Die Rolle des Nucleus accumbens bei der Akquisition und Expression von instrumentellem Verhalten der Ratte Von der Fakultät Geo- und Biowissenschaften der Universität Stuttgart zur Erlangung der Würde eines Doktors der Naturwissenschaften (Dr. rer. nat.) genehmigte Abhandlung Vorgelegt von Christian Giertler aus Singen am Hohentwiel Hauptberichter: Prof. Dr. Wolfgang Hauber Mitberichter: Prof. Dr. Franziska Wollnik Tag der mündlichen Prüfung: 16.09.2003 Biologisches Institut der Universität Stuttgart, 2003 Die vorliegende Arbeit wurde von mir selbständig bearbeitet. Ich habe keine anderen als die angegebenen Quellen und Hilfsmittel benutzt. Die Koautoren der zur Veröffentlichung eingereichten Manuskripte sind jeweils genannt. Stuttgart, den 15.07.2003 Christian Giertler 5 Inhaltsverzeichnis 5 Inhaltsverzeichnis 1 Inhaltsverzeichnis  I 5  A 8  A 9  S 10  E 12 5.1 Die Basalganglien 12 5.1.1 Anatomie der Basalganglien 12 5.1.2 Funktionelle Organisation der Basalganglien 14 5.1.3 Funktion der Basalganglien 17 5.2 Der Neurotransmitter Glutamat 19 5.2.1 L-Glutamat 19 5.2.2 Biosynthese, Wiederaufnahme und Abbau von Glutamat 20 5.2.3 Glutamat-Rezeptortypen 22 5.2.4 Metabotrope Glutamat Rezeptoren 22 5.2.5 Ionotrope Glutamat Rezeptoren 22 5.2.5.1 NMDA-Rezeptoren 23 5.2.5.2 non-NMDA-Rezeptoren 24 5.2.6 Synapsentypen des glutamatergen Systems 25 5.2.7 Neuronale Plastizität unter Beteiligung von Glutamatrezeptoren 26 5.2.8 Grundlegender Mechanismus der Langzeitpotenzierung 26 5.3 Der Neurotransmitter Dopamin 29 5.3.1 Dopamin 29 5.3.2 Biosynthese, Wiederaufnahme und Abbau von Dopamin 29 5.3.3 Dopamin-Rezeptortypen 32 5.3.4 Verschiedene Freisetzungsmodi von Dopamin 33 5.3.5 Dopaminerge Systeme 34 5.4 Motivation 36 5.4.1 Definition von Motivation 36 5.4.2 Zielgerichtetes Verhalten 37 5.5 Der Motivationsschaltkreis 39 5.5.1 Endeckungen die zur Definition des Motivationsschaltkreises führten 39 5.5.2 Der Motivationsschaltkreis und die anatomische und funktionelle Organisation seiner Teilstrukturen 41 5.5.3 Funktion des Motivationsschaltkreises 43 5.5.4 Die Funktion des Dopamins im Motivationsschaltkreis 44 5.5.5 Die Funktion von Glutamat im Motivationsschaltkreis 46 6 Inhaltsverzeichnis 7 Inhaltsverzeichnis 5.5.6 Möglichkeiten der Motivationsanalyse bei Tieren 47 5.6 Das Phänomen Sucht 48 5.6.1 Definition von Sucht 48 5.6.2 Theorien zur Entstehung und Aufrechterhaltung von Sucht 49 5.6.3 Die Bedeutung von assoziativen Lernvorgängen für Suchtverhalten 50 5.7 Lernen 52 5.7.1 Definition von Lernen 52 5.7.2 Pawlowsche Konditionierung 53 5.7.3 Instrumentelle Konditionierung 56 5.7.4 Pawlowscher-instrumenteller Transfer 58 5.8 Der Nucleus accumbens 59 5.8.1 Cytoarchitektur des Nucleus accumbens 59 5.8.2 Afferenzen und Efferenzen des Nucleus accumbens 60 5.8.3 Die ”core – shell” Dichotomie des Nucleus accumbens 61 5.8.4 Synaptische Organisation und Transmitter-Interaktion im Nucleus accumbens 63 5.8.5 Mögliche Funktionen des Nucleus accumbens im Motivationsschaltkreis 64 5.9 Fragestellung der vorliegenden Arbeit 65  D E 67 6.1 Experiment1: The Rat Nucleus accumbens is Involved in Guiding of Instrumental Responses by Stimuli Predicting Reward Magnitude 68 6.2 Experiment2: Transient Inactivation of the Rat Nucleus accumbens did not Impair Guidance of Instrumental Behaviour by Stimuli Predicting Reward Magnitude 79 6.3 Experiment3: Involvement of NMDA and AMPA/Kainate Receptors in the Nucleus Accumbens Core in the Acquisition of Instrumental Responses Guided by Distinct Reward Magnitudes 90  Z D 100 7.1 Beurteilung der Aufgabenstellung 100 7.2 Beurteilung der Habituationsprozedur 101 7.3 Beurteilung der Mikroinfusionsprozedur 101 7.4 Übersicht über die Ergebnisse 102 7.5 Transiente Inaktivierung des Nucleus accumbens 103 7.6 Indirekte Stimulation der Dopaminrezeptoren im Nucleus accumbens 107 7.7 Blockade der ionotropen Glutamat-Rezeptoren während der Expression 108 7.7.1 Blockade der AMPA/Kainat Rezeptoren während der Expression 109 7.7.2 Blockade der NMDA Rezeptoren während der Expression 110 7.7.3 Implikation für die Rolle des Nucleus accumbens bei der Führung von instru- mentellen Verhaltensweisen durch erlernte Stimulus-Belohungs-Beziehungen 112 6 Inhaltsverzeichnis 7 Inhaltsverzeichnis 7.8 Blockade der ionotropen Glutamat Rezeptoren im Nucleus accumbens „core” während der Akquisition instrumenteller Verhaltensantworten 113 7.8.1 Präzision der Aufgabenausführung 113 7.8.2 Reaktionszeiten und Bewegungszeiten während der frühen Akquisition 114 7.8.3 Reaktionszeiten und Bewegungszeiten während der späten Akquisition. 117 7.9 Mögliche Folgeexperimente 118 7.10 Schlussfolgerungen 119  A 120 8.1 Ergänzungen zur Methodik 120 8.1.1 Aufbau der Skinnerboxen 120 8.1.2 Aufgabenstellung 121 8.1.3 Übersicht über den zeitlichen Verlauf der Experimente 122 8.1.4 Die Habituationsprozeduren 123 8.1.5 Herstellung der Führungskanülen, Injektionskanülen und Einzelstiletts 125 8.1.6 Stereotaktische Operation zur Implantation der Führungskanülen 126 8.1.7 Versuchsaufbau und Vorbereitungen für die Mikroinfusion 129 8.1.8 Mikroinfusionsprozedur 130 8.2 Verwendete Substanzen 131 8.2.1 Lidocain 131 8.2.2 D-Amphetamin 132 8.2.3 CNQX 132 8.2.4 AP5 132 8.3 Histologie 132 8.3.1 Präparation und Fixierung der Gehirne 132 8.3.2 Vorbehandlung der Objektträger 133 8.3.3 Anfertigung der Gehirnschnitte 133 8.3.4 Färbung der Gehirnschnitte 134 8.3.5 Lokalisation und Validierung der Injektionsorte 134 8.4 Computer-Programme für MedPC® 135 8.4.1 Computerprogramm 001208A Programm aller Experimente. (Variante A) 135 8.4.2 Computerprogramm 001208B Programm aller Experimente. (Variante B) 141 8.4.3 Computer-Programm für die Habituation von Experiment 3: Kond 1c 148 8.4.4 Computer-Programm für die Habituation von Experiment 3: Kond 2c 149 8.4.5 Computer-Programm für die Habituation von Experiment 3: Kond 3c 151  L 153  D 169  L 170 8 Abkürzungsverzeichnis 9 Abbildungsverzeichnis 2 Abkürzungsverzeichnis 3-MT 3-Methoxytyramin A. bidest. zweifach destilliertes Wasser ADH Aldehyd-Dehydrogenase AMAP α-Amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazolpropionsäure ANOVA Varianzanalyse (analysis of variance) AP5 DL-2-Amino-5-phosphonovaleriansäure cAMP zyklisches Adenosinmonophosphat COMT Catechol-O-Methyltransferase CR konditionierte Reaktion (conditioned reaction) CS konditionierten Reiz (conditioned stimulus) DAT Dopamin Transporter DOPA 3,5-Dihydroxyphenylalanin DOPAD Aromatische-L-Aminosäuren-Decarboxylase EAAT exzitatorische Aminosäuren Transporter (excitatory amino acid transporter) EPSP exzitatorisches postsynaptisches Potential GABA γ-Amino-Buttersäure Gi inhibierendes GTP-bindendes Protein GluR Glutamatrezeptor (ionotrope Glutamatrezeptoren) Gs stimulierendes GTP-bindendes Protein GTP Guanosintriphosphat HVA Homovanillinsäure i.p. intraperitoneal LTD Langzeitdepression (long term depression) LTP Langzeitpotenzierung (long term potentation) MAO Monoaminoxidase mGLU metabotroper Glutamatrezeptor MK801 kompetitiver NMDA-Rezeptor Antagonist NMDA N-Methyl--aspartat PCP Phencyclidin PIT Pawlowsch-instrumenteller-Transfer RT Reaktionszeit (reaction time) SEM Standardfehler des Mittelwertes (standard error of the mean) TH Tyrosin-Hydroxylase UR unkonditionierte Reaktion (unconditioned reaction) US unkonditionierten Reiz (unconditioned stimulus) VMAT vesikuläre Monoamintransporter ZNS Zentralnervensystem 8 Abkürzungsverzeichnis 9 Abbildungsverzeichnis 3 Abbildungsverzeichnis ABBILDUNG 5.1 Schematischer Sagitalschnitt durch das Gehirn einer Ratte 13 ABBILDUNG 5.2 Darstellung der neuronalen Verschaltung der Basalganglien 16 ABBILDUNG 5.3 Lösung eines Selektionsproblems nach Redgrave 19 ABBILDUNG 5.4 Biosynthese von Glutamat 20 ABBILDUNG 5.5 Glutamat Zyklus 21 ABBILDUNG 5.6 Ionotrope Glutamatrezeptortypen 24 ABBILDUNG 5.7 Unterschiede zwischen Graytyp I und Graytyp II Synapsen 25 ABBILDUNG 5.8. Induktion der frühen Phase der Langzeitpotenzierung 28 ABBILDUNG 5.9 Dopamin Biosynthese 29 ABBILDUNG 5.10 Dopamin Katabolismus 30 ABBILDUNG 5.11 Metabolismus des Dopamins 31 ABBILDUNG 5.12 Übersicht über die aufsteigenden dopaminergen Projektionen 34 ABBILDUNG 5.13 Zielgerichtetes Verhalten am Beispiel der Futteraufnahme 38 ABBILDUNG 5.14 Darstellung des Motivationsschaltkreises 40 ABBILDUNG 5.15 Pawlowsche Konditionierung 54 ABBILDUNG 5.16 Instrumentelle Konditionierung 56 ABBILDUNG 5.17 Darstellung eines accumbalen Projektionsneurons 59 ABBILDUNG 5.18 Afferenzen und Efferenzen des Nucleus accumbens 61 ABBILDUNG 5.19 Die „core“ und „shell“-Subregion des Nucleus accumbens 62 ABBILDUNG 5.20 Topografie der Afferenzen eines Projektionsneurons 63 ABBILDUNG 8.1. Schematische Darstellung der verwendeten Skinnerbox 120 ABBILDUNG 8.2. Zeitverlauf der Experimente 1 und 2 122 ABBILDUNG 8.3 Zeitverlauf des Experimentes 3 123 ABBILDUNG 8.4. Führungskanüle, Injektionskanüle und ein Stiletts 125 ABBILDUNG 8.5. Dorsale und laterale Ansicht eines Rattenschädels 126 ABBILDUNG 8.6. Einzelschritte der Operation 127 ABBILDUNG 8.7. Darstellung eines Stereotakten 128 ABBILDUNG 8.8. Darstellung der Mikroinfusion 130 ABBILDUNG 8.9. Zeitverlauf eines Mikroinfusionsexperimentes 130 ABBILDUNG 8.10. Strukturformeln der verwendeten Substanzen 131 10 Summary 11 Summary 4 Summary The expectancy of reward is an important factor to guide instrumental behaviour. This notion is supported by findings that the speed of instrumental responses is determined by expected reward magnitudes, e.g. in rats reaction times of conditioned responses were shortest to the instructive cue predictive of the highest food reward. It is well documented that the nucleus ac- cumbens (ACB), an interface between limbic and motor structures, plays a major role in control of goal-directed actions by reward. The ACB is an integral part of the basal ganglia and receives convergent glutamatergic input from cortical and limbic regions involved in the processing of the incentive significance of cues. In addition, the ACB receives a dopaminergic input from the ventral tegmental area which has been implicated in a number of functions related to neural re- ward processing, e.g. reward prediction. Electrophysiological studies demonstrated that neurons of the ACB show reward expectation-related activations elicited by reward-predicting stimuli. Furthermore, behavioural studies consistently revealed that the ACB subserves instrumental behaviours elicited by cues associated with natural reward or drugs of abuse. This PhD thesis investigated the role of the rat ACB in guidance of reaction times of instrumen- tal responses by the expectancy of future reward. A lever release reaction time task was used which is sensitive to subtle changes in discriminative guidance of instrumental behaviour by the anticipated reward magnitudes. The task demands conditioned lever release triggered by an imperative stimulus. The upcoming reward magnitude (5 or 1 food pellet) for each trial was randomly chosen and signalled in advance by distinct instructive stimuli. In control rats which acquired the task, reaction times of instrumental responses were significantly shorter to the dis- criminative cue predictive of high reward magnitude. In the first experiment revealed that bilateral blockade of AMPA/kainate receptors by CNQX or NMDA receptors by AP5 in the ACB produced a general increase of reaction times, but left reaction times guidance by cue-associated reward magnitudes unaffected. Indirect stimulation of dopamine receptors in the ACB by d-amphetamine decreased reaction times and impaired their guidance by cue-associated reward magnitudes. Thus stimulation of dopamine and iono- tropic glutamate receptors in the ACB is critically involved in guiding the speed of instrumental responding to stimuli predictive for reward magnitude. The finding that cue-directed instru- mental responses were slowed after NMDA and AMPA/kainate receptor blockade, but still de- termined by the cue-associated reward magnitude add support to the notion that the ACB is not required to perform goal-directed instrumental behaviour, but serves to invigorate instrumental responding. The second experiment demonstrated that inactivation of the ACB by lidocaine had no effect on reaction time and their guidance by cue-associated reward magnitudes. This unexpected find- ing parallels previous data that lesions of ACB did not impair reaction time performance, while pharmacological manipulation of intra-ACB glutamate or dopamine transmission impaired 10 Summary 11 Summary various aspects of reaction time performance in similar tasks. It is speculated that those experi- mental manipulations such as transient and permanent inactivation which completely inhibit ACB neuronal output allow alternative routes to be used to effectively control behaviour in the task employed here. In the third experiment examined the effect of NMDA- and AMPA/kainate-receptor blockade in the ACB on learning of instrumental responding guided by reward predictive cues. Results revealed that an intra-AcbC infusion of AP5 or CNQX during early acquisition (Days 1-6) did not interfere with the commencing discriminative guidance of RTs of instrumental responses by cue-associated reward magnitudes, but produced a general increase of RTs. In addition, results indicate that during late acquisition (Days 7-22; no treatment) the establishment of a significant and persistent guidance of RTs of instrumental responses by cue-associated reward magni- tudes was altered in those animals subjected to an intra-AcbCc NMDA or AMPA/KA receptor blockade during early acquisition. Taken together, the present findings of the PhD thesis reveals that stimulation of dopamine and ionotropic glutamate receptors in the ACB core is critically involved in guiding the speed of instrumental responding to reward predictive cues. The data further suggest that ACB is not required to perform goal-directed instrumental behaviour, as animals with an intra-ACB NMDA / AMPA / DA receptor blockade were still sensitive to the predicted incentive value of instrumental actions. These finding are consistent with the hypo- thesis that the ACB invigorates instrumental actions by mediating activating influences of Pav- lovian conditioned stimuli during acquisition and expression of on instrumental responding. 12 Einleitung 13 Einleitung 5 Einleitung In der vorliegenden Arbeit wird die Rolle des Nucleus accumbens bei der Expression und Ak- quisition von instrumentellem Verhalten untersucht, das durch belohnungsprädiktive Hinweis- reize gesteuert wird . Der Nucleus accumbens ist eine der Eingangstrukturen der Basalganglien und damit Teil einer von mehreren parallel verlaufenden Rückkopplungsschleifen zwischen Cortex und Basalganglien. Es gibt Hinweise die darauf hindeuten, dass diese Rückkopplungs- schleife, die im Folgenden aufgrund der ihr zugedachten Funktion auch als „Motivationsschalt- kreis“ bezeichnet wird, für die Steuerung von willkürlichem und zielgerichtetem Verhalten ver- antwortlich ist. Damit wird Verhalten bezeichnet, das durch die Repräsentation eines kausalen Zusammenhang zwischen dem eignen Verhalten und dem Erreichen eines bestimmten Zieles bestimmt wird. Diese Arbeit untersucht die neurochemischen Prozess, die der Steuerung von instrumentellen Verhaltensweisen durch belohnungsprädiktive Hinweisreize zugrunde liegen. Aufgrund der be- kannten Neurochemie des Nucleus accumbens ist dabei von einer besonderen Rolle der beiden Neurotransmitter Glutamat und Dopamin auszugehen. In der folgenden Einleitung wird zuerst auf die Anatomie und Funktion der Basalganglien eingegangen und im Anschluss daran die beiden untersuchten Neurotransmitter Glutamat und Dopamin vorgestellt. Nach einer Defi- nition des Begriffs Motivation wird dann der Motivationsschaltkreis erläutert. Am Beispiel der Drogensucht wird dann auf die medizinische Relevanz von Störungen des Motivationsschalt- kreises eingegangen. Nach dem im Kapitel Lernen auf die beteiligten Lernformen eingegangen wurde, wird dann der Nucleus accumbens als Struktur vorgestellt und seine mögliche Rolle im Motivationsschaltkreis erläutert. Abschließend werden dann die Ziele der vorliegenden Arbeit definiert. 5.1 Die Basalganglien Die Basalganglien sind eine funktionelle Einheit von Kerngebieten, die durch komplexe Inte- grationsprozesse die kontextabhängige Selektion, Adaptation und Initiation von Willkürbewe- gungen aufeinander abstimmt. Bei diesen Integrationsprozessen werden offenbar neben sen- somotorischen Informationen, auch motivationale und emotionale Aspekte mit berücksichtigt und fließen in die Bewegungsplanung mit ein. Im Folgenden werden zuerst die Anatomie und die funktionelle Organisation der Basalganglien vorgestellt, um anschließend auf die möglichen Funktionen der Basalganglien näher einzugehen. 5.1.1 Anatomie der Basalganglien Die Basalganglien bestehen aus einer Gruppe von anatomisch gut voneinander abgrenzbaren, subcortical gelegenen Nuclei (Kerngebieten), die sowohl im Telencephalon, Diencephalon als auch im Mesencephalon liegen. 12 Einleitung 13 Einleitung Die primäre Eingangstruktur der Basalganglien ist das telencephale Striatum („Streifenkörper“), das aus einem dorsalen und ventralen Teil besteht. Nur bei Primaten wird der dorsale Teil des Striatum durch den Fasertrakt der Capsula interna in zwei anatomisch gut unterscheidbare Strukturen geteilt, den Nucleus Caudatus und das Putamen. Bei allen übrigen Säugern fehlt dieser Fasertrakt, daher wird das dorsale Striatum bei ihnen einheitlich als Caudatus-Putamen (Neostriatum) bezeichnet. Der ventrale Teil des Striatums besteht aus Nucleus accumbens und Tuberculum olfactorium. Dabei lässt sich der Nucleus accumbens seinerseits sowohl funktionell als auch anatomisch in eine innere „core“ Region und eine äußere „shell“ Region unterteilen (Zahm und Brog, 1992; Heimer et al., 1997; Zahm, 2000; Brauer et al., 2000). Vom Striatum aus ziehen Projektionsneurone einerseits direkt, d.h. ohne zwischengeschaltete Nuclei, und andererseits indirekt, d.h. über zwei Nuclei, den diencephalen Globus pallidus und den diencephalen Nucleus subthalamicus, zu den primären Ausgangstrukturen der Basalgangli- en. Bei Primaten lässt sich der Globus pallidus („bleiche Kugel“) in ein inneres (Globus pallidus pars medialis) und ein äußeres Segment (Globus pallidus pars lateralis) unterteilen. Bei allen übrigen Säugern wird das innere Segment als Nucleus entopeduncularis und das äußere Seg- ment als Globus pallidus bezeichnet. Der dorsale Teil des Globus pallidus wird manchmal auch als dorsales Pallidum bezeichnet, der ventrale Bereich des Pallidums wird ventrales Pallidum genannt. �������� ������� �� ����� ��� ���������� ������ ������ �������� �� ��� �������� ������������ ������ �������� ����������� �� ��� � � ��� ABBILDUNG 5.1 Schematischer Sagitalschnitt durch das Gehirn einer Ratte. Abgebildet sind die Nuclei des Nucleus accumbens, sowie einige benachbarte Strukturen. Verwendete Abkürzungen: NAc Nucleus accumbens; TO Tuberculum olfactorium; NSt Nucleus stria terminalis; VP ventrales Pallidum; EP Nucleus entopeduncularis; NS Nucleus subthalamicus; SNc Substantia nigra pars compacta; SNr Substantia nigra pars reticulata. Modifiziert nach Heimer et al. (1995). 14 Einleitung 15 Einleitung Die Ausgangsstrukturen der Basalganglien sind die mesencephale Substantia nigra pars reticu- lata, der Nucleus entopeduncularis, (bei Primaten der Globus pallidus pars medialis) und das diencephale Pallidum ventrale. Die Substantia nigra („Schwarze Substanz“) lässt sich aufgrund von morphologischen und funktionellen Unterschieden in zwei Bereiche aufteilen. Einerseits in einen blassen, ventral gelegenen Bereich, die Substantia nigra pars reticulata, und andererseits in einen stark pigmentierten, dorsal gelegenen Bereich, die Substantia nigra pars compacta. Die deutliche braunschwarze Pigmentierung, die für die Namensgebung der Struktur verantwort- lich ist, beruht auf der hohen Anzahl dopaminerger Neurone, deren Zellkörper Neuromelanin - einen Metaboliten der Dopaminsynthese - enthalten. Außerdem werden auch die beiden Ur- sprungsregionen der wichtigsten dopaminergen Projektionen zum Striatum, die mesencephale Area tegmentalis ventralis und die Substantia nigra pars compacta zu den Basalganglien gezählt (Albin et al., 1989; Heimer et al., 1995; Alheid und Heimer, 1996; Übersichten bei Gerfen und Wilson, 1996). Trotz der bereits angesprochenen anatomischen Unterschiede zwischen Prima- ten und allen übrigen Säugern sind die Verbindungen zwischen den einzelnen Nuclei der Ba- salganglien durchaus über Speziesgrenzen hinweg vergleichbar (Marin et al., 1998). Was darauf zurückzuführen ist, dass die phylogenetisch sehr alten Basalganglien eine bemerkenswert kon- servierter Strukturkomplex sind (Redgrave et al., 1999a; Smeets und Gonzalez 2000). Dies ist die Grundlage für die Übertragbarkeit von Ergebnissen von Nichtprimaten auf Primaten und damit den Menschen und rechtfertigt zugleich die Verwendung von Ratten als Modellorganismus in der Basalganglienforschung. 5.1.2 Funktionelle Organisation der Basalganglien Die Basalganglien sind Teil eines Systems, das aus mehreren Funktionsschleifen besteht, die den Thalamus und den cerebralen Cortex mit einschließen. Das Striatum, die Eingangsstruktur der Basalganglien, erhält von nahezu allen Bereichen des cerebralen Cortex Informationen, die dann innerhalb der Basalganglien prozessiert werden und über transthalamische Verbindungen wieder zurück zum Cortex gelangen. Der cerebrale Cortex ist damit zugleich Ursprung und Ziel aller Projektionen dieser Funktionsschleifen. Entsprechend dem Verlauf der Projektionen wird zwischen offenen und geschlossen Funktionsschleifen unterschieden (Joel und Weiner, 2000). Eine geschlossene Schleife liegt immer dann vor, wenn das corticale Ursprungsareal, von dem die Schleife ausgeht, zugleich auch Ziel der eigenen Projektion ist. Dies ist bei den meisten Schleifen der Fall, bei einigen wenigen jedoch enden die Schleifen in anderen corticalen Arealen. Diese werden dann als offene Schleifen bezeichnet. Obwohl die Funktionsschleifen im Wesentlichen anatomisch und funktionell getrennt verlaufen (Alexander und Crutcher, 1990), weiß man, dass zumindest einige dieser Schleifen überlappen, d.h. die gleiche striatale Subregion Informationen aus mehreren verschiedenen corticalen Bereichen erhält (Übersicht Gerfen, 1992). Bislang sind fünf solcher funktionell unterschiedlichen Funktionsschleifen bekannt: eine skelettomotorische, 14 Einleitung 15 Einleitung eine okkulomotorische, eine limbische und zwei präfrontale Schleifen (Übersicht bei Alexander und Crutcher, 1990). Diese durchlaufen separate Bereiche der jeweiligen Strukturen der Basal- ganglien und des Thalamus und projizieren, wieder streng topographisch organisiert, auf die entsprechenden Regionen des Cortex zurück (Smeets, 1992). Was nun die Prozessierung corticaler Signale innerhalb der Basalganglien anbelangt, werden im Wesentlichen zwei Hypothesen diskutiert (Übersicht Parent und Hazrati, 1995). Die Hypothese der „parallelen Prozessierung“ geht davon aus, dass in den Basalganglien eine parallele Prozes- sierung corticaler Signale in strikt parallel angeordneten, separaten Funktionsschleifen erfolgt (Alexander et al., 1986). Gestützt wird diese Hypothese durch die bereits erwähnte Somatotopie der Funktionsschleifen, die auch einen gewissen Grad an Segregation bei der Prozessierung der Signale impliziert. Demgegenüber postuliert die Hypothese der „Informationstrichterung“ (Parent und Hazrati, 1995), dass in den Basalganglien eine integrative Prozessierung corticaler Signale stattfindet und es damit zu einer Konvergenz von corticalen Informationen kommt. Gestützt wird diese Hypothese durch den Befund, dass siebzig* mal mehr Neurone in den Ein- gangs- als in den Ausgangsstrukturen der Basalganglien vorkommen (Oorschot, 1996). Darüber hinaus ist aus informationstheoretischer Sicht eine Integration von Informationen zwingend erforderlich, um die den Basalganglien zugeschriebenen Auswahlprozesse leisten zu können (Redgrave et al. 1999a). Schließlich finden sich in der anatomischen Arbeit von Bevan et al. (1996) Hinweise darauf, dass sowohl eine parallele Prozessierung als auch eine Integration von Informationen in den Basalganglien stattfindet, d.h. die von beiden Hypothesen postulierten Organisationsmerkmale gleichzeitig realisiert sein können. Als allgemein akzeptiertes Modell der Informationsverarbeitung innerhalb der Basalganglien wird ein System zweier sich gegensätzlich verhaltender Projektionen vorgeschlagen. Die wohl abgestimmte Balance zwischen inhibierenden und aktivierenden Einflüssen dieses Projektio- nen (siehe Abbildung 5.2) wird dabei als Grundlage der funktionellen Prozessierung neuronaler Information angesehen. Die gegensätzlichen Projektionen entsprechen dabei zwei parallelen Signaltransmissionsbahnen, einer „direkte Bahn“ und einer „indirekte Bahn“ (Albin et al., 1989; Alexander und Crutcher, 1990). Das Striatum, die Eingangsstruktur der Basalganglien, erhält einerseits exzitatorische, glutamaterge Afferenzen aus nahezu allen Bereichen des Cortex und dem Thalamus, andererseits modulatorische, dopaminerge Afferenzen aus der Substantia nigra pars compacta und aus der Area tegmentalis ventralis im Mesencephalon. Die direkte Bahn inhibiert über striatale GABAerge Projektionsneurone direkt die beiden Aus- gangsstrukturen der Basalganglien, den Nucleus entopeduncularis und die Substantia nigra pars reticulata. Dabei werden die Neurone der direkten Bahn innerhalb des Striatums durch *Bei der Ratte projizieren ca. 2,8 Millionen striatale Neurone in den Eingangsstrukturen auf lediglich 40.000 Neu- rone in den Ausgangstrukturen, was einem Verhältnis von 70:1 entspricht. Die Angaben beziehen sich auf eine Hemisphäre (Oorschot, 1996). 16 Einleitung 17 Einleitung Dopamin, welches an D₁-Rezeptoren bindet, aktiviert. Die indirekte Bahn inhibiert über stri- atale, GABAerge Projektionsneurone den Globus pallidus und dieser inhibiert ebenfalls über GABAerge Projektionsneurone den Nucleus subthalamicus. Der Nucleus subthalamicus hin- gegen aktiviert durch glutamaterge Neurone die beiden Ausgangsstrukturen den Nucleus en- topeduncularis und Substantia nigra pars reticulata. Die Neurone der indirekten Bahn werden innerhalb des Striatums durch Dopamin, welches an D₂-Rezeptoren bindet, inhibiert. Die Aus- gangsstrukturen der Basalganglien inhibieren über GABAerge Projektionsneurone den Tha- lamus, der seinerseits über glutamaterge Projektionsneurone verschiedene Areale des Cortex aktiviert (Alexander und Crutcher, 1990). Der Anschaulichkeit wegen wurde die hier beschrie- bene und in Abbildung 5.2 dargestellte neuronale Verschaltung der Basalganglien erheblich vereinfacht, indem die Rückprojektionen und vielfältigen Überkreuzungen der Projektionen nicht berücksichtigt wurden (Übersicht bei Smith et al., 1998). Dennoch lässt sich aufgrund der komplexen Verschaltung mit ihren hemmenden und aktivierten Einflüssen die Bedeutung einer ������ �������� �������� ���������� ����� ���� ��������� ������� ����������� ����� ������ �������� ������� ������������� ������� ���������������� ���������� ����� ���� ���������� �� �� ��������� ���������� ������� ���������� ����������� ���������� ������� ABBILDUNG 5.2 Vereinfachte Darstellung der neuronalen Verschaltung der Basalganglien mit den wichtigsten beteiligten Neurotransmittern. Modifiziert nach Alexander und Crutcher (1990). 16 Einleitung 17 Einleitung fein abgestimmten Transmitterbalance innerhalb dieser Struktur erahnen. Selektive Degenera- tion eines der beteiligten Transmittersysteme, wie sie z.B. der Parkinson Krankheit zugrunde liegen, führt zu einer Verschiebung der Transmitterbalance und somit zu einer weitreichenden Veränderung der neuronaler Aktivität innerhalb der Basalganglien, die in der Folge die charak- teristischen Verhaltensstörungen verschiedener Erkrankungen bewirken (Albin et al., 1989). 5.1.3 Funktion der Basalganglien Die Spekulationen über die Funktionen der Basalganglien wurden ursprünglich sehr stark durch die klinische Phänomenologie der Basalganglien-Erkrankungen beim Menschen, insbesondere der Parkinson-Krankheit, beeinflusst (Albin et al., 1989). Dabei stand die Prozessierung von corticalen Informationen, die für die Initiation von Willkürbewegungen sowie für die Organisa- tion der damit verbundenen Haltungsanpassungen benötigt werden, im Vordergrund des Inter- esses. Obwohl die Erforschung dieser Erkrankungen viel zu unserem heutigen Wissen über die Funktionsweise der Basalganglien beigetragen hat, verhinderte die anfänglich starke Fixierung auf rein „motorische“ Aspekte eine wesentlich breiter angelegte Diskussion über die weiteren Funktionen der Basalganglien. Erst in den letzten Jahren rückten zunehmend die „nicht-moto- rischen“ Funktionen der Basalganglien ins Zentrum des Interesses. Dabei erkannte man, dass die Funktionen der Basalganglien nicht auf rein motorische oder rein sensorische Phänomene begrenzt sind, sondern dass sie auch an komplexen sensomotorischen Integrationsprozessen, wie z.B. die kontextabhängige Selektion und Adaptation von Verhaltensprogrammen, beteiligt sind (Robbins und Brown, 1990). Dies wird auch durch zahlreiche klinische und tierexperimen- telle Befunde belegt (Marsden und Obesco, 1994). Ferner sind die Basalganglien offenbar an der Akquisition von Wissen des impliziten Gedächtnisses und damit an prozeduralen Lernvorgän- gen beteiligt (White, 1997). Darüber hinaus spielen die Basalganglien auch bei der Steuerung von motivationalen, emotionalen und kognitiven Prozessen eine wichtige Rolle (Graybiel et al., 1994; Graybiel, 1997). Aufgrund der Vielzahl von Aufgaben, die die Basalganglien erfüllen sollen, fehlt bislang ein einheitliches und umfassendes Gesamtkonzept, das im Stande wäre, alle diese Funktionen in ihrer Vielschichtigkeit zu integrieren. Die Funktionen der Basalganglien sind daher nach wie vor Gegenstand kontrovers geführter Diskussionen. Brown und Marsden (1986) bezeichnen die Basalganglien daher in einem Artikel, der sich mit der Funktion der Basalganglien beschäftigt („What do the basal ganglia do?“) zutreffend als „dunkle Untergeschosse des Geistes („dark ba- sement of the mind“). Was einerseits die fundamentale Bedeutung dieser Struktur für kognitive Funktionen unterstreicht, aber anderseits auch auf die Unzulänglichkeiten der bisher erstellten Konzepte hindeutet. Aus den zahlreichen zum Teil widersprüchlichen Konzepten, auf die hier nicht näher eingegangen werden kann, soll hier stellvertretend ein Konzept vorgestellt werden, dass zumindest die grundlegenden Anforderungen erfüllt, die an ein solches Gesamtkonzept 18 Einleitung 19 Einleitung gestellt werden. Dieses von Redgrave (1999a), unter Berücksichtigung der funktionellen Anatomie der Basal- ganglien und aufgrund von informationstheoretischen Überlegungen, vorgeschlagene Konzept sieht in der Funktion der Basalganglien den zentralen Mechanismus zur „Lösung des Selekti- onsproblems“ bei Vertebraten. Ein Selektionsproblem ergibt sich immer dann, wenn zwei oder mehr konkurrierende Sys- teme (z.B. sich gegenseitig ausschließende Verhaltenweisen) versuchen gleichzeitig auf eine beschränkte Ressource (z.B. gemeinsam genutztes motorisches oder kognitives System) zuzu- greifen (Redgrave, 1999a). Daraus ergibt sich, dass Selektionsprobleme nicht nur auf biologische Systeme beschränkt sind, sondern bei allen Systemen auftreten, die in der Lage sein müssen, Entscheidungen zu treffen, um in Konsequenz angepasstes Verhalten zeigen zu können, was na- türlich die Algorithmen komplexer technischer Systeme (Expertensysteme, autonome Roboter) mit einschließt. Das Selektionsproblem hat insbesondere in der Verhaltensforschung eine lan- ge Tradition und wird dort meist als „behaviour switching“ oder “decision-making“ bezeichnet (Redgrave, 1999a). Für die Lösung eines Selektionsproblems wird ein Mechanismus benötigt, der auf der Basis von „the winner takes all“ eine der sich gegenseitig ausschließenden Verhaltensweisen auswählt (weil man nicht gleichzeitig stehen bleiben und weg laufen kann). Anschließend wird der aus- gewählten Verhaltenweise der exklusive Zugriff auf die letztendlich gemeinsam genutzte Mo- torik gewährt, während den anderen, potentiell störenden Verhaltenweisen der Zugriff auf die Motorik verweigert wird. Diese Art der Lösung erinnert stark an die „laterale Inhibition“, wie es für rezeptive Felder im sensorischen System aller höheren Organismen charakteristisch ist. Diese Analogie liefert Hinweise darauf, wie ein solcher Selektionsmechanismus innerhalb der Basalganglien realisiert sein könnte. Es wird davon ausgegangen, dass der Selektionsprozess letztendlich auf dem Vergleich von Anreizwerten (incentive value) beruht. Voraussetzung dafür ist, dass alle zur Auswahl stehenden Verhaltensoptionen zuvor mit entsprechenden Anreizwer- ten assoziiert werden. Diese Anreizwerte sind das Ergebnis einer fortschreitenden Integration von kausalen Faktoren, die sowohl intrinsische (z.B. gegenwärtiger Zustand der Energiereser- ven) als auch extrinsische (z.B. Anblick eines Beutetieres) Informationen umfassen, die im Zu- sammenhang mit dem Verhalten von Bedeutung sind. Der Anreizwert einer Verhaltensweise ist daher ein Maß für die Dringlichkeit eines Verhaltens im Bezug auf die gegenwärtige Situation, in der sich der Organismus befindet, d.h. er ist stets kontextabhängig. Beim eigentlichen Selek- tionsprozess kommt es dann zu einem Vergleich dieser kontextabhängigen Anreizwerte. Dabei gilt, je höher der Anreizwert einer Verhaltensweise, desto eher kann sie sich gegenüber anderen Verhaltensweisen mit geringeren Anreizwerten durchsetzen. Ein erheblicher Teil der Symptome, die bei Krankheiten beobachtet werden können, von denen man annimmt, dass Fehlfunktionen der Basalganglien dafür verantwortlich sein könnten (Mor- 18 Einleitung 19 Einleitung bus Parkinson, Chorea Huntington, Ballismus, Tourette-Syndrom, Schizophrenie), lassen sich auf der Grundlage von Störungen solcher Selektionsmechanismen verstehen (Übersicht Kandel et al., 2000). Aus evolutionsbiologischer Sicht kann die Bedeutung eines solchen Selektionsmechanismus gar nicht hoch genug eingeschätzt werden. Da er einem Individuum ermöglicht, sein Verhalten den sich stets ändernden Bedingungen seiner Umwelt situationsabhängig anzupassen. Diese Ver- haltensflexibilität ist von fundamentaler Bedeutung für das Überleben eines Individuums und damit auch für den Bestand seiner Art (Rolls, 1999). 5.2 Der Neurotransmitter Glutamat 5.2.1 L-Glutamat L-Glutamat ist das unter physiologischen Bedingungen vorliegende, zwitterionische Salz der Glutaminsäure (α-Aminoglutarsäure), einer ubiquitär vorhandenen, proteinogenen Aminosäu- re des Intermediärstoffwechsels. Im Zentralnervensystem (ZNS) ist L-Glutamat der quantitativ am häufigsten vorkommende exzitatorische Transmitter und wird in den meisten Synapsen zur schnellen Transmission verwendet. (Nakansihi 1992). Wahrscheinlich enthalten alle Neuronen des Zentralnervensystems glutamaterge Synapsen (Lexikon der Neurowissenschaft, 2001). �������������������������� �������������� ���������������� ������������������ ���������������� ��������� ����������������� ���������� ���������� ��������� ��������� ��������� ���������������� Abbildung 5.3 Lösung eines Se- lektionsproblems nach Redgra- ve (1999). Ein Selektionsproblem ergibt sich immer dann, wenn zwei oder mehr konkurrierende Systeme versuchen, gleichzeitig auf eine beschränkte Ressource z.B. ein gemeinsam genutztes motorisches System zuzugreifen. Für die Lösung eines solchen Selektionsproblems wird ein Mechanismus benötigt, der auf der Basis von „the-winner-takes- all“ eine der sich gegenseitig ausschließenden Verhaltenswei- sen unter Berücksichtigung der bestehen Umweltbedingungen (Prädispositions-Bedingungen) auswählt und ihr den exklusiven Zugriff auf die gemeinsam ge- nutzte beschränkte Ressource (z.B. Motorik) gewährt. Modifi- ziert nach Redgrave (1999). 20 Einleitung 21 Einleitung 5.2.2 Biosynthese, Wiederaufnahme und Abbau von Glutamat Die Biosynthese von L-Glutamat erfolgt durch eine von der Glutamatdehydrogenase katalysierte Transaminierung der α-Ketoglutarsäure, einem ubiquitären Intermediärprodukt des Citratzyk- lus (Stryer, 1995). Dies geschieht im Organismus vorwiegend in den Zellen der Leber, der Lunge, der Niere und in den Neuronen des Zentralnervensystems. Das gesamte im Zentralnervensys- tem vorkommende L-Glutamat wird ausschließlich lokal in Neuronen und Gliazellen syntheti- siert, da L-Glutamat die Bluthirnschranke nicht passieren kann. Im Zentralnervensystem kann L-Glutamat zusätzlich durch das mitochondriale Enzym Glutaminase direkt aus Glutamin � ���� ���� � ��� ��� � ��� � ��� ���� � � ���� ���� � ��� ��� ���� ������������ ���� �������� ���������� � � � � � ���� ���� � ��� ��� � ��� � ��� � � ���� ���� � ��� ��� � � ����� �� ���� �� ��� ����������������������� ����� �������������� ���������� ABBILDUNG 5.4 Biosynthese von Glutamat aus α-Keto- glutarat beziehungsweise aus Glutamin. Modifiziert nach Stryer (1996). synthetisiert werden. Dies geschieht vorwiegend in den synaptischen Nervenendigungen gluta- materger Neurone, in welchen das synthetisierte L-Glutamat durch einen vesikulären Transport in Speichervesikel aufgenommen und akkumuliert wird, um anschließend, abhängig von der intrazellulären Ca²+-Ionen Konzentration, durch Exocytose in den synaptischen Spalt freigesetzt zu werden. Die Menge des in den synaptischen Spalt freigesetzten Glutamats wird dabei von metabotropen Glutamat-Autorezeptoren kontrolliert (Lexikon der Neurowissenschaft, 2001). Die Inaktivierung des Glutamats im synaptischen Spalt erfolgt ausschließlich durch Wieder- aufnahme (reuptake) und Diffusion. Die Wiederaufnahme ist hauptsächlich durch einen hoch- affinen, transmembranären Glutamat-Transporter (EAAT - excitatory amino acid transporter) realisiert, der überwiegend auf den umliegenden Astrocyten (Gliazellen) und nur in geringem Umfang auf den Neuronen selbst lokalisiert ist. Die Astrocyten reagieren auf den erregenden Neurotransmitter Glutamat mit einer Aktivierung dieses Glutamat-Transporters, der das Glutamat durch einen strikt Na+-abhängigen Symport mit hoher Geschwindigkeit aus dem synaptischen Spalt entfernt. In den Astrocyten wird Glutamat mit Hilfe des Enzyms Glutamin- 20 Einleitung 21 Einleitung Synthetase über eine Amidierung in Glutamin überführt, welches dann über einen Aminosäure- Transporter wieder in die umliegenden Neurone zurücktransportiert wird, wo es anschließend zur erneuten Glutamatsynthese zu Verfügung steht (Glutamat-Glutamin-Zyklus). Die wichtigs- te Funktion der Wiederaufnahme ist, die synaptische Übertragung rasch zu beenden, um die Er- regungszeit des postsynaptischen Neurons zu begrenzen. Erst dies schafft die Voraussetzung für einen erneuten Übertragungsvorgang und verhindert eine Inaktivierung (Desensibilisierung) oder toxische Übererregung (Glutamatexzitotoxizität) des postsynaptischen Neurons. Auf diese Weise sind Astrocyten Teil der Informationsverarbeitung an der Synapse (Zusammenfassung bei Deutch und Roth, 1999; Lexikon der Neurowissenschaft, 2001). ��������� �������� �������� �������� �������� ��������������� ������ ���������������� ������ ������������������ ��������������� � � � � � � � ABBILDUNG 5.5 Glutamat Zyklus. 1. Synthese von Glutamat aus Glutamin durch das intrazelluläre Enzym Gluta- minase. 2. Aufnahme und Speicherung des Glutamats in Vesikel. 3. Glutamat Freisetzung in den synaptischen Spalt. 4. Wiederaufnahme des Glutamats von der Präsynapse beziehungsweise Aufnahme durch die benach- barten Astrozyten. 5. Abbau des Glutamats in den Astrozyten durch die Glutamin-Synthetase zu Glutamin. 6. Rücktransport von Glutamin in die Präsynapse des glutamatergen Neurons. Modifiziert nach Tohyama und Takatsuji (1998). 22 Einleitung 23 Einleitung 5.2.3 Glutamat-Rezeptortypen Glutamatrezeptoren, sind transmembranäre Glykoproteine, deren zelluläre Effekte von dem Neurotransmitter Glutamat vermittelt werden. Aufgrund der unterschiedlichen Postrezeptor- mechanismen (Signaltransduktionswege) werden die Glutamatrezeptoren in zwei Kategori- en eingeteilt. Einerseits die „metabotropen Glutamatrezeptoren“, die über G-Proteine an die intrazelluläre Signaltransduktion gekoppelt sind, und anderseits die Ionenkanal-bildenden „ionotropen Glutamatrezeptoren“, die ligandengesteuert die Permeabilität der Membran verän- dern können. (Übersicht Conn und Pin, 1997; Michaelis, 1998; Kandel et al., 2000) 5.2.4 Metabotrope Glutamat Rezeptoren Ein wesentliches Kennzeichen von metabotropen Glutamatrezeptoren ist die räumlich Tren- nung zwischen der Glutamat-Bindungsstelle und den zellulären Effektoren. Dabei wird die Verbindung zwischen dem transmembranären Rezeptor und den cytoplasmatischen Effektoren über ein GTP-bindendes Protein (G-Protein) realisiert. Bislang sind 6 verschiedene Subtypen (mGluR1-6) identifiziert worden. Diese unterscheiden sich unter anderem dadurch, dass unter- schiedliche sekundäre-Botenstoff-Kaskaden (second-messenger- cascades) zur Signaltransmis- sion verwendet werden. Die Rezeptoren mGluR1 und mGluR5 aktivieren die Phospholipase C, während die anderen Rezeptoren mGluR2, mGluR3, mGluR4 und mGluR6 die Adenylatcyclase inhibieren. Metabotropen Glutamatrezeptoren können also je nach Subtyp exzitatorisch oder inhibitorisch wirken (Kandel et al., 2000). Der metabotrope Glutamatrezeptor ist ein Rezeptor der langsamen synaptischen Übertragung. Die zeitliche Verzögerung (Latenz) zwischen dem Binden des Neurotransmitters und Eintritt des Effekts beträgt über 10 ms. (Nakanishi, 1992; Hollmann und Heinemann, 1994; Kandel et al., 2000). 5.2.5 Ionotrope Glutamat Rezeptoren Die ionotropen Glutamatrezeptoren sind unselektive, ligandengesteuerte Kationenkanäle. Die Bindungsstelle für den Neurotransmitter und der Ionenkanal sind dabei in einem transmemb- ranären Makromolekül vereint. Diese Rezeptoren dienen der schnellen synaptischen Übertra- gung. Die zeitliche Verzögerung (Latenz) für das Binden des Neurotransmitters bis zum Öffnen des Kanals beträgt unter 5 ms. Nach dem Öffnen des Kanals strömen entsprechend ihrem elek- trochemischen Gradienten Na+- und Ca²+-Ionen in das Zellinnere, während gleichzeitig K+-Ionen aus der Zelle heraus strömen. In der Gesamtheit resultiert daraus ein in das Zellinnere gerich- teter Ionenstrom, der die Zelle depolarisiert. Deshalb sind alle ionotropen Glutamatrezeptoren exzitatorisch. Ebenso wie bei den metabotropen Rezeptoren existieren auch bei den ionotropen Rezeptoren verschiedene Subtypen. Entsprechend ihrer Affinität zum Agonisten N-Methyl-D- Aspartat (NMDA) werden zwei Haupttypen unterschieden: die NMDA-Rezeptoren und die non- NMDA-Rezeptoren. (Nakanishi, 1992; Hollmann und Heinemann, 1994; Kandel et al., 2000). 22 Einleitung 23 Einleitung 5.2.5.1 NMDA-Rezeptoren Der NMDA-Rezeptor ist aus fünf Proteinuntereinheiten (Pentamer) aufgebaut. Bislang konnten sechs verschiedene Proteinuntereinheiten (NR1, NR2A, NR2B, NR2C, NR2D, NR3) identifiziert werden. Diese bilden durch unterschiedliche Zusammensetzung die bislang bekannten 5 Subty- pen (Subtyp 1, 2A, 2B, 2C und 2D), deren Vorkommen abhängig vom Entwicklungszustand und betrachteter Gehirnregion erheblich variiert. Da die Unterschiede der Subtypen für die vorlie- gende Arbeit nicht relevant sind, wird im Weitern nicht näher darauf eingegangen. Der NMDA-Rezeptor besitzt neben der Bindungsstelle für Glutamat und Aspartat auch eine allosterische Bindungsstelle für den Coagonisten Glycin. Innerhalb der Kanalpore befinden sich außerdem Bindungsstellen für Phencyclidin*, MK801 und Ketamin sowie spannungs- abhängige Bindungsstellen für Mg²+- und Zn²+-Ionen, die alle im Falle einer Bindung den ge- öffneten Ionenkanal vollständig blockieren können (Nakanishi, 1992). Unter physiologischen Bedingungen und im Ruhezustand (Membranpotential um -70 mV) wird die Kanalpore stets durch ein Mg²+-Ion blockiert. Dieser „Mg²+-Block“ ist dafür verantwortlich, dass Glutamat an den NMDA-Rezeptoren ruhender Zellen keine messbaren Effekte hat. Eine Aktivierung durch Glutamat setzt neben einer Coaktivierung durch Glycin auch eine Depolarisierung der Mem- bran (Membranpotential positiver als -50 mV) voraus, die durch elektrostatische Abstoßung den Mg²+-Block aus der Kanalpore heraus treibt. Dies geschieht meist über die Aktivierung benachbarter non-NMDA-Rezeptoren (hauptsächlich AMPA-Rezeptoren), die im Gegensatz zu den NMDA-Rezeptoren bei ihrer Aktivierung durch Glutamat keine Spannungssensitivität zeigen. Aufgrund der zeitlichen Verzögerung trägt der Ionenstrom durch den NMDA-Rezeptor ausschließlich zur späten Phase des exzitatorischen postsynaptischen Potentials (EPSP) bei (Collingridge und Watkins, 1994). Dieser Ionenstrom wird im Wesentlichen von Ca²+-Ionen getragen, da die Kanalpore des NMDA-Rezeptors im Vergleich mit non-NMDA-Rezeptoren für Ca²+-Ionen fünf- bis zehnmal permeabler ist als für Na+- und K+-Ionen. Deshalb ist der Beitrag von NMDA-Rezeptoren zum „normalen“ postsynaptischen Potenital als eher gering einzuschät- zen (diese Funktion wird von an den gleichen Zellen vorkommenden non-NMDA-Rezeptoren übernommen). Die primäre Funktion des NMDA-Rezeptors scheint vielmehr die Erhöhung der freien intrazellulären Ca²+-Ionen-Konzentration in Abhängigkeit vom aktuellen Membranpo- tential der Zelle zu sein. Dieser Anstieg der intrazellulären Ca²+-Ionen-Konzentration löst über calciumabhängige Signaltransduktions-Kaskaden biochemische Veränderungen aus (Klann et al., 1993; Bito et al., 1997), die bei manchen Formen synaptischer Modifikation eine essentielle Rolle spielen. Aufgrund der erwähnten Eigenschaften, der spannungsabhängigen Glutamatwir- kung und der nahezu exklusiven Ca²+-Ionen Permeabilität geht man davon aus, dass NMDA- Rezeptoren für die synaptische Plastizität (Langzeitpotenzierung, Langzeitdepression) verant- *halluzinogene Droge PCP, “Engelstaub“ (angels dust) 24 Einleitung 25 Einleitung wortlich sind und damit die zelluläre Grundlage für Lernvorgänge und die Speicherung von Gedächtnisinhalten bildet. (Bliss und Collingridge, 1993; Westbrook, 1994). 5.2.5.2 non-NMDA-Rezeptoren Die non-NMDA-Rezeptoren umfassen alle ionotropen Glutamatrezeptoren, die NMDA nicht binden können. In Analogie zur Namengebung des NMDA-Rezeptors werden sie entsprechend ihrer Affinität zu den Agonisten AMPA (α-Amino-3-hydroxy-5-methylisoxazol-4-propionsäu- re) beziehungsweise Kainat als AMPA-Rezeptoren beziehungsweise Kainatrezeptoren bezeich- net. Man unterscheidet verschiedene Subtypen der einzelnen Rezeptoren: AMPA-Rezeptoren werden in GluR1 bis GluR5 und Kainatrezeptoren in GluR6 und GluR7 sowie KA1 und KA2 unterteilt (Lexikon, der Neurowissenschaften, 2001). Beide non-NMDA-Rezeptor Subtypen bilden Kationenkanäle aus, die sowohl für Na+-Ionen als auch K+-Ionen permeabel sind. Durch den AMPA-Subtyp kann es außerdem unter be- stimmten Voraussetzungen zu einem geringen Ca²+-Einstrom kommen (Seeburg et al., 1990; Pellegrino-Giampietro et al., 1997). Da die Glutamatwirkung bei non-NMDA-Rezeptoren nicht spannungsabhängig ist, öffnet und schließt sich die Kanalpore als Reaktion auf die Glutamat- bindung, im Vergleich mit NMDA-Rezeptoren, äußerst schnell. Daher tragen die non-NMDA- Rezeptoren im Gegensatz zum NMDA-Rezeptor hauptsächlich zur frühen Phase des exzitato- rischen postsynaptischen Potential (EPSP) bei. Da die Kainatrezeptoren möglicherweise nur präsynaptisch lokalisiert sind, wird heute davon ausgegangen, dass das Glutamat-induzierte �������������������������� ���� �������� ������ ���� ������ ���� ���� ������������ ��� ��������������� ���� �������� ��� �� ������������� ������������� ABBILDUNG 5.6 Ionotrope Glutamatrezeptortypen. Es lassen sich zwei verschieden ionotrope Glutamat-Rezep- torklassen unterscheiden: die non-NMDA-Rezeptoren (AMAP- und Kainat-Rezeptoren) und die NMDA-Rezep- toren. Non-NMDA-Rezeptoren öffnen nach der Bindung von Glutamat und sind im geöffneten Zustand per- meabel für Na+ und K+-Ionen. Der NMDA-Rezeptor ist erst nach der Bindung von Glutamat und Glycin sowie nach der Entfernung des Mg2+-Block durch eine Depolarisation der Membran öffnen kann und im geöffneten Zustand für Na+-, K+- und auch für Ca2+-Ionen permeabel ist. CNQX ist ein kompetitiver Antagonist für die AMPA- und Kainat-Glutamatrezeptoren und AP5 ist ein kompetitiver Antagonist für die NMDA-Glutamatrezeptoren. Modifiziert nach Kandel et al. (2000). 24 Einleitung 25 Einleitung erregende postsynaptische Potential (EPSP) hauptsächlich durch die AMPA-Rezeptoren ver- mittelt wird (Seeburg et al., 1990; Kandel et al., 2000) 5.2.6 Synapsentypen des glutamatergen Systems Die glutamatergen Synapsen befinden sich vorwiegend auf den Dornfortsätzen (spines) und nur selten auf den Dendritenschäften des postsynaptischen Neurons. Aufgrund der Morpho- logie lassen sich im Zentralnervensystem (ZNS) zwei Synapsentypen unterscheiden, die als Gray-Typ I und Gray-Typ II bezeichnet werden (benannt nach ihrem Erstbeschreiber E. Georg Gray). Die glutamatergen Synapsen gehören zu den Gray-Typ I Synapsen. Typische Merkmale dieser Synapsen sind, neben einer asymmetrische Form, der breite synaptische Spalt von ca. 30 nm (Gray Typ II ca. 20 nm) und die große präsynaptisch aktive Zone mit einer Fläche von 1-2 µm² (Gray Typ II <1 µm²). Darüber hinaus lassen elektronenmikroskopische Aufnahmen der Gray-Typ I Synapsen deutliche Verdickungen der präsynaptischen Membran (dense projections) erkennen, die vermutlich die Ausschüttungsorte der Vesikel darstellen. Die Vesikel selbst weisen eine charakteristisch runde Form auf. Auch die postsynaptischen Membran zeigt ausgedehnte Verdichtungen (postsynaptic density) die offenbar bei der Umwandlung molekularer synaptischer ��������������� ������ ���������������� ������ ���� ��� � ���� ��� �� ������� ������ ������� ����� ����� ������ ������� ����� ��� ������ ������ ����� ����������� ������ ����� ����� ������ ������ ������ ����� ������ ������ ������ ����������� ����� ����������� ����� ����������� ����� ����������� ABBILDUNG 5.7 Unterschiede zwischen Graytyp I und Graytyp II Synapsen. Die Graytyp I Synapsen sind ty- pisch für glutamaterge und damit exzitatorische Synapsen. Charakteristisch für diesen Synapsentyp sind runde synaptische Vesikel, ein breiter synaptischer Spalt (ca. 30 nm), ausgedehnte aktive Zonen auf der postsynaptischen Seite und ausgeprägte Verdickungen (dense projections) auf der präsynaptischen Seite, die vermutlich die Ausschüttungsorte der Vesikel darstellen. Die Morphologie der übrigen Synapsen entspricht dem Graytyp II, sie sind gekennzeichnet durch ovale synaptische Vesikel, ein schmalen synaptischer Spalt und eine geringe Ausdehnung der aktiven Zonen auf der postsynaptischen Seite. Modifiziert nach Kandel et al. ( 2000). 26 Einleitung 27 Einleitung Mechanismen in dauerhafte morphologisch-funktionelle Änderungen eine entscheidende Rolle spielt (Siekevitz, 1985). (Übersicht Kandel et al., 1996; Lexikon der Neurowissenschaft, 2001). 5.2.7 Neuronale Plastizität unter Beteiligung von Glutamatrezeptoren Lernprozesse setzen die Veränderbarkeit neuronaler Verbindungen im Nervensystem voraus. Diese Veränderbarkeit wird unter dem Begriff “neuronale Plastizität“ zusammengefasst. Ist diese Veränderbarkeit auf die synaptischen Endigungen (Synapsen) beschränkt spricht man auch von “synaptischer Plastizität“. Aufgrund der verschiedenen Mechanismen, die diesen Veränderungen zugrunde liegen können, wird zwischen funktioneller Plastizität und struktureller Plastizität unterschieden. Die funktionelle Plastizität umfasst dabei alle Mechanismen die ohne Struk- turveränderungen auskommen, wie etwa die Erhöhung oder Verminderung der synaptischen Effizienz. Sie sind zumeist nicht von langer Dauer und bedürfen keiner de-novo-Proteinsynthe- se. Das zugrunde liegende neuronalen Netzwerk wird dabei nicht verändert, sondern nur die Gewichtung der einzelnen Verbindungen. Im Gegensatz dazu kommt es bei der strukturellen Plastizität zu morphologischen Veränderungen an Synapsen und häufig auch zur Neubildung bzw. zum Abbau synaptischer Verbindungen. Diese Vorgänge sind zumeist von langer Dauer und immer mit einer de-novo-Proteinsynthese verbunden. Das zugrunde liegende neuronale Netzwerk wird dabei stets verändert. Beiden Plastizitätsformen sind kaskadenartig miteinander verbunden. Die funktionelle Plastizität geht der strukturellen Plastizität stets voraus, sie schafft gewissermaßen die Voraussetzung für die anschließende strukturelle Plastizität (Lexikon der Neurowissenschaft, 2001). Obwohl sich aus obiger Definition ergibt, dass unter dem Begriff der neuronalen Plastizität eine größere Zahl verschiedener Sachverhalte und Mechanismen zusammengefasst wird, gibt es einen Schüsselprozess der für die Induktion der neuronaler Plastizität verantwortlich ist. Dieser Schüsselprozess ist die Langzeitpotenzierung (LTP von long term potentation) beziehungsweise der umgekehrte Vorgang die Langzeitdepression (LTD von long term depression). Für die In- duktion beider Vorgänge spielen Glutamatrezeptoren und dabei insbesondere die NMDA-Re- zeptoren eine herausragende Rolle. Die NMDA-Rezeptoren fungieren dabei als Ca²+-permeable Koinzidenzdetektoren, die sowohl zeitliche als auch räumliche Koinzidenzen der synaptischen Erregung registrieren können. (Bliss und Collingridge, 1993; Westbrook, 1994; Cain, 1997) 5.2.8 Grundlegender Mechanismus der Langzeitpotenzierung Im Folgenden soll der grundlegende Mechanismus der Langzeitpotenzierung am Beispiel einer glutamatergen Synapse dargestellt werden. Bei der Langzeitpotenzierung werden drei Phasen unterschieden: Induktion, Expression und Konservierung: Die vorbereitenden zellulären Me- chanismen entsprechen dabei jenen, die bei jeder normalen Signalübertragung an einer glu- tamatergen Synapse vorkommen: Eine Depolarisation der präsynaptischen Nervenendigung 26 Einleitung 27 Einleitung öffnet spannungssensitive Ca²+-Kanäle, wodurch es zu einem Ca²+-Einstrom in die Zelle kommt. Dieser bewirkt, durch Exocytose der synaptischen Vesikel an der präsynaptischen Plasmamem- bran, die Freisetzung von Glutamat in den synaptischen Spalt. Das Glutamat diffundiert zur postsynaptischen Plasmamembran und bindet dort an ionotrope Glutamat-Rezeptoren. Die durch ein einzelnes Aktionspotential freigesetzte Glutamatmenge reicht dabei nur zur Öff- nung einiger AMPA-Rezeptoren, wodurch es zu einem Na+-Ionen-Einstrom in die Postsynapse kommt. Die NMDA-Rezeptoren öffnen sich aufgrund der bereits erwähnten Spannungssensiti- vität nicht. Dieser erste Schritt entspricht dabei der normalen Signalübertragung an einer glut- amatergen Synapse und erzeugt ein relativ kleines EPSP von etwa 20 mV Amplitude (Kandel et al., 2000; Lexikon der Neurowissenschaft, 2001). I: Kommt es hingegen durch eine hochfrequente Serie von Aktionspotentialen zu einer länger andauernden Depolarisation der präsynaptischen Nervenendigung, so steigt die Glutamatkonzentration im synaptischen Spalt massiv an. Die freigesetzte Glutamatmenge reicht aus, um nahezu alle AMPA-Rezeptoren vollständig zu öffnen. Dadurch wird die postsynaptische Membran bis fast zum Nullpotential depolarisert. Diese Potenialverschiebung bewirkt, dass die bislang unbeteiligten spannungssensitiven NMDA-Rezeptoren ebenfalls öffnen (siehe auch Ka- pitel 5.2.5.1), was die postsynaptische Membran noch mehr depolarisiert und ein EPSP von etwa 100 mV Amplitude erzeugt. Der eigentlich wichtige Vorgang für die Induktion der Langzeitpo- tenzierung ist jedoch der massive Ca²+-Einstrom in die Postsynapse. Die NMDA-Rezeptoren fungieren dabei als zelluläre, Ca²+-permeable Koinzidenzdetektoren. Der Ca²+-Einstrom triggert die Langzeitpotenzierung durch die Aktivierung einer Kaskade unterschiedlicher biochemischer Reaktionen. Dazu zählen die Enzymaktivierung von Proteinkinasen (wie die Calcium-Calmo- dulin-abhängige Kinase II, eine Tyrosinkinase und die Proteinkinase C) und Phospholipasen, sowie Phosphatasen und die Protease Calpain um nur einige zu nennen (Kandel et al., 2000). E: In ihrer Gesamtheit bewirken diese biochemischen Reaktionen plastische Ver- änderungen, die zu einer lang anhaltenden Verstärkung der synaptischen Übertragung führen. Dabei finden sowohl postsynaptische als auch präsynaptische Veränderungen statt. Letztere wer- den insbesondere durch gasförmige, retrograde Boten wie Stickstoffmonoxid (NO) oder Koh- lenmonoxid (CO) ausgelöst; aber auch Arachidonsäure und PAF (platelet activating factor) wer- den als mögliche retrograden Boten diskutiert. Zu den postsynaptischen Veränderungen zählen neben einer gesteigerten Sensitivität auch eine erhöhte Anzahl von AMPA- und NMDA-Rezep- toren. Dadurch erzielt die gleiche Menge Glutamat an der postsynaptischen Seite eine stärkere Wirkung. Zu den präsynaptischen Veränderungen zählt die Aktivierung der Guanylatcyclasen, was in der Konsequenz zu einer erhöhten Glutamat-Freisetzung auf der postsynaptischen Seite führt. Folge aller dieser Veränderung ist eine Verbesserung der synaptische Effizienz. (Kandel et al., 2000) K: Um die Veränderungen der Langzeitpotenzierung langfristig zu kon- 28 Einleitung 29 Einleitung servieren, kommt es zu einer Aktivierung verschiedener Gene wie c-fos und c-jun, deren Produkte als Transkriptionsfaktoren eine anschließende de-novo-Proteinsynthese vermitteln. Die de-novo-Proteinsynthese ist der zentraler Schritt bei der Konservierung der verbesserten synaptische Effizienz durch lang anhaltende, cytologische Veränderungen. Sie stellt den Über- gang dar zwischen dem Kurzzeitgedächtnis, das auf kurzfristiger synaptischen Verstärkung beruht, und dem Langzeitgedächtnis, das auf einer langfristigen, strukturellen Verstärkung der ��������������� ������ ���������������� ������ ������� ����������� ����������� ��������� ��� ��������������������� ���� ���������� ������ �������� �������� ���� ����� �������� ����� �������� ����� �������� ����� ����� �������� ���������� ������������ ����������� ����������� ��� ������ ������ ������� �� ���� ��� ������ ���� ���� ����������������������� ����������� ������ ��� ��� ���������� �������� ������ � ����� ����������� ������ �������� ������ ABBILDUNG 5.8. Induktion der frühen Phase der Langzeitpotenzierung. Bei einer normalen, niederfrequenten synaptischen Übertragung wird nur relativ wenig Glutamat in den synaptischen Spalt freigesetzt. Diese Menge reicht nur zur Öffnung einiger non-NMDA-Rezeptoren und hat einen geringen Einstrom von Na+ und einen geringen Ausstrom von K+ zur Folge. Die NMDA-Rezeptoren bleiben trotz der Anwesenheit von Glutamat we- gen des Mg2+Blockes geschlossen. Bei einer hochfrequenten, LTP-auslösenden Reizsalve, wird wesentlich mehr Glutamat in den synaptischen Spalt freigesetzt. Dies führt zur Aktivierung vieler non-NMDA-Rezeptoren und damit zu einer starken Depolarisation der Membran. Der Mg2+Blockes wird dadurch entfernt und es kommt zu einem Strom von Na+ K+und Ca2+-Ionen durch die NMDA-Rezeptoren. Der Anstieg der Ca2+-Ionen Konzentra- tion innerhalb des dendritischen Dorns aktiviert verschiedene Kinasen (Ca2+/Calmodulin, Proteinkinase und Tyrosinkinase), die eine Langzeitpotenzierung in Gang setzen. Durch gasförmige retrograde Botenstoffe wird auch die präsynaptische Seite in diesen Prozess mit einbezogen. Modifiziert nach Kandel et al. (2000) und Lexi- kon der Neurowissenschaften (2001). 28 Einleitung 29 Einleitung synaptischen Transmission basiert. Ein typischer Vorgang ist dabei die Vervielfältigung beste- hender synaptische Verbindungen durch Bildung zusätzlicher synaptischer Kontakte (Kandel et al., 2000; Lexikon der Neurowissenschaft, 2001) 5.3 Der Neurotransmitter Dopamin 5.3.1 Dopamin Dopamin (Hydroxytyramin, 3,4-Dihydroxy-β-phenylethylamin) ist ein biogenes Amin, welches zur Gruppe der Catecholamine gehört. Im Zentralnervensystem (ZNS) spielt Dopamin eine wichtige Rolle als Neurotransmitter. 5.3.2 Biosynthese, Wiederaufnahme und Abbau von Dopamin Die Biosynthese von Dopamin erfolgt im Cytoplasma catecholaminerger Neurone, ausge- hend von der ubiquitär vorhandenen Aminosäure L-Tyrosin. Der erste und geschwindigkeits- bestimmende Schritt ist die Hydroxylierung von L-Tyrosin durch das Enzym Tyrosin-Hydro- xylase (TH). Das Intermediärprodukt dieser Katalyse ist Dihydroxyphenylalanin (L-DOPA), das anschließend durch das Enzym Aromatische-L-Aminosäuren-Decarboxylase (DOPAD) zu Dihydroxyphenylethylamin (Dopamin) decarboxyliert wird. Bei dopaminergen Neuronen en- det die Biosynthese an dieser Stelle. Die Dopamin Biosynthese wird durch die Veränderung der Hydroxylase-Enzymaktivität reguliert. Dies geschieht durch Phosphorlierung des Enzyms oder durch translationale und transkriptionale Kontrolle der Hydroxylase-Genexpression (Übersicht Kumer und Vrana, 1996) Das synthetisiert Dopamin wird in den dopaminergen Neuronen über einen vesikulären Monoamintransporter in Speichervesikel aufgenommen und akkumuliert, um anschließend, abhängig von der intrazellulären Ca²+-Ionen Konzentration, entweder durch Exocytose in den ��� ���� ��� �� ��� ���� ��� �� ��� ��� ��� ������������������������������������������������������������ ��� ������ ��������� ������������� �� �� �� �� �� �� ��� ABBILDUNG 5.9 Dopamin Biosynthese. Modifiziert nach Karlson et al. (1994). 30 Einleitung 31 Einleitung synaptischen Spalt oder durch nicht-konventionelle Exocytose entlang der Axone freigesetzt (volume transmission über Varikositäten) zu werden. Die Menge des freigesetzten Dopamins wird dabei von Dopamin-Autorezeptoren kontrolliert. Die Inaktivierung des Dopamins erfolgt ausschließlich durch Diffusion und Wiederaufnahme (reuptake). Wobei für die räumliche und zeitliche Termination des Dopaminsignals die Wie- deraufnahme den mit Abstand wichtigste Mechanismus darstellt (Grace, 1995; Zoli et al., 1998). Die Wiederaufnahme ist durch einen plasmamembranständigen Dopamin Transporter (DAT) realisiert, der ausschließlich in der Präsynapse dopaminerger Neurone lokalisiert ist (Freed et al., 1995). Der Transport ist ein strikt Na+-abhängiger Symport mit hoher Substrataffinität und –spe- zifität (Bannon et al., 1995). Ein Teil des in die Präsynapse aufgenommen Dopamins wird mit Hilfe des vesikulären Monoamintransporters (VMAT) wieder in Speichervesikel aufgenommen, der andere Teil wird abgebaut (Masson et al., 1999). Entsprechend der beteiligten Enzyme, die den intrazellulären Abbau einleiten, werden zwei Abbauwege unterschieden. Der eine Abbau- weg beginnt mit der Monoaminoxidase (MAO), die in zwei Isoformen, MAO-A und MAO-B, vorkommt, die sich hinsichtlich ihrer Substratspezifität unterscheiden. Die Monoaminoxidase A kommt sowohl in dopaminergen Neuronen als auch in den umliegenden Astrocyten vor und ���� ���� �� � ��� ��� �� � ��� ��� �� �� ��� ��� ��� �� � ��� ��� �� � ��� ���� �� �� ��� ��� ������ ���� �� � ��� ��� ��� �� �� ������������� ������� �������������������� ����������� �������������������� ���������� ���������������� ������� ������������� ����� ABBILDUNG 5.10 Dopamin-Katabolismus. Der Abbau von Dopamin erfolgt im Wesentlichen über die zwei darge- stellten Stoffwechselwege. Modifiziert nach Roth (1987a). 30 Einleitung 31 Einleitung ist dort jeweils in der äußeren Membran der Mitochondrien lokalisiert. Der andere Abbauweg beginnt mit der Catechol-O-Methyltransferase (COMT), die im Cytoplasma der Astrocyten (Gliazellen) vorkommt, aber nicht in dopaminergen Neuronen. (Cumming et al., 1992; Forth et al., 1996). Das freigesetzte Dopamin wird überwiegend in den umliegenden Astrocyten (Gliazellen) über einige Zwischenschritte, an denen auch das Enzym Aledhyd-Dehydrogenase (ADH) beteiligt ist, zu Homovanillinsäure (HVA) abgebaut (Roth, 1987a; 1987b). Ein nur geringer Anteil wird zu 3-Methoxytyramin (3-MT) umgesetzt (Forth et al., 1996; Übersicht Deutch und Roth, 1999). ��������������� ������ ���� ������������� ���������������� ������ ��������� ������ ������� ����� ������� �� ����� �������� ���������� �������� �������� ��� ���� ��� ���� ������� ��������� ����������� ������������ ����� ���� �������������� ���� ��� ���� ���������� ��� ��� ���� ���� ������� ��� ������� ������� ���� �������� ������ �������� ������� ��� ������ ��� Abbildung 5.11 Metabolismus des Dopamins in einer Synapse oder an einer Varikosität. Detaillierte Beschrei- bung der Vorgänge im Einzelnen siehe Text. Verwendete Abkürzungen: TH Tyrosin-Hydroxylase; DOPAD Aro- matische-L-Aminosäuren-Decarboxylase; MAO Monoaminoxidase; COMT Catechol-O-Methyltransferase; HVA Homovanilinsäure; 3-MT Methoxytyramin; VMAT vesikulärer Monoamintransporter; DAT Dopamin-Transporter. Modifiziert nach Black (1993) und Feldman et al. (1997). 32 Einleitung 33 Einleitung 5.3.3 Dopamin-Rezeptortypen Dopaminrezeptoren sind integrale Membranproteinen, die über G-Proteine an die intrazellu- läre Signaltransduktion gekoppelt sind. Die zellulären Effekte dieser metabotropen Rezeptoren werden durch die Bindung des Neurotransmitter Dopamin ausgelöst. Aufgrund unterschied- licher Affinitäten zu Dopamin und ihrer positiven (exzitatorischen) bzw. negativen (inhibito- rischen) Kopplung an die intrazellulären Signalkaskaden werden die Rezeptoren in mehrere Subfamilien eingeteilt. Die Familie der D₁-Rezeptoren umfasst die D₁- und D₅-Rezeptoren, die über erregende Gs-Proteine eine Stimulation der Adenylatcyclase bewirken. Dies führt zu einer Erhöhung der cytoplasmatischen cAMP Konzentration und durch die Aktivierung nachge- schalteter Signalkaskaden letztlich zu einer Erregung des Neurons. Die Familie der D₂-Rezep- toren umfasst die D₂, D₃ und D₄-Rezeptoren, die über hemmende Gi-Proteine eine Hemmung der Adenylatcyclase bewirken. Diese führt zu einer Reduktion der cytoplasmatischen cAMP Konzentration und durch die Inaktivierung nachgeschalteter Signalkaskaden letztlich zu einer Inhibierung des Neurons (Seeman und Van Tol, 1994). Beim D₂-Rezeptortyp werden darüber hinaus noch zwei verschiedenen Isoformen (D2L und D2S) unterschieden. Die D2L Isoform ist dabei vorwiegend postsynaptische aktiv, während die D2S Isoform offenbar als präsynaptischer Autorezeptor fungiert (Usiello et al., 2000). Dopaminrezeptoren sind häufig auch außerhalb des synaptischen Spaltes im somatodendri- tischen und axonalen Bereich lokalisiert und können dort von extrasynaptischem Dopamin angesprochen werden (Gonon, 1997). Die hochaffinen D₂-Rezeptoren fungieren dort als Auto- D₁-Rezeptorfamilie D₂-Rezeptorfamilie Rezeptor- Subtyp D₁ D₅ D₂ D₃ D₄ Alternative Nomenklatur¹ D1A D1B D2A D2B D2C Affinität zu Do- pamin Kd [nM]² 2340 228 1705 27 450 Wirkprotein Gs-Protein Gs-Protein Gi-Protein Gi-Protein Gi-Protein Zelluläre Effekte cAMP ↑ cAMP ↑ cAMP ↓ cAMP ↓ cAMP ↓ Erregungs- zustand Exzitation Exzitation Inhibition Inhibition Inhibition Vorkommen (nach mRNA Verteilung) Caudatus Puta- men, Nucleus accumbens, Olfactorisches Tuberculum Hippocampus, Hypothalamus Caudatus Puta- men, Nucleus accumbens, Olfactorisches Tuberculum Hypothala- mus, Nucleus accumbens Frontal Cortex, Medulla, Mittelhirn TABELLE 5.1 Eigenschaften der verschiedenen Dopaminrezeptor-Subtypen. Modifiziert nach ¹Strange (2000 und 1993), ²Sibley und Monsma (1992) und Sokoloff und Schwartz (1995). 32 Einleitung 33 Einleitung rezeptoren, die über eine negative Rückkopplung die Freisetzung von Dopamin regulieren kön- nen (Deutch und Roth, 1999). Interessant in diesem Zusammenhang ist der Befund, dass gerin- ge Dosen von Dopamin D₂-Antagonisten offenbar durch Blockade dieser D₂-Autorezeptoren die Freisetzung von Dopamin fördern können (Mayfield et al., 1993). Darüber hinaus wird auch angenommen, dass die D₃-Rezeptoren als Autorezeptoren wirksam sind (Diaz et al., 2000). 5.3.4 Verschiedene Freisetzungsmodi von Dopamin Es können zwei verschiedene Freisetzungsmodi von Dopamin unterschieden werden: einerseits ein phasischer und andererseits ein tonischer Modus der Freisetzung. Für die phasische Frei- setzung sind kurz andauernde (<200 ms) Salven (engl. bursts) von Aktionspotentialen charak- teristisch (Redgrave et al., 1999b). Dopamin wird dabei nahezu ausschließlich im Bereich des synaptischen Spaltes freigesetzt. Aufgrund der schnellen Freisetzung und der kurzen Diffusi- onswege wirkt Dopamin in diesem Fall als schneller Neurotransmitter (Grace, 1995; Di Chiara et al., 1998). Bei der tonischen Dopaminfreisetzung kommt es zu einer Ausschüttung von Dopamin aus Vari- kositäten (perschnurartigen Anschwellungen entlang der Axone und seiner Kollateralen) in den Extrazellularraum. Dabei haben diese dopaminergen Neurone einen charakteristisch langsa- men Entladungsrhythmus von ca. 1-2 Hz. Aufgrund der langsamen Freisetzung und der langen Diffusionswege im Extrazellularraum wirkt das Dopamin in diesem Fall als Neuromodulator. Das tonische freigesetzte Dopamin ist dabei ein divergentes und gleichzeitig diffuses Signal mit langandauernder Wirkung und nur geringer zeitlicher und räumlicher Auflösung (Grace, 1995; Di Chiara et al., 1998). Der Freisetzungsmodus scheint für die verschiedenen Funktio- nen von Dopamin mit verantwortlich zu sein (Schultz, 1998). Phasisch freigesetztes Dopamin ist als Neurotransmitter an der Prozessierung appetitiver, aufmerksamkeitserregender Stimuli beteiligt und dient der stimulusgerechten Anpassung von Willkürbewegungen (Schultz, 1998). Demgegenüber scheint tonisch freigesetztes Dopamin als Neuromodulator die Erregung der striatalen Projektionsneurone zu modulieren, was für die korrekte Auswahl und Ausführung von Willkürbewegungen unentbehrlich zu sein scheint. Eine strikte Trennung dieser beiden Freisetzungsmodi ist jedoch aufgrund der offenen Neurotransmission des Dopaminsystems kaum möglich. Die Zielrezeptoren einer dopaminergen Synapse können sich auch außerhalb des synaptischen Spaltes befinden und werden dort erst nach einer längeren Diffusionstrecke erreicht. Voraussetzung für diese, als Volumentransmission (volume transmission) bezeichnet Übertragung sind offene Synapsen, die ein „Überlauf“ (spill-over) des im synaptischen Spalt freigesetzten Dopamins in den umliegenden Extrazellularraum gestatten. Diese Volumentrans- mission an offenen Synapsen ist dabei charakteristisch für Transmission im dopaminergen System. Das im Extrazellulärraum befindliche Dopamin lässt sich daher weder einer eindeutig tonischen Freisetzung aus Varikositäten noch einer phasischen Freisetzung mit anschließender 34 Einleitung 35 Einleitung Volumentransmission zuordnen (Grace, 1995). Eine eindeutige Zuordnung von extrazellulärem Dopamin zu einem der beiden Freisetzungsmodi ist daher meist nicht möglich. 5.3.5 Dopaminerge Systeme Im Zentralnervensystem werden entsprechend der Regionen, die dopaminerge Neurone enthal- ten, vier Dopaminsysteme unterschieden: ein mesotelenzephales, ein dienzephales, ein periglo- meruläres und ein retinales Dopaminsystem (Björklund und Lