Gesundheitliche Beeinträchtigungen durch Schall M. Spreng Institut für Physiologie und experimentelle Pathophysiologie Universität Erlangen-Nürnberg Vortrag beim 1. Fach-Symposium zum Ausbau des Frankfurter Flughafens

Das Gehör - auch beim Menschen zehnmal empfindlicher als das Auge - ist das entscheidendste Warn- und Kommunikations-Organ. Es muss deshalb Tag und Nacht gegenüber der Umwelt geöffnet sein und kann sich nicht - wie das Auge mit seinen Lidern für Lichtreize - für Schallreize verschließen. Dies ist die Ursache dafür, dass im Wach- und Schlafzustand Schalle aus der Umwelt stets aufgenommen werden und damit massive Erregungen im verarbeitenden Gehirn auslösen, welche verschiedene Lärmwirkungen und letztlich die Empfindung "Lärm" hervorrufen. Lärmwirkungen werden nicht nur störend, belästigend bzw. belastend empfunden, sondern können auch mit gesundheitlichen Folgeerscheinungen verbunden sein.

In unserer hochtechnisierten Umwelt sind unerwünschte Schalle, also Lärm, allgegenwärtig, durchdringend, zermürbend, schwer abschirmbar und nur wenige, meist jüngere Menschen, halten sich für unbeeindruckbar. Speziell bei der Einwirkung von Flugzeugschallen besteht keine Möglichkeit innerhalb einer Wohnung in schallabgewandten Räumen diesen zu entgehen. Umweltschalle wirken mit hohen Intensitäten und oft extremen dynamischen Veränderungen, wie sie in der Natur überhaupt nicht oder außerordentlich selten auftreten, auf den Menschen ein.

Mit dem sehr stark vereinfachten Schema von Bild 1 ist verdeutlicht, dass die auf das Ohr treffenden Schalle durch die Hörsinneszellen des Innenohres in nervöse Erregungen umgesetzt werden, welche Nervenbahnen weiter zentralwärts zu verschiedenen Verarbeitungszentren des Gehirns leiten.

An dieser Stelle kann es bereits durch hohe, länger einwirkende Schalldruckpegel (größer 80 dBA) und hochdynamische Schalldruckwechsel (steile Schallanstiegsflanken) zu Schädigungen der Sinneszellen kommen (aurale Lärmwirkung), welche sich generell nicht mehr regenerieren bzw. medikamentös nicht behandelbar sind. Bei normalen Umweltschallen, auch bei nicht zu nahen Überflügen ist - wenn man generell von der durch längerdauernde Beschallung reduzierten Erholungszeit des Gehörs absieht - eine derartige Gefährdung nicht gegeben.

Für andere gesundheitlich relevante Lärmwirkungen ist es allerdings von Bedeutung, daß bereits an dieser Stelle der Umsetzung von Schallreiz in nervöse Erregung stets überschießende Erregungen auftreten (Proportional-Differentialverhalten der Sinneszellen), wobei das Ausmaß des Überschießens direkt mit der Anstiegsdynamik des Schallereignisses zusammenhängt. Letztere ist speziell bei Flugzeugschallen mit ca. 6 - 10 dB pro Sekunde gegenüber anderen Lärmarten beachtenswert hoch.

Damit entfalten im Zuge der weiteren zentralnervösen Verarbeitung diese überschießenden Erregungen in vielen Bereichen des Gehirns ihre Wirkung, wobei weniger das direkt erreichte Hörzentrum der Hirnrinde (z.B. Perzeption der Schallzusammensetzung, Schallrichtung, Spracherkennung usw.) von Bedeutung ist, sondern vielmehr die Bereiche, die in Bild 1 als Retikulärformation und vor allem als Amygdala (Mandelkern) hervorgehoben sind.

Lärmwirkungen, welche im wesentlichen die Direktverarbeitungsbahnen bzw. -Ebenen und letztlich das Hörzentrum betreffen, sind allerdings in keiner Weise vernachlässigbar, da es sich dabei um die durch den Lärm hervorgerufenen Kommunikationsstörungen handelt, welche -zwar ohne gesundheitliche Auswirkungen- doch massiv den Grad der Belästigung der betroffenen Personen bestimmen.

