Thermal Grill Illusion
Aktualisiert: 30. Aug.
Schmerz ohne periphere nozizeptive Aktivität.
Was braucht es eigentlich, damit Schmerz entsteht? Die meisten Menschen würden vermutlich antworten: einen Gewebeschaden – oder zumindest einen Reiz, der Gewebe ernsthaft bedroht. Diese Vorstellung erscheint intuitiv und selbstverständlich. Die Thermal Grill Illusion (TGI) stellt genau diese Selbstverständlichkeit infrage.
Um was geht es bei der TGI?
"Der durch einen Thermogrill ausgelöste Schmerz (thermal grill-induced pain; TGIP) ist ein charakteristisches experimentelles Phänomen, bei dem durch die gleichzeitige Applikation nicht-noxischer warmer und kalter Hautreize mithilfe einer Thermode („Grill“) ein paradoxer brennender Schmerz hervorgerufen wird." (Bouhassira, 2025)
Das Paradoxon der TGI liegt also in der Diskrepanz zwischen den sensorischen Reizen und dem scheinbar damit in keinem Verhältnis stehenden Wahrnehmungsergebnis: werden warme und kalte Reize, die für sich genommen normalerweise keinen Schmerz hervorrufen, gleichzeitig auf die Haut appliziert, kann eine brennende Schmerzempfindung entstehen. Ohne Gewebeschaden. Offenbar sogar ohne periphere Nozizeption. Gerade das macht die TGI so faszinierend. Sie fordert uns dazu auf, einige unserer grundlegendsten Annahmen über Schmerz zu hinterfragen. Dabei stellt die TGI insbesondere die klassische Spezifitätslogik infrage. Schmerz scheint keinem einzelnen Rezeptor, keiner einzelnen Nervenfaser und keiner klar abgegrenzten ‚Schmerzbahn‘ zugeordnet werden zu können. Die Peripherie reagiert auf bestimmte physikalische oder chemische Veränderungen; Schmerz entsteht auf einer anderen Ebene. Wie oder wo genau, bleibt zunächst offen. Klar wird durch die TGI aber, wie es vermutlich nicht funktioniert: als direkte, lineare Weiterleitung eines peripheren ‚Schmerzsignals‘.
Über den Tellerrand
Die TGI gehört zu den sogenannten räumlichen Kontrastphänomenen. Anders als bei zeitlichen Kontrastphänomenen – u. a. Offset-Analgesia – entsteht das paradoxe Erleben hier durch die räumliche Anordnung unterschiedlicher thermischer Reize.
Dass die TGI einige unserer grundlegendsten Annahmen über Schmerz infrage stellt, wirft zwangsläufig die Frage auf: Wie lässt sich dieses Phänomen neurophysiologisch erklären? Eine abschließende Antwort gibt es bislang nicht. Vielmehr existieren mehrere konkurrierende beziehungsweise sich ergänzende Erklärungsansätze. Bevor wir uns der möglichen klinischen Relevanz der TGI widmen, lohnt sich daher zunächst ein Blick auf die drei wichtigsten neurophysiologischen Hypothesen.
Thermosensorische Disinhibitionshypothese
Bei der thermosensorischen Disinhibitionshypothese ist die zentrale Idee: Kälte-afferenter Input (nicht-noxisch) aktiviert im Dorsalhorn mindestens zwei relevante Populationen in Lamina I. Einerseits COLD-Zellen, die spezifisch auf nicht-noxische Kälte reagieren. Andererseits Heat-Pinch-Cold-Neurone (HPC-Neurone) die auf Hitze, mechanische Reize und nicht-noxische Kälte reagieren. Normalerweise scheint der cold-spezifische Kanal eine hemmende Wirkung auf HPC-Aktivität zu haben. Wenn nun warme Stimulation benachbart hinzukommt, sinkt die Aktivität der COLD-Zellen, während HPC-Neurone nicht entsprechend gehemmt werden. Dadurch verschiebt sich das Gleichgewicht: Der hemmende Einfluss der COLD-Zellen ist reduziert, und die HPC-Aktivität relativ ‚enthemmt‘ beziehungsweise funktionell stärker wirksam.
Konvergenz-/Additionshypothese
Die Konvergenz-/Additionshypothese nimmt an, dass warme und kalte afferente Signale zentral auf multirezeptive/polymodale Neurone konvergieren, vorrangig auf WDR-Neurone. Diese Neurone können sowohl nozizeptive als auch nicht-nozizeptive Inputs verarbeiten. Die Idee ist: Die kombinierte warme und kalte Aktivität wird in solchen multirezeptiven Neuronen linear addiert/integriert, sodass die zentrale Aktivität (spinal und supraspinal) mit zunehmendem Temperaturunterschied zwischen warm und kalt stärker wird. Es wird angenommen, dass die Summierung warmer und kalter Afferenzen spinal eine erhöhte Feuerrate erzeugt, die jener bei stärkeren, typischerweise schmerzhaften Reizen ähnelt.
