Dopamin und Serotonin sind essenzielle Neurotransmitter, die eine Vielzahl von Funktionen im menschlichen Gehirn und Körper steuern. Dieser Artikel beleuchtet die Rolle von Dopamin und Serotonin, insbesondere im Kontext der Basalganglienfunktion, und diskutiert ihre Bedeutung für verschiedene neurologische und psychiatrische Erkrankungen.
Dopamin: Ein vielseitiger Neurotransmitter
Dopamin ist ein Monoamin-Neurotransmitter, der aus der Aminosäure Tyrosin synthetisiert wird und eine Vorstufe von Noradrenalin und Adrenalin darstellt. Es wirkt nicht nur im Nervensystem, sondern auch auf das Immunsystem, indem es B-Lymphozyten, T-Lymphozyten, natürliche Killerzellen, dendritische Zellen, Makrophagen und Gliazellen beeinflusst. Dopamin ist auch an der Regulation von Wachheit und Schlaf beteiligt und beeinflusst den circadianen Rhythmus. Es wird rhythmisch in den Amakrinzellen der Retina des Auges produziert und wirkt auf den suprachiasmatischen Kern, der die biologische Hauptuhr darstellt. Dopamin und Melatonin hemmen sich gegenseitig.
Dopamin und Belohnung
Grundsätzlich erhöht sich die Feuerrate dopaminerger Nervenzellen bei erwarteter Belohnung. Akuter Stress erhöht Dopamin und Noradrenalin, sogar bei parallel bestehendem chronischem Stress. In einer Studie erhöhte akuter Stress die Dopaminwerte im medialen präfrontalen Cortex (mPFC) um 54 % und die Noradrenalinwerte um 50 %. Bei bestehendem chronischem Stress erhöhte hinzukommender akuter Stress Dopamin um 42 % und Noradrenalin um 92 %. Interessanterweise konnte Diazepam den Anstieg von Dopamin und Noradrenalin bei rein akutem Stress reduzieren, jedoch nicht bei bestehendem chronischem Stress.
Weitere Funktionen dopaminerger Nervenzellen
Dopaminerge Nervenzellen haben weitere Funktionen, die über die Ausschüttung des Neurotransmitters Dopamin hinausgehen. Diese Unterschiede werden am Beispiel von Parkinson sichtbar. Eine Studie verglich genetische Mausmodelle mit identischem schweren chronischen Dopamin-Verlust.
Dopamin und die Retina
Dopamin wird rhythmisch in den Amakrinzellen der Netzhaut (Retina) produziert. Die Netzhaut wird durch Dopamin ebenso wie von Melatonin gesteuert. Die Netzhaut leitet Lichtinformationen an den suprachiasmatischen Kern, der die biologische Hauptuhr darstellt. Der suprachiasmatische Kern sendet Timing-Informationen zur rhythmischen Regulation von dopaminergen Gehirnregionen und des durch diese gesteuerte Verhaltensweisen (Fortbewegung, Motivation). Die intrinsisch photosensitiven retinalen Ganglienzellen (ipRGCs) vom M1-Typ modulieren neben dem Pupillenreflex auch die Melatonin- und Dopaminausschüttung. Anders als die Stäbchen- und Zapfen-Photorezeptorzellen in der Netzhaut, die für das Nacht- und Farbensehen zuständig sind, sind die ipRGCs für die nicht-bildgebende Wahrnehmung der Lichtintensität verantwortlich. Ein Dopaminmangel (wie er für ADHS typisch ist) könnte daher tagsüber eine zu geringe Melatoninhemmung bewirken. Dies könnte möglicherweise die bei von manchen ADHS-Betroffenen berichtete starke Tagesmüdigkeit mit erklären.
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Dopamin und DARPP-32
Es handelt sich um ein Phosphoprotein, das mittels Dopamin durch Proteinkinase A phosphoryliert wird und in D1-Dopaminrezeptoren) vorkommt. Der Phosphorylierungszustand von DARPP-32 kann durch Dopamin und durch zyklisches AMP reguliert werden.
Dopamin und Myopie
ADHS-Betroffene, die ADHS-Medikamente nehmen, haben ein um 39 % verringertes Myopie-Risiko.
Dopamin und Signalübertragung
Dopamin moduliert die nichtdopaminerge Signalübertragung.