Bezüglich gesundheitlicher Beeinflussung relevant ist jedoch einmal das primäre Aktivierungssystem der Retikulärformation, welches für Schlaf-Wach-Schaltungen verantwortlich ist, koordinierende motorische Programme (Angriff, Flucht) durchschaltbar bereithält und grundsätzlich für gesteigerte Aufmerksamkeit (Wachheitsgrad) Sorge trägt.

Von besonderer, bisher nicht gebührend berücksichtigter Wichtigkeit ist desweiteren der in Bild 1 besonders hervorgehobene Gehirnteil, die sog.Amygdala (Mandelkern), der von Teilen der Hörbahn miterfaßt und damit miterregt wird. Dieses auch als Furchtzentrum fungierende System zeichnet sich durch eine außergewöhnliche Plastizität (Lernfähigkeit) aus, insbesondere hinsichtlich aversiver, also mit negativer Bewertung verbundener, wiederholter bzw. konditionierender Schallreize. Diese Plastizität äußert sich beispielsweise in Verkürzung von Reaktionszeiten einzelner neuronaler Elemente, in der Zusammenschaltung mehrerer neuronaler Elemente als auch in der Veränderung neuronaler Elemente hinsichtlich ihrer Empfindlichkeit bezüglich bestimmter Schallfrequenzen (Spreng,2000a).

Es ist nun von besonderer Bedeutung, daß zwischen der Amygdala und der Gehirnregion des Hypothalamus eine sehr enge aktivierende Verbindung besteht. Der Hypothalamus ist das beherrschende vegetativ-nervöse bzw. hormonelle Regulationszentrum für den gesamten Organismus. Er ist damit in erster Linie verantwortlich für schnelle Veränderungen über das vegetative Nervensystem (z.B. Herz-Kreislauf-System: Herzfrequenzsteigerung, Blutdrucksteigerung) und für Verschiebungen des hormonellen Gleichgewichts (z.B. Streßhormon-Ausschüttung).

Sehr vereinfachend formuliert kann man sich - basierend auf der Plastizität der Amygdala - das Entstehen von Lärmwirkungen durch wiederholten unerwünschten Schall wie folgt vorstellen. Durch das Einlaufen der durch Schalle bewirkten Erregungen wird die Amydala sich unter Einfluß der gleichzeitig aktivierten Hirnrinde (Analyse des Schallereignisses: z.B. steiler Anstieg, charakteristische Frequenzzusammensetzung) und durch den für mehr komplexe kognitive Prozesse verantwortlichen Hippocampus ( Analyse der Schallquelle: Flugzeug im Anflug, Flugzeug im Abflug) so plastisch verändern, daß der gesamte Organismus sensitiver auf derartige Geräusche wird. Im Endeffekt liegt dann ein sehr schnelles und grobes Verarbeitungssystem gebahnt vor, welches auf komplexe Reize (z.B. Flugzeugschalle) mit direktem Zugriff auf vegetative und hormonelle Funktionseinheiten sowie auf emotionale Bereiche reagiert. Dies dann ohne den Zeitbedarf, der sonst notwendig ist, um sich kognitiv der Situation voll bewußt zu werden oder um die Bedeutung der Schalle ausführlich semantisch zu verarbeiten.

Es ist hinzuzufügen, daß dieses derart gebahnte, ohne nennenswert bewußte Verarbeitung reaktiv funktionierende System auch während des Schlafs nahezu voll aktiv sein wird, ja aus entwicklungsgeschichtlichen Gründen (feindliche Umfeldgeräusche) voll aktiv sein muß.

