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Zusammenfassung: Forscher haben zwei neue Signalwege entdeckt, die durch die Steuerung der Dopaminfreisetzung Bewegung und emotionale Entscheidungen beeinflussen. Diese Signalwege, die sich im Striatum befinden, stimulieren oder hemmen dopaminproduzierende Neuronen und beeinflussen so die Go- und No-Go-Bahnen, die die Bewegung steuern.
Durch die Regulierung von Dopamin könnten diese Signalwege insbesondere an Entscheidungen beteiligt sein, die mit starken Emotionen oder Angst verbunden sind. Die Ergebnisse bieten neue Erkenntnisse darüber, wie Motivation und Bewegung miteinander verbunden sind, mit möglichen Auswirkungen auf Erkrankungen wie die Parkinson-Krankheit.
Wichtige Fakten:
Zwei neu identifizierte Signalwege steuern die Dopaminausschüttung und beeinflussen die Bewegung.
Diese Signalwege regulieren Entscheidungen, die mit starken Emotionen oder Angst verbunden sind.
Die Ergebnisse könnten zum Verständnis bewegungsbezogener Störungen wie der Parkinson-Krankheit beitragen.
Quelle: MIT
Im menschlichen Gehirn wird Bewegung von einer Gehirnregion namens Striatum koordiniert, die Anweisungen an die Motoneuronen im Gehirn sendet. Diese Anweisungen werden über zwei Signalwege übermittelt, eine, die Bewegung initiiert („go“), und eine, die sie unterdrückt („no-go“).
In einer neuen Studie haben MIT-Forscher zwei zusätzliche Signalwege entdeckt, die im Striatum entstehen und die Auswirkungen der Go- und No-Go-Bahnen zu modulieren scheinen. Diese neu entdeckten Signalwege sind mit Dopamin produzierenden Neuronen im Gehirn verbunden – eine stimuliert die Dopaminfreisetzung und die andere hemmt sie.
Durch die Steuerung der Dopaminmenge im Gehirn über Neuronencluster, die als Striosome bekannt sind, scheinen diese Bahnen die Anweisungen der Go- und No-Go-Bahnen zu modifizieren. Sie könnten insbesondere an der Beeinflussung von Entscheidungen beteiligt sein, die eine starke emotionale Komponente haben, so die Forscher.
„Von allen Regionen des Striatums haben sich nur die Striosomen als in der Lage erwiesen, auf die dopaminhaltigen Neuronen einzuwirken, was unserer Meinung nach etwas mit Motivation, Stimmung und Bewegungskontrolle zu tun hat“, sagt Ann Graybiel, Professorin am MIT Institute, Mitglied des McGovern Institute for Brain Research des MIT und leitende Autorin der neuen Studie.
Iakovos Lazaridis, ein Forscher am McGovern Institute, ist der Hauptautor des Artikels, der heute in der Zeitschrift Current Biology erscheint.
Neue Wege
Graybiel hat sich in ihrer Karriere intensiv mit dem Striatum beschäftigt, einer tief im Gehirn gelegenen Struktur, die am Lernen und an der Entscheidungsfindung sowie an der Bewegungssteuerung beteiligt ist.
Im Striatum sind Neuronen in einer labyrinthartigen Struktur angeordnet, zu der auch die von Graybiel in den 1970er Jahren entdeckten Striosome gehören. Die klassischen Go- und No-Go-Signalwege entstehen aus Neuronen, die die Striosome umgeben, die zusammen als Matrix bezeichnet werden.
Die Matrixzellen, die diese Signalwege bilden, erhalten Input von sensorischen Verarbeitungsregionen wie dem visuellen Kortex und dem auditorischen Kortex. Anschließend senden sie Go- oder No-Go-Befehle an Neuronen im motorischen Kortex.
Die Funktion der Striosome, die nicht Teil dieser Signalwege sind, war jedoch unbekannt. Seit vielen Jahren versuchen Forscher in Graybiels Labor, dieses Rätsel zu lösen.
Ihre bisherige Arbeit ergab, dass Striosome einen Großteil ihrer Eingaben von Teilen des Gehirns erhalten, die Emotionen verarbeiten. Innerhalb der Striosome gibt es zwei Haupttypen von Neuronen, die als D1 und D2 klassifiziert werden. In einer Studie aus dem Jahr 2015 fand Graybiel heraus, dass einer dieser Zelltypen, D1, Eingaben an die Substantia nigra sendet, das wichtigste Dopamin-produzierende Zentrum des Gehirns.
Es dauerte viel länger, die Ausgabe des anderen Satzes, der D2-Neuronen, zu verfolgen. In der neuen Studie in Current Biology entdeckten die Forscher, dass diese Neuronen schließlich auch zur Substantia nigra projizieren, sich aber zunächst mit einem Satz von Neuronen im Globus palladus verbinden, der die Dopaminausgabe hemmt. Dieser Signalweg, eine indirekte Verbindung zur Substantia nigra, reduziert die Dopaminausgabe des Gehirns und hemmt die Bewegung.
Die Forscher bestätigten auch ihre frühere Erkenntnis, dass der von D1-Striosomen ausgehende Signalweg direkt mit der Substantia nigra verbunden ist, die Dopaminfreisetzung stimuliert und Bewegungen auslöst.
„In den Striosomen haben wir etwas gefunden, das wahrscheinlich eine Nachahmung der klassischen Go/No-Go-Signalwege ist“, sagt Graybiel.
„Sie sind wie klassische motorische Go/No-Go-Bahnen, aber sie gehen nicht zu den motorischen Ausgangsnervenzellen der Basalganglien. Stattdessen gehen sie zu den Dopaminzellen, die für Bewegung und Motivation so wichtig sind.“
Emotionale Entscheidungen
Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass das klassische Modell der Bewegungssteuerung durch das Striatum modifiziert werden muss, um die Rolle dieser neu identifizierten Signalwege einzubeziehen. Die Forscher hoffen nun, ihre Hypothese zu testen, dass der mit Motivation und Emotion verbundene Input, der von der Hirnrinde und dem limbischen System in die Striosome gelangt, den Dopaminspiegel auf eine Weise beeinflusst, die Handlungen fördern oder hemmen kann.
Diese Dopaminausschüttung könnte besonders relevant für Handlungen sein, die Angst oder Stress auslösen. In ihrer Studie aus dem Jahr 2015 fand Graybiels Labor heraus, dass Striosome eine Schlüsselrolle bei Entscheidungen spielen, die ein hohes Maß an Angst auslösen; insbesondere bei Entscheidungen, die mit einem hohen Risiko verbunden sind, aber auch einen hohen Gewinn bringen können.
„Ann Graybiel und ihre Kollegen haben bereits früher herausgefunden, dass das Striosom mit der Hemmung von Dopamin-Neuronen zu tun hat. Nun zeigen sie unerwartet, dass ein anderer Typ von Striosomen-Neuronen den gegenteiligen Effekt ausübt und Belohnung signalisieren kann. Die Striosomen können somit die Dopamin-Aktivität sowohl hoch- als auch runterregulieren, eine sehr wichtige Entdeckung.
„Die Regulierung der Dopaminaktivität ist in unserem Alltag eindeutig von entscheidender Bedeutung, sowohl für Bewegungen als auch für die Stimmung, zu der die Striosome beitragen“, sagt Sten Grillner, Professor für Neurowissenschaften am Karolinska-Institut in Schweden, der nicht an der Forschung beteiligt war.
Eine weitere Möglichkeit, die die Forscher untersuchen wollen, ist, ob Striosome und Matrixzellen in Modulen angeordnet sind, die die motorische Kontrolle bestimmter Körperteile beeinflussen.
„Der nächste Schritt besteht darin, einige dieser Module zu isolieren und durch gleichzeitige Arbeit mit Zellen, die zum selben Modul gehören, unabhängig davon, ob sie sich in der Matrix oder in den Striosomen befinden, herauszufinden, wie die Striosomen die zugrundeliegende Funktion jedes dieser Module modulieren“, sagt Lazaridis.
Sie hoffen auch zu erforschen, wie die striosomalen Schaltkreise, die in dieselbe Region des Gehirns projizieren, die von der Parkinson-Krankheit betroffen ist, diese Störung beeinflussen können.
Finanzierung: Die Forschung wurde von den National Institutes of Health, der Saks-Kavanaugh Foundation, der William N. and Bernice E. Bumpus Foundation, Jim und Joan Schattinger, dem Hock E. Tan and K. Lisa Yang Center for Autism Research, Robert Buxton, der Simons Foundation, der CHDI Foundation und einem Ellen Schapiro and Gerald Axelbaum Investigator BBRF Young Investigator Grant finanziert.
Über diese Forschungsnachrichten zu Dopamin und Neurowissenschaften
Autor: Anne Trafton
Quelle: MIT
Kontakt: Anne Trafton – MIT
Bild: Das Bild stammt von Neuroscience News
Originalstudie: Open Access.
„Striosomen steuern Dopamin über zwei parallele Signalwege, die den kanonischen Schaltkreisen der Basalganglien entsprechen“ von Iakovos Lazaridis et al. Current Biology
Abstract
Striosomen steuern Dopamin über zwei parallele Signalwege, die den kanonischen Schaltkreisen der Basalganglien entsprechen
Eine ausgewogene Aktivität der kanonischen direkten D1- und indirekten D2-Basalganglienbahnen gilt als Grundvoraussetzung für normale Bewegungen, und ihr Ungleichgewicht ist ein ätiologischer Faktor bei Bewegungs- und neuropsychiatrischen Störungen.
Wir präsentieren Belege für ein konzeptionell äquivalentes Paar direkter D1- und indirekter D2-Bahnen, die von striatalen Projektionsneuronen (SPNs) des Striosomenkompartiments und nicht von SPNs der Matrix ausgehen, wie es bei den kanonischen Bahnen der Fall ist.
Diese striosomalen D1- (S-D1) und D2- (S-D2) Bahnen zielen auf die Substantia nigra dopaminhaltigen Neuronen anstelle der Basalganglien-Motorausgangskerne ab. Sie modulieren die Bewegung mit Nettoeffekten, die denen der kanonischen Bahnen entgegengesetzt sind: S-D1 ist nettohemmend und S-D2 nettoerregend.
Die S-D1- und S-D2-Schaltkreise beeinflussen wahrscheinlich die Motivation zum Lernen und Handeln, indem sie die Modulation der kanonischen Bahnen ergänzen und neu ausrichten.
Eine umfassende konzeptionelle Neuformulierung des klassischen Modells der Basalganglienfunktion mit direkter und indirekter Bahn ist ebenso erforderlich wie eine Neubewertung der Auswirkungen von D2-gerichteten Therapeutika.