Eine solche Argumentation wird gestützt von der Beobachtung, dass Wahrscheinlichkeit und Intensität von TGIP tatsächlich linear zunimmt, wenn die Temperaturdifferenz zwischen warm und kalt größer wird (Adam et al., 2014; Bouhassira et al., 2005). So weit, so gut. Aber warum erleben wir schmerzhafte Hitze, nicht schmerzhafte Kälte? Einfache Erklärung: Das System gewichtet warmen Input stärker als kalten Input.
Population Coding Hypothese
Die Additionshypothese und die Disinhibitionshypothese folgen noch stark der ‚traditionellen‘ Spezifitätslogik: Sie suchen nach einem bestimmten Kanal oder Neuronentyp, der TGIP erklärt. Die eine Theorie betont die Summierung warmer und kalter Afferenzen auf WDR-Neuronen, die andere eine veränderte Balance zwischen COOL- und HPC-Aktivität. Die Population Coding Hypothese setzt anders an. Sie fragt nicht, welche einzelne Bahn ‚Schmerz‘ vermittelt, sondern welches Aktivitätsmuster über verschiedene Neuronenpopulationen hinweg entsteht. So können warme und kalte Inputs beispielsweise bereits peripher durch ephaptische Kopplung oder spinal durch lokale/propriospinale Schaltkreise miteinander interagieren.
„Population Coding geht davon aus, dass bestimmte sensorische Merkmale – wie die Qualität oder Intensität eines thermischen Reizes – durch die durchschnittliche Aktivität einer Reihe von Neuronenpopulationen kodiert werden, gewichtet nach der Varianz innerhalb jeder Population.“ (Fardo et al., 2020)
Durchschnitt und Varianz der Aktivität: Der Mittelwert beschreibt eine Art zusammenfassende Schätzung, die Varianz die Unsicherheit/Zuverlässigkeit beziehungsweise das Signal-Rausch-Verhältnis. Ihr gemeinsamer, kombinierter Output liefert dem Nervensystem eine probabilistische Schätzung: Wie wahrscheinlich ist es, dass hier potenziell Gewebe bedroht ist?
Conclusio Neurophysiologie
Die drei vorgestellten Hypothesen unterscheiden sich zwar in ihren konkreten neurophysiologischen Erklärungsansätzen, schließen sich jedoch nicht zwangsläufig gegenseitig aus. Denkbar ist, dass TGIP durch das Zusammenwirken mehrerer Mechanismen entsteht. Gemeinsam ist allen Hypothesen, dass sie die entscheidenden Prozesse nicht in der Peripherie, sondern auf spinaler und/oder supraspinaler Ebene verorten.
Doch weshalb könnte das für die klinische Praxis relevant sein? Sprechen wir hier lediglich über ein faszinierendes experimentelles Phänomen – oder lässt sich daraus tatsächlich etwas für den Umgang mit Menschen mit Schmerzen ableiten?
Klinische Relevanz
Ein zentrales Ziel der mechanismen-basierten Schmerzversorgung besteht darin, die zugrundeliegenden neurophysiologischen Mechanismen eines Schmerzgeschehens möglichst präzise einzuschätzen. Vereinfacht ausgedrückt stellt sich häufig die Frage, ob überwiegend nozizeptive, neuropathische oder noziplastische Prozesse das klinische Bild bestimmen. Diese Einschätzung kann therapeutische Konsequenzen haben und beeinflussen, welche Interventionen voraussichtlich am sinnvollsten sind (Shraim et al., 2020; Vardeh et al., 2016).
Kann die TGI also einen Beitrag zu genau dieser mechanismen-basierten Einordnung leisten?
Alle derzeit diskutierten Erklärungsansätze betonen spinale und/oder supraspinale Prozesse. Eine stärkere Ausprägung von TGIP könnte daher auf eine erhöhte zentrale Erregbarkeit oder Sensibilisierung hinweisen.
TGIP: ein möglicher Marker für zentrale Sensibilisierung?
Pharmakologische Evidenz
Kern et al. (2008) liefern ein pharmakologisches Argument dafür, dass TGIP zumindest teilweise von zentralen, NMDAR-abhängigen Verstärkungsmechanismen abhängt. Die Arbeitsgruppe hat gesunden Personen eine niedrige, nicht-narkotisierende Ketamin-Dosis intravenös gegeben. Ketamin blockiert NMDARs. Danach war der durch die Grill-Stimulation ausgelöste Schmerz reduziert, während Reaktionen auf andere noxische oder nicht-noxische Reize unverändert blieben. Ketamin hat offenbar nicht nur allgemein betäubt oder die sensorische Wahrnehmung unspezifisch reduziert. Der Effekt betraf spezifisch TGIP.