Zusammenfassend ergeben sich demgemäß bei Schallbeeinflussung vier Einfluß- bzw. Wirkbereiche innerhalb des Organismus:

- auditorischer Wirkungsbereich (z.B. Innenohr-Schädungen)

- kognitiver Wirkungsbereich (z.B. Kommunikations-Störungen)

- vegetativer Wirkungsbereich (z.B. Schlafstörungen, Herz- Kreislauf-System, Streßhormon-Ausschüttung)

- psychischer Wirkungsbereich (z.B. Belästigung, Aufwachen)

Der Zusammenhang zwischen Schallkonfiguration und dadurch bewirkter Lästigkeit läßt sich im allgemeinen nur durch Befragung von Versuchspersonen bzw. epidemiologischen Erhebungen bis zu einem gewissen Grad ermitteln. Lästigkeit ist in erster Linie mit der Lautstärke (genauer Lautheit) verknüpft, wobei allerdings auch die Qualität (wie z.B. frequenzmäßige Zusammensetzung) und die zeitliche Konfiguration der Schalle, insbesondere ihre Dynamik (Anstiegssteilheit) eine entscheidende Rolle spielen. In Bild 2 ist der Grad der Belästigung (Prozentsatz der stark Gestörten) durch Fluglärm in Abhängigkeit vom 24 Stunden- Mittelungspegel (Außen) in Form der eingezeichneten Punkte aufgrund der Resultate mehrerer Befragungen angegeben (UBA, 1989). Es ist abzulesen, daß bei Außen-Mittelungspegeln von ca. 65 dBA 50 % der Bevölkerung sich stark gestört bzw. wesentlich gestört empfindet (Tabelle 1).

Beeinträchtigungen der sprachlichen Kommunikation durch unerwünschte Schalle können sowohl Spracherkennen als auch Sprachproduktion derart beeinflussen, daß Informationsverluste entstehen, Kommunikationsdauern verlängert werden, Gedankenketten abreißen und Anstrengungen beim Hörer und Sprecher auftreten, die das übliche Maß übersteigen.

Derartige Störungen stehen deutlich an erster Stelle der durch Lärm bewirkten Störungseffekte, noch vor Störungen von Ruhe und Entspannung. Faßt man alle Angaben über Kommunikationsstörungen durch die verschiedenen Umweltstörgeräusche zusammen, dann ist zu konstatieren, daß der Schwellenwert für angegebene Kommunikationsstörung wesentlich gestörter (10 % der Befragten) in Innenräumen bei einem 50 - 55 dBA hohen Außenschallpegel (Mittelungspegel) liegt. Übersteigt dieser Tages-Mittelungspegel im Außenbereich den Wert von 70 dBA, dann ist mit mehr als 50% wesentlich Kommunikations-Gestörten zu rechnen (Tabelle 1).

Bauliche Maßnahmen bzw. Dämmung von geschlossenen Fenstern müssen diesen Schwellenwert auf den im Innenraum für ungestörte Kommunikation zu fordernden Bereich (enge Kommunikation, 1 m Abstand, gutes bis sehr gutes Sprachverstehen: 45 dBA; familiäre Kommunikation, 4 m Abstand, gutes bis sehr gutes Sprachverständnis: 39 dBA) absenken (Spreng, 1994).

Aus diesen Erkenntnissen läßt sich die Forderung ableiten, daß Innengeräuschpegel - auch bei Kurzzeitmittelung - 40 dBA nicht überschreiten sollten, wenn innerhalb von Wohnräumen für sprachliche Kommunikation keinerlei Einschränkungen (theoretisch 0 % Gestörte) bestehen sollten.

Es ist jedoch nicht immer zuzumuten, daß bei höheren Pegeln Fenster zu Innenräumen überwiegend geschlossen bleiben und die Benutzung der Außenwohnbereiche (Terrasse, Balkon, Garten) eingeschränkt wird. Dann ist es natürlich bis zu einem gewissen Grade gerechtfertigt, bei Kommunikation in diesen Fällen höhere Sprechpegel als in abgeschlossenen Innenräumen vorauszusetzen und man kann bei Fluglärm im Gegensatz zu Straßenverkehrslärm auf die zwischen den einzelnen Fluglärmphasen auftretenden Lärmpausen hinweisen, innerhalb derer eine ungestörte Kommunikation relativ problemlos möglich ist. Andererseits führen die dann erzwungenen massiven Unterbrechungen dazu, daß bei den Gesprächspartnern Gedankenketten abreißen und eine flüssige Kommunikation dadurch beeinträchtigt wird.

Gibt man sich unter diesen Bedingungen mit einer ausgewogenen und befriedigenden Sprecher-Hörer-Situation zufrieden, dann läßt sich als oberer Grenzwert ein Mittelungspegel (Dauerstörpegel) von 68 dBA außen angeben.

5.1 Schlafstörungen

Im Grunde sind alle Änderungen des Schlafverhaltens durch unerwünschte Schalle, nicht nur das Aufwachen allein, als Schlafstörungen aufzufassen (UBA, 1990).

Schlafstörungen liegen z.B dann vor, wenn bei viermal in der Nacht auftretenden unbewußten Aufwachreaktionen (Aufwachreaktionen während des natürlichen ungestörten Nachtschlafs schwanken zwischen 1 und 16 pro Nacht) eine davon bewußt wird. Ebenfalls, wenn eine Wachphase im Verlauf der Nacht mehr als 20 bis 30 Minuten dauert und das Wiedereinschlafen nicht erreicht wird. Man spricht von Schlafstörungen auch dann, wenn ein verzögertes Einschlafen vorhanden ist (länger als eine halbe Stunde).

Mehr quantitativ können Schlafstörungen nach 2 Kriterien beurteilt werden: einerseits Reaktionshäufigkeiten (im EEG als feststellbare Änderungen innerhalb der verschiedenen Schlafphasen zwischen leichtem Schlaf und Tiefschlaf) und andererseits Aufwachreaktionen (Griefahn, 1990).

Bei Lärmeinwirkung während des Schlafs, insbesondere bei Fluglärm, besteht die sinnesphysiologisch zu unterstreichende Empfehlung, sich ausschließlich am Maximalpegel zu orientieren und nicht wie im Wachzustand, Mittelungspegel heranzuziehen. Untersuchungen zeigen diesbezüglich, daß etwa ab Maximalpegeln von 55 dBA Veränderungen der Schlaftiefe (Frequenzanhebungen im EEG, Absinken peripherer Durchblutung) auftreten. Dabei spielen der Schallpegel bzw. die Schallpegelspitzen die entscheidende Rolle. Es sind aber auch in gewissem Maße die Schalldynamik (Anstiegssteilheit; Differenz zum Hintergrundpegel), die Frequenzzusammensetzung und Informationshaltigkeit der Schalle von Bedeutung, weniger die Dauer von Einzelereignissen.

Die theoretische Aufwachschwelle infolge Lärmeinwirkung wurde bisher aufgrund einer Vielzahl von Untersuchungen bei einem Maximalpegel von 60 dBA gesehen, allerdings mit beachtlichen Streuungsangaben. Im Urteil des Bundesverwaltungsgerichtes bezüglich Maximalpegel wird deshalb unter Zufügung eines Sicherheitsabschlags der Wert von 55 dBA festgelegt, jedoch ein einmaliges bis sechsmaliges Überschreiten in einer Nacht noch als zumutbar erklärt.

Obwohl wenig sinnvoll, liegen gemäß Tabelle 1 doch auch Angaben über Mittelungspegel bezüglich Schlafstörungen vor. Sie liegen im Bereich von 30 - 40 dBA, scheinen jedoch wenig begründet zu sein.

Wenn durch Lärm eine zusätzliche Wachphase hervorgerufen wird, Bewegungen gesteigert auftreten, oder Tiefschlafphasen verkürzt vorkommen, dann kann man dies als abnormal bzw. als gesundheitsschädlich auffassen. Zweifellos sind derartige Schlafstörungen sofern sie nur gelegentlich auftauchen in der Folgezeit kompensierbar. Bei längerem Schlafentzug findet man allerdings Veränderungen im Organismus, welche gesundheitsgefährdende Relevanz haben (z.B. Verlust an Vitamin B1, Senkung des Eisenspiegels).

5.2 Streßhormonausschüttungen (insbesondere nachts)

Von besonderer Problematik sind allerdings nicht in erster Linie die durch Beschallung während des Schlafs ausgelösten Schlaftiefenänderungen, Aufwachphasen, Bewegungssteigerungen usw., sondern die gemäß Bild 1 auch im Schlaf massiv auftretende Aktivierung der Amygdala und damit des Hypothalamus-Systems. Vorallem sind dies dadurch unbewußt aktivierte Streßhormon-Ausschüttungen (ACTH, Adrenalin, Noradrenalin, Cortisol usw.). Neuere Untersuchungen (Maschke et al., 1995 und 1996) heben dabei insbesondere die durch nächtliche Fluglärmbeschallung ausgelöste Cortisol-Ausscheidung hervor, welche im Gegensatz zum Adrenalinverhalten zum Teil oberhalb des Normbereiches liegen kann (Spreng, 1996 und 1997).

Ein permanent durch Schalleinwirkung erhöhter Cortisolspiegel bedeutet -im Gegensatz zu gesteigerter Adrenalinkonzentration- die Gefahr negativer gesundheitlicher Wirkungen wie z. B. Hemmung der Glukoseverwertung (Diabetes), verstärkter Eiweiß- und Knochenabbau (Osteoporose), Abnahme von immunwirksamen Substanzen (Immunsuppression, Heilphasenverlängerung), Erhöhung der Wirkung blutdrucksteigern- der Hormone (Hypertonie), Anstieg der Cholesterine im Blut (Herz-Kreislaufschäden, Myokardinfarkt), Steigerung der Magensaftsekretion (Magengeschwüre) [Spreng, 1997 und 2000b].

Generell ist die in Bild 1 aufgezeigte enge Kopplung der Schlüsselkomponente Amygdala (Furchtzentrum) in der Hörbahnverzweigung mit dem vegetativen Regulationszentrum verantwortlich für weitgefächerte Änderungen in der homeostatischen Gleichgewichtslage des Organismus, wodurch weitere ernsthafte Erkrankungen ausgelöst werden können (Spreng, 1984 und2000b).

Die Tatsache, daß die erwähnten überkritischen Cortisolfreisetzungswerte bei einer Lärmsituation von 16 Überflügen mit Spitzenpegeln von 55 dB(A) am Ohr des Schläfers auftraten (Maschke et al., 1995) und mit Pegelanhebung [z. B. 65 dB(A)] bzw. Häufigkeitserhöhung (z. B. 74 Überflüge) nicht mehr signifikant steigerbar waren, muß als Hinweis auf das gesundheitliche Risiko von Nachtfluglärm zumindest zwischen 24.00 und 4.00 Uhr gewertet werden, wenn auch noch die Wirkung der Circadianrhythmik in Betracht gezogen wird.

Die Untersuchungen stellen darüberhinaus auch das bisherige Kriterium der Aufwachschwelle [Maximalpegel mindestens 60 dB(A)] in Frage und weisen auf die Bedeutung einer anderweitig ableitbaren, nächtlichen vegetativen Beeinträchtigungsschwelle von 53 dB(A) Maximalpegel am Ohr des Schläfers hin (Tabelle 1), welche durch bauliche Maßnahmen bezüglich Flugzeuggeräuschen unterschritten werden sollte.

Griefahn, B.

Maschke, C.; Pleines, F.

Maschke, C.; Arndt, H.; Ising, H.; Laude, D.; Thierfelder, W,; Contzens, S.

Spreng, M.

Spreng, M.

Spreng, M.

Spreng, M.

Spreng, M.

Spreng, M.

UBA (Umweltbundesamt)

UBA (Umweltbundesamt)

Legenden:

Bild 1:

Schematisch vereinfachte Darstellung der gesundheitlich relevanten Lärmwirkungen des Organismus

Bild 2:

Gestörtheit durch Fluglärm (UBA, 1989)

Tabelle 1:

Anhaltswerte für Lärmwirkungen