Dopamin und Entzündungsregulierung
Dopamin ist an der Entzündungsregulierung beteiligt.
Die Basalganglien: Schaltzentrale der Bewegung
Die Basalganglien sind eine Gruppe von Kernen im Gehirn, die eine zentrale Rolle bei der Steuerung von Bewegungen, der Handlungsplanung, dem Lernen und der Motivation spielen. Erkrankungen der Basalganglien können zu einer Vielzahl von Bewegungsstörungen führen. Die Hirnrezeptorszintigraphie ermöglicht, z. B. durch Darstellung des dopaminergen Systems (Synapsen, in denen Dopamin als Neurotransmitter verwendet wird), die Lokalisation der Basalganglienstörung zu bestimmen und erlaubt somit eine Differentialdiagnostik der Bewegungsstörungen.
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Hirnrezeptorszintigraphie: Visualisierung der Neurotransmission
Die Hirnrezeptorszintigraphie ist eine nuklearmedizinische Methode, die die Visualisierung der Neurotransmitter-Transmission im Zentralnervensystem (ZNS) ermöglicht. Sie liefert wertvolle Informationen über die funktionale Integrität der Neurotransmittersysteme im Gehirn und ist entscheidend für die Früherkennung, Diagnose und Behandlungsplanung von neurodegenerativen Krankheiten, Bewegungsstörungen und psychischen Erkrankungen.
Das Prinzip der nuklearmedizinischen Untersuchung beruht darauf, dass die synaptische Neurotransmission mit radioaktiv markierten Rezeptorliganden (Bindungspartner der Rezeptoren) sichtbar gemacht wird. Die Darstellung von Hirnrezeptoren lässt eine Aussage über die korrekte Funktion der Neurotransmission zu. Funktionelle Störungen können somit bereits sehr frühzeitig festgestellt werden, zum Teil vor Auftreten morphologischer Veränderungen oder sogar klinischer Symptomatik.
Erkrankungen der Basalganglien
Erkrankungen der Basalganglien führen zu Störungen des Bewegungsablaufs. Abhängig von Lokalisation und Art der Schädigungen dominiert eine unterschiedliche klinische Symptomatik: Rigor (erhöhter Muskeltonus), Tremor (Zittern), Akinese (hochgradige Bewegungsarmut) oder überschießende Bewegungen (typisch für Chorea Huntington). Die Trias aus Rigor, Tremor und Akinese ist ein typischer Symptomenkomplex, der als Parkinsonismus bezeichnet wird. Ursächlich ist meist der Morbus Parkinson, es können aber auch andere neurodegenerative Erkrankungen eine Rolle spielen. Je nach Ursache sind verschiedene Basalganglienanteile betroffen.
Anwendung der Hirnrezeptorszintigraphie
Die Hirnrezeptorszintigraphie wird zur Diagnose und Differenzierung von Parkinson-Syndromen und anderen Bewegungsstörungen eingesetzt. Sie kann auch bei Epilepsie zur Lokalisation des anfallsauslösenden Herdes verwendet werden.
Vor der Untersuchung ist auf ein rechtzeitiges Absetzen ggf. eingenommener Medikamente zu achten. So müssen beispielsweise die bei Morbus Parkinson verwendeten Dopaminrezeptorantagonisten möglichst eine Woche vor Durchführung der Hirnrezeptorszintigraphie abgesetzt werden, damit eine unverfälschte Beurteilung der Dopaminrezeptoren möglich ist.
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Bei der intravenösen Applikation des Radiopharmakons kann es zu lokalen Gefäß- und Nervenläsionen (Verletzungen) kommen. Die Strahlenbelastung durch das verwendete Radionuklid ist eher als gering einzustufen. Trotzdem ist das theoretische Risiko eines strahleninduzierten Spätmalignoms erhöht, sodass eine Nutzen-Risiko-Abwägung erfolgen sollte.
Insulin und Dopamin: Eine komplexe Wechselwirkung
Das Hormon Insulin, das nach dem Essen ausgeschüttet wird und den Stoffwechsel im menschlichen Körper reguliert, wirkt im Gehirn auch auf den wichtigsten Botenstoff für das Belohnungssystem, Dopamin. Studien zeigen, dass Insulin den Dopamin-Spiegel in einer spezifischen Region des Gehirns (Striatum) senkt, die u.a. Belohnungsprozesse und kognitive Funktionen reguliert. Dieses Zusammenspiel kann ein wichtiger Treiber für die vom Gehirn abgeleitete Kontrolle über den Glukosestoffwechsel und das Essverhalten sein.
Auswirkungen auf Fettleibigkeit und Diabetes
Veränderungen in diesen Systemen werden mit Fettleibigkeit und Diabetes in Verbindung gebracht. Forschende haben untersucht, wie die beiden Systeme speziell im Belohnungszentrum des Gehirns (Striatum) interagieren. Die Auswertung der Untersuchung zeigte, dass das intranasal verabreichte Insulin den Dopamin-Spiegel senkte und zu Veränderungen in der Netzwerkstruktur des Gehirns führte.
Weitere Forschung
In weiteren Studien wollen die Forschenden Veränderungen im Zusammenspiel von Dopamin und Insulin bei adipösen bzw. diabetischen Teilnehmern untersuchen. Diese Menschen leiden oft an einer Insulin-Resistenz des Gehirns. Die Forschenden gehen daher davon aus, dass diese Resistenz die normale insulininduzierte Regulation des Dopamin-Spiegels im Belohnungszentrum verhindert. In weiteren Schritten wollen sie die normale Wirkung des Insulins im Gehirn durch verhaltensbezogene und/oder pharmazeutische Interventionen wiederherstellen.
Depression bei Parkinson (DPD): Eine häufige Komplikation
Bis zu 40 % der Patienten mit Parkinson-Krankheit (PD) entwickeln eine klinisch relevante Depression, welche die Lebensqualität massiv beeinträchtigt und mit kognitiven, motorischen und funktionellen Einschränkungen einhergeht.
Pathophysiologie
Die Pathophysiologie der Depression bei Parkinson (DPD) ist bislang unklar, es werden Dysfunktionen in den subkortikalen Nuclei und im präfrontalen Cortex, in limbischen Regelkreisen, zu Monoamin- und Indolamin-Systemen (Dopamin, Serotonin, Noradrenalin) vermutet.
Symptome
Typische Symptome sind traurige Verstimmung, Interessensverlust, Erschöpfbarkeit, Hilflosigkeit, Antriebsminderung, Dysphorie, Irritierbarkeit und Pessimismus. Die Diagnose wird durch die Überlappung mit PD-Symptomen erschwert; es sollten psychometrische Depressionsskalen zum Einsatz kommen.
Diagnose und Therapie
DPD ist unterdiagnostiziert und im klinischen Alltag unterbehandelt. Die Therapie beinhaltet antidepressive Medikation und Verhaltensinterventionen. Dopaminagonisten zeigen gewisse antidepressive Effekte, bislang liegen aber fast keine fundierten randomisierten klinischen Studien (RCTs) vor. Selektive Serotonin-Wiederaufnahmehemmer (SSRI) und Serotonin-Noradrenalin-Wiederaufnahmehemmer (SNRI) haben zufriedenstellende Effektivität. Trizyklische Antidepressiva zeigen gute Effekte zur Verbesserung der Depression, die unerwünschten Arzneimittelwirkungen und potenziellen Interaktionen sind allerdings zu berücksichtigen.
Bedeutung von Serotonin bei Depression
Die Imbalance und Veränderungen von Dopamin, Serotonin (5-HT) und Noradrenalin werden als eine primäre Ursache von DPD angesehen. Post-mortem-Bindungsstudien und In-vivo-Bildgebungsstudien haben die Relevanz des 5-HT-Systems belegt.
Dopamin-Systeme: Neuronale Verbindungen und ihre Funktionen
Dopamin-Systeme sind neuronale Verbindungen, in denen Dopamin in verschiedenen Bereichen des Gehirns wirkt, um wichtige Informationen wie exekutives Denken, Wiedererkennung, Belohnungs- und Lustgefühle sowie willkürliche motorische Bewegungen zu vermitteln.
Mesolimbisches System
Dieser Weg ist stark an dem bekanntesten Funktionsprinzip von Dopamin beteiligt: Vergnügen und Belohnung. Dieses System beginnt im ventralen tegmentalen Bereich (VTA) und projiziert dopaminerge Aktionspotentiale auf den Nucleus Accumbens (NAc). Hier im NAc vermittelt Dopamin in erster Linie Gefühle der Freude und Belohnung. Eine Überstimulation kann jedoch zu einem intensiven Verlangen führen.
