmäßig ist. An den weit gehend konstanten Rhythmus kann sich das Herz des Fötus dann relativ gut anpassen. Eine solche Anpassung gelingt viel schwerer, wenn die mütterlichen Herzschläge – was bei niedrigen Atemfrequenzen die Regel ist – stark variieren.

Wozu ist die beobachtete Synchronisation gut? Wie man weiß, feuern im Gehirn ausgedehnte Verbände von Nervenzellen im Gleichtakt. Dahinter steckt eine physiologische Optimierung, durch die Informationen zusammengeführt und Vorgänge koordiniert werden. Ähnliches dürfte für die kardiale Mutter-Kind-Synchronisation gelten. Vermutlich dient sie der pränatalen Reifung von Strukturen wie dem autonomen Nervensystem. In weiteren Untersuchungen wollen wir klären, in welchen Stadien der Schwangerschaft diese Art von Interaktion auftritt und mit welchen physiologischen Bedingungen sie zusammenhängt. Eines Tages lassen sich so vielleicht durch Messung der Synchronisation und der zugehörigen Kopplungsstärke Störungen in der fötalen Entwicklung frühzeitig erkennen.

SPEKTRUM DER WISSENSCHAFT · FEBRUAR 2010

Peter van Leeuwen ist Privatdozent an der Universität Witten/Herdecke und leitet dort im Grönemeyer-Institut für Mikrotherapie die Abteilung Biomagnetismus. Jürgen Kurths ist Professor an der Humboldt-Universität zu Berlin und Leiter des Forschungsbereichs »Transdisziplinäre Konzepte und Methoden« am Potsdam-Institut für Klimafolgenforschung.

VAN LEEUWEN P;GEUE D;THIEL M; CYSARZ D; LANGE S; ROMANO MC;WESSEL N; KURTHS J; GRÖNEMEYER D Influence of paced maternal breathing on fetal-maternal heart rate coordination. Proc Natl Acad Sci USA 2009 106(33): 13661-13666


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