Warum ist das für zentrale Sensibilisierung relevant? NMDARs sind zentral an aktivitätsabhängiger Verstärkung synaptischer Transmission beteiligt. In Schmerzmodellen werden sie häufig mit Phänomenen wie Wind-up in Verbindung gebracht. Wenn also ein NMDAR-Antagonist TGIP selektiv abschwächt, dann spricht das dafür, dass TGIP auf zentraler Verarbeitung und zentraler Verstärkung beruht. TGIP scheint im Unterschied zu ‚typischem‘ nozizeptivem Schmerz Mechanismen mit noziplastischem Schmerz zu teilen, insbesondere zentrale Sensibilisierung.
Klinische Evidenz
Wenn TGIP tatsächlich zentrale Verstärkungsmechanismen abbildet, dann müsste das Phänomen gerade bei jenen Patientengruppen ausgeprägter sein, deren Schmerz mit veränderter zentraler Verarbeitung assoziiert wird. Genau das wurde bei Fibromyalgie und Reizdarmsyndrom beobachtet: TGIP trat häufiger auf, wurde intensiver und unangenehmer erlebt und korrelierte zudem mit der klinischen Schmerzintensität (Adam et al., 2023). Beispielsweise tritt die Illusion bei Fibromyalgie-Patienten bereits bei deutlich geringeren Temperaturdifferenzen zwischen den warmen und kalten Reizen auf als bei Gesunden. Diese Befunde zeigen, dass die TGI ein experimentelles Fenster auf zentrale Verarbeitungsprozesse sein könnte… besonders dort, wo Schmerz nicht hinreichend durch (periphere) Nozizeption erklärbar scheint.
Conclusio
Die bisherigen Befunde sprechen dafür, dass die TGI tatsächlich Aspekte der zentralen Verarbeitung widerspiegeln könnte. Ob sich TGIP künftig als klinischer Marker zentraler Sensibilisierung etablieren lässt, ist jedoch weiterhin offen. Zudem erscheint es wenig wahrscheinlich, dass ein einzelnes Verfahren die Komplexität zentraler Mechanismen vollständig erfassen kann. Vielversprechender dürfte daher ein multimodaler Ansatz sein, bei dem die TGI gemeinsam mit anderen Verfahren wie der zeitlichen Summation (TSP) oder der konditionierten Schmerzmodulation (CPM) beurteilt wird.
Referenzen
Adam, F., Alfonsi, P., Kern, D., & Bouhassira, D. (2014). Relationships between the paradoxical painful and nonpainful sensations induced by a thermal grill. Pain, 155(12), 2612–2617. https://doi.org/10.1016/j.pain.2014.09.026
Adam, F., Jouët, P., Sabaté, J.-M., Perrot, S., Franchisseur, C., Attal, N., & Bouhassira, D. (2023). Thermal grill illusion of pain in patients with chronic pain: a clinical marker of central sensitization? Pain, 164(3), 638–644. https://doi.org/10.1097/j.pain.0000000000002749
Bouhassira, D. (2025). Thermal grill–induced pain: further evidence for its pathophysiological and clinical relevance. Pain, 166(12), 2683–2684. https://doi.org/10.1097/j.pain.0000000000003775
Bouhassira, D., Kern, D., Rouaud, J., Pelle-Lancien, E., & Morain, F. (2005). Investigation of the paradoxical painful sensation (‘illusion of pain’) produced by a thermal grill. Pain, 114(1), 160–167. https://doi.org/10.1016/j.pain.2004.12.014
Fardo, F., Beck, B., Allen, M., & Finnerup, N. B. (2020). Beyond labeled lines: A population coding account of the thermal grill illusion. Neuroscience & Biobehavioral Reviews, 108, 472–479. https://doi.org/10.1016/j.neubiorev.2019.11.017
Kern, D., Pelle-lancien, E., Luce, V., & Bouhassira, D. (2008). Pharmacological dissection of the paradoxical pain induced by a thermal grill. Pain, 135(3), 291–299. https://doi.org/10.1016/j.pain.2007.12.001
Shraim, M. A., Massé-Alarie, H., Hall, L. M., & Hodges, P. W. (2020). Systematic Review and Synthesis of Mechanism-based Classification Systems for Pain Experienced in the Musculoskeletal System. The Clinical Journal of Pain, 36(10), 793–812. https://doi.org/10.1097/AJP.0000000000000860
Vardeh, D., Mannion, R. J., & Woolf, C. J. (2016). Toward a Mechanism-Based Approach to Pain Diagnosis. The Journal of Pain, 17(9), T50–T69. https://doi.org/10.1016/j.jpain.2016.03.001
Kommentare