Mesokortikales System
Wie im mesolimbischen System stammen dopaminerge Projektionen innerhalb des mesokortikalen Systems aus dem VTA. Vom VTA aus wandern Aktionspotentiale in Gebiete des präfrontalen Kortex (PFC). Der PFC ist stark an der Wahrnehmung, dem Arbeitsgedächtnis und der Entscheidungsfindung beteiligt.
Nigrostriatales System
Die Dopaminprojektionen beginnen in der Substantia nigra und gehen zum Caudate und Putamen, Teilen der Basalganglien. Dopaminerge Neuronen im Nigrostriatalsystem stimulieren eine gezielte Bewegung.
Tuberoinfundibuläres System
Die Dopamin-Neuronen in diesem System haben ihren Ursprung in den bogenförmigen und periventrikulären Kernen des Hypothalamus und projizieren in die infundibuläre Region des Hypothalamus, insbesondere in die mittlere Eminenz. In diesem System wird Dopamin in den Portalkreislauf freigesetzt, der diese Region mit der Hypophyse verbindet. Prolaktin ist ein von der Hypophyse ausgeschiedenes Protein, das die Milchproduktion ermöglicht. Die Blockierung der D2-Rezeptoren verhindert die Hemmfunktion von Dopamin und erhöht so den Prolaktinspiegel im Blut.
Neurotransmission: Die biochemische Signalübertragung
Die Funktionsweise der meisten Synapsen beruht auf biochemischer Signalübertragung mittels Neurotransmittern. Die Neurotransmitter werden präsynaptisch ausgeschüttet und docken postsynaptisch an spezifische Rezeptoren anderer Neuronen an, wo sie erregend oder hemmend wirken. Jeder Neurotransmitter definiert ein System - eine spezifische Maschinerie, die für Synthese, Ausschüttung, Wirkung, Wiederaufnahme und Abbau des Transmitters zuständig ist, etwa das dopaminerge System oder das cholinerge System.
Die Rolle von Acetylcholin, Serotonin und Dopamin
Acetylcholin, Serotonin und Dopamin spielen eine besondere Rolle bei der Regulierung umfassender Zustände wie Schlaf oder Gemütsverfassung. Sie wirken langsamer und länger anhaltend, weil sie nicht nur in jeweils einer einzelnen Synapse ausgeschüttet werden, sondern diffus in einem größeren Gebiet.
Acetylcholin
Acetylcholin wurde als erster Neurotransmitter entdeckt. Im Gehirn finden sich cholinerge Neuronen, die an der Steuerung von Aufmerksamkeit und der Erregbarkeit des Gehirns während Schlaf- und Wachrhythmus beteiligt sind.
Serotonin
Neurone, die Serotonin als Botenstoff ausschütten, beeinflussen zum Beispiel das Schmerzempfinden, Schlaf- und Wachrhythmus und den Gemütszustand. Serotoninmangel kann zu depressiven Verstimmungen, Angst und Aggressionen führen. Viele Antidepressiva und Medikamente gegen Angst erhöhen gezielt die Menge verfügbaren Serotonins im Gehirn.
Dopamin
Dopaminhaltige Zellen finden sich vielerorts im Zentralnervensystem, zwei dopaminerge Neuronengruppen haben aber besondere Bedeutung. Eine befindet sich in der Substantia nigra im Mittelhirn und sendet ihre Nerven ins Striatum. Dieser Pfad ist für die Steuerung willkürlicher Bewegungen wichtig: Degenerieren die dopaminergen Zellen in der Substantia nigra, löst das verhängnisvolle motorische Störungen aus - die Parkinson-Krankheit. Das zweite dopaminerge System geht ebenfalls aus dem Mittelhirn hervor, aus dem ventralen Tegmentum. Von dort reichen die Axone in bestimmte Teile des Großhirns und des limbischen Systems. Bekannt ist dieser Pfad deshalb auch als mesocorticolimbisches System. Ihm wird eine wichtige Rolle bei der Motivation zugeschrieben: Es gilt als Belohnungssystem, das bei Tier wie Mensch überlebensdienliche Verhaltensweisen verstärkt.
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