Dopamin ist ein Neurotransmitter, der eine entscheidende Rolle bei verschiedenen Gehirnfunktionen spielt, darunter Bewegungssteuerung, Belohnungsverhalten, Motivation, Impulsivität und das Arbeitsgedächtnis. Störungen der Dopamin-Signalübertragung werden mit Erkrankungen wie Parkinson und Schizophrenie in Verbindung gebracht. Die Erforschung der Rolle von Dopamin im Gehirn, insbesondere im Zusammenhang mit dem Arbeitsgedächtnis, ist daher von großem Interesse.
Dopamin: Ein vielseitiger Neurotransmitter
Dopamin produzierende Neurone sind spezialisierte Nervenzellen, die Dopamin als Botenstoff nutzen. Während der Gehirnentwicklung reifen sie zu verschiedenen Subtypen heran und bilden Verbindungen zu zahlreichen anderen wichtigen Gehirnregionen. Diese Neuronen spielen eine Schlüsselrolle bei der Signalübertragung im Gehirn.
Dopamin und Glutamat: Eine "Datenautobahn" im Gehirn
Wissenschaftler der Universität Bonn haben im Tiermodell eine Art "Datenautobahn" entdeckt, bei der Dopamin produzierende Neuronen zusätzlich zu Dopamin auch Glutamat als Botenstoff verwenden. Glutamat ist ein weiterer wichtiger Neurotransmitter im Gehirn. „Während die Signalübertragung zwischen den Nervenzellen mittels Dopamin vergleichsweise langsam ist, haben die von uns untersuchten Dopamin produzierende Neurone zusätzlich Glutamat als Botenstoff benutzt“, berichtet Milan Pabst vom Labor für Experimentelle Epileptologie und Kognitionsforschung des Universitätsklinikums Bonn. Durch die Verwendung von Glutamat können diese Neuronen Signale schneller und effizienter an andere Gehirnregionen senden.
Der präfrontale Cortex: Das Kontrollzentrum des Gehirns
Die Forscher fanden heraus, dass das von den Dopamin produzierenden Neuronen freigesetzte Glutamat lokale hemmende Neurone im präfrontalen Cortex aktiviert. Der präfrontale Cortex ist ein wichtiger Bereich im Gehirn, der für höhere kognitive Funktionen wie Aufmerksamkeit, Entscheidungsfindung und das Arbeitsgedächtnis zuständig ist. Die durch Glutamat aktivierten hemmenden Neurone regulieren wiederum die Signalübertragung im präfrontalen Cortex und beeinflussen, ob ein Signal weitergeleitet wird oder nicht. „Deshalb kommt dem identifizierten Glutamatweg bei der Signalverarbeitung im präfrontalen Cortex eine zentrale Bedeutung zu“, sagt Prof. Dr. Heinz Beck vom Labor für Experimentelle Epileptologie und Kognitionsforschung des Bonner Uniklinikums.
Die Entwicklungsgeschichte der Dopamin produzierenden Neuronen
Die Wissenschaftler untersuchten auch die Entwicklungsgeschichte der Dopamin produzierenden Nervenzellen. Sie schalteten in Mäusen ein Gen stumm, das für die Produktion von Vorläuferzellen verantwortlich ist, aus denen die Dopamin-Nervenzellen entstehen, die das Netzwerk zum präfrontalen Cortex aufbauen. „In den Tieren konnten daraufhin keine Vorläuferzellen mehr produziert werden, aus denen die Dopamin-Nervenzellen, die das wichtige Netzwerk zur Schaltzentrale im präfrontalen Cortex aufbauen, hervorgehen“, sagt Dr. Anna Kabanova, frühere Mitarbeiterin von Dr. Blaess.
Lesen Sie auch: Das Gehirn: Langsames Absterben verstehen
Auswirkungen auf das Verhalten
Um die Auswirkungen der fehlenden Dopamin produzierenden Zellen zu untersuchen, führten die Wissenschaftler Aufmerksamkeitsversuche mit den Mäusen durch. Die Mäuse wurden mit Futter belohnt, wenn sie möglichst rasch ein aufblinkendes Licht anstupsten. „Die Ergebnisse zeigten, dass die Tiere, in denen genetisch die Dopamin produzierenden Zellen ausgeschaltet waren, keine offensichtliche Veränderung in ihrer Aufmerksamkeit und Impulskontrolle, aber ein deutlich verstärktes Beharren auf bereits einstudierten Verhaltensmustern aufwiesen“, sagt Prof. Sauvage. Dieses krankhafte Festhalten an Vorstellungen oder die Wiederholung von Wörtern oder Bewegungen in unpassenden Zusammenhängen tritt auch bei psychischen Erkrankungen wie Zwangsstörungen oder Schizophrenie auf, in denen die Funktion des präfrontalen Cortex gestört ist.
Dopamin und das Arbeitsgedächtnis im Alter
Ältere Erwachsene haben im Durchschnitt weniger Dopamin als jüngere Erwachsene und zeigen niedrigere Arbeitsgedächtnisleistungen. Um die Zusammenhänge zwischen Dopamin, Variabilität der Gehirnaktivität und Alter zu erhellen, untersuchte ein internationales Forscherteam die Wirkung der chemischen Substanz D-Amphetamin auf die Gehirnaktivität und das Arbeitsgedächtnis. Die Forscher teilten zunächst jüngere und ältere Erwachsene in zwei Gruppen ein. Die erste Gruppe erhielt in der ersten Sitzung D-Amphetamin und in der zweiten Sitzung ein Placebo; bei der zweiten Gruppe war es umgekehrt. In beiden Sitzungen wurde die Variabilität der Hirnaktivität mit einem Magnetresonanztomographen (MRT) gemessen, während die Probanden eine Arbeitsgedächtnisaufgabe bearbeiteten.
Ergebnisse der Studie
Die Ergebnisse zeigten, dass die Gabe von D-Amphetamin bei älteren Erwachsenen die Variabilität der Hirnaktivität steigerte und dass diese Steigerung zu einer Erhöhung der geistigen Leistungsfähigkeit führen kann. Allerdings trat dieser Effekt nur bei denjenigen älteren Erwachsenen auf, die das D-Amphetamin in der ersten Sitzung erhielten. Bei Probanden, die das D-Amphetamin in der zweiten Sitzung erhielten, kam es zwar ebenfalls zu einer Steigerung der Gehirnaktivität, die positiven Folgen für die Leistungen in der Arbeitsgedächtnisaufgabe blieben jedoch aus. „Die Ergebnisse für die zweite Gruppe waren wirklich überraschend“, kommentiert Erstautor Douglas Garrett, Forscher am Max Planck UCL Centre for Computational Psychiatry and Ageing Research.
Einschränkungen und Vorsichtshinweise
Es ist wichtig zu beachten, dass die Ergebnisse dieser Studie keine Grundlage für eine Empfehlung an ältere Erwachsene bieten, D-Amphetamin einzunehmen. „So eine Empfehlung verbietet sich derzeit“, ergänzt Douglas Garrett. Die Einnahme von D-Amphetamin kann Nebenwirkungen haben und sollte nur unter ärztlicher Aufsicht erfolgen.
Noradrenalin, Dopamin und altersbedingte Gedächtniseinschränkungen
Forschende des Max-Planck-Instituts für Bildungsforschung und der University of Southern California ist der Nachweis gelungen, dass die Nervenbotenstoffe Noradrenalin und Dopamin unterschiedlich an altersbedingten Gedächtniseinschränkungen beteiligt sind. Mit zunehmendem Alter breiten sich Tau-Proteine von diesen Hirnkernen auf gedächtnisrelevante Hirnareale aus und die Dopamin- und Noradrenalin-produzierenden Zellen sterben ab. Das führt wiederum zu altersbedingten kognitiven Beeinträchtigungen.
Lesen Sie auch: Alles über neuronale Geschwindigkeitstests
Die Rolle von Noradrenalin und Dopamin
Die Forschenden konnten mithilfe der Magnetresonanztomografie (MRT) bei älteren Erwachsenen zeigen, dass Veränderungen in Hirnregionen, die primär Noradrenalin produzieren, mit dem episodischen Gedächtnis zusammenhingen. Hingegen waren Veränderungen in Regionen, in denen vor allem der Botenstoff Dopamin gebildet wird, mit dem Arbeitsgedächtnis verknüpft. „Das Ziel unserer Studie bestand darin, das Wissen über die jeweilige Rolle der dopaminergen und noradrenergen Hirnkerne bei Gedächtnisverlusten im höheren Lebensalter zu erweitern, da diese Regionen entscheidend an der Entwicklung der Alzheimer-Demenz beteiligt sind“, sagt Studienleiter Martin Dahl.
Das Arbeitsgedächtnis trainieren
Das Arbeitsgedächtnis spielt in Lernprozessen eine bedeutsame Rolle. Wenn es nicht optimal arbeitet, dann können neue Informationen nicht lange im Bewusstsein gehalten und auch nicht reibungslos im Langzeitgedächtnis abgespeichert werden. Vor allem beim Erlernen des Schreibens, Rechnens oder einer Fremdsprache sowie beim Erfüllen von Arbeitsaufträgen, stellt ein nicht optimal funktionierendes Arbeitsgedächtnis für viele Schüler:innen eine großen Herausforderungen dar.
Strategien zur Verbesserung des Arbeitsgedächtnisses
Es gibt verschiedene Möglichkeiten, das Arbeitsgedächtnis gezielt zu trainieren und die eigenen kognitiven Fähigkeiten zu verbessern. Dazu gehören Gedächtnistraining, Bewegung, Entspannung und Achtsamkeit.
Gedächtnistraining
Ein Gedächtnistraining beinhaltet arbeitsgedächtnisfreundliche Strategien. Aufgrund der mentalen Visualisierungen und Verortungen, können sich Zahlen, Daten und Faken um ein Vielfaches leichter eingeprägt werden.
Bewegung
Studien zeigen, dass körperliche Aktivität die kognitive Leistung steigert und das Arbeitsgedächtnis verbessert. Die gezielten Life Kinetik-Übungen fördern die Konnektivität zwischen verschiedenen Gehirnregionen und verbessern die geistige Flexibilität und Konzentrationsfähigkeit.
Lesen Sie auch: Juvenile NCL: Ein umfassender Überblick
Entspannung
Wenn der Körper und Geist entspannt sind, verbessert sich die Konzentration und die Fähigkeit, Informationen zu verarbeiten. Stress hingegen kann das Lernverhalten erheblich beeinträchtigen. Techniken wie Atemübungen oder Meditation helfen, den Spiegel des Stresshormons Cortisol zu senken und das Gehirn in einen optimalen Zustand für das Lernen zu versetzen.
Achtsamkeit
Durch regelmäßige Achtsamkeitsübungen können Konzentration und Gedächtnisleistung verbessert werden. Studien zeigen, dass Achtsamkeitspraktiken die Gedächtnisleistung steigern können.
Neurotransmitter und ihre Bedeutung für die Neuropsychologie
Neurotransmitter haben auch auf neuropsychologischer Ebene eine große Bedeutung. Bei Senioren, Demenzkrankheiten und psychischen Störungen wie Depressionen werden bewusst Therapiemaßnahmen angewandt, mit denen speziell die Neurotransmitter angeregt werden. Gezieltes Gedächtnistraining, Übungen für das logische Denken, die räumliche Wahrnehmung und das allgemeine Sprachverständnis sind ein effektives Training, auch weil das Belohnungspotential der Patienten relativ hoch ist und ein Erfolgserlebnis schnell erzielt werden kann. Dadurch gewinnt der Teilnehmer Selbstvertrauen dazu, das innere Wohlbefinden steigt - womit der biochemische Haushalt in unserem Körper im Einklang ist und der Transport von Informationen durch Neurotransmitter störungsfrei vonstatten gehen kann.
Die wichtigsten Neurotransmittersysteme
Nervenzellen sind meist auf einen bzw. ganz wenige Neurontransmitter spezialisiert. Am bekanntesten sind die Neurontransmitter Systeme wie das cholinerge System, das mit dem Transmitter Acetylcholin arbeitet, das serotonerge System mit Serotonin verbunden und das dopaminerge System welches mit dem Neurontransmitter Dopamin arbeitet. Gemeinsam haben diese drei Netzwerke die Eigenschaft, dass sie kleine Ursprungsgebiete besitzen, also nur von ganz bestimmten Neuronengruppen produziert werden. Ihr Einfluss jedoch geht über einhunderttausend Synapsen pro beteiligtem Neuron und reicht in sehr unterschiedliche Stellen im Gehirn hinein.
Acetylcholin
Acetylcholin ist für das vegetative Nervensystem eine Schnittstelle zwischen den motorischen Nerven und der Skelettmuskulatur. Im Gehirn sind ebenfalls cholinerge Neuronen zu finden, die bei der Steuerung von Aufmerksamkeit und Erregbarkeit des Gehirns im Laufe des Schlaf- und Wachrhythmuses beteiligt sind und beim Lernen eine entscheidende Rolle spielen.
Serotonin
Serotonin nimmt Einfluss auf das Schmerzempfinden, den Schlaf- und Wachrhythmus und den Gemütszustand. Ein Serotoninmangel ist die Ursache für depressive Verstimmungen, Angstzustände und Aggressionen.
Dopamin
Dopamin ist für die Steuerung willkürlicher Bewegungen wichtig und spielt eine wichtige Rolle bei der Motivation und ist deshalb auch als Belohnungssystem bekannt.
Tonisches und phasisches Dopamin
Dopamin kann auf zwei Arten freigesetzt werden: tonisch und phasisch. Tonisches Dopamin wird kontinuierlich und in geringen Mengen freigesetzt, während phasisches Dopamin in kurzen, intensiven Schüben freigesetzt wird.
Tonisches Dopamin
Tonische Dopaminausschüttung erfolgt insbesondere aus Varikositäten, also extrasynaptisch, in den Extrazellulärraum. Von dort diffundiert Dopamin zu Autorezeptoren oder zu (extrasynaptischen) Rezeptoren des eigenen Neurons oder anderer, teilweise relativ weit entfernt liegender, Neurone (Volumentransmission). Der basale (extrazelluläre) Dopaminspiegel ist das Ergebnis eines Gleichgewichts zwischen tonischer Freisetzung und DAT- (und NET)-Wiederaufnahme. Der basale Dopaminspiegel liegt unterhalb der Aktivierungsschwelle der meisten Dopaminrezeptoren.
Phasisches Dopamin
Phasische Freisetzung ist abhängig von der gleichzeitigen Rekrutierung einer tonisch feuernden Dopamin-Neuronenpopulation und beruht auf der Synchronität zwischen den Dopamin-Neuronen. Stimuli wie Belohnungs- oder andere Reize aktivieren kurze Salven von Aktionspotentialen aus dopaminergen Neuronen. Diese Dopaminbursts erfolgen mit rund 20 Hz und mehr, dauern weniger als 200 ms an und schütten große Mengen an Dopamin aus Speichervesikeln in der Präsynapse in den synaptischen Spalt aus.
Dopamin und Entscheidungsprozesse
Ein Forschungsteam der Universität zu Köln hat in einer umfangreichen Studie den Einfluss von Dopamin auf Entscheidungsprozesse untersucht. L-DOPA, eine Vorstufe des Neurotransmitters, erhöht die Ausschüttung von Dopamin im Gehirn und macht Menschen bereit, länger auf Belohnungen zu warten. Der Effekt entspricht einer Reduktion der Impulsivität um etwa 20 Prozent im Vergleich zu einer Placebo-Gruppe. Die Ergebnisse widersprechen früheren Studien mit kleinen Stichproben, die eine Steigerung der Impulsivität vermuteten.
tags: #langsam #arbeitsgedachtnis #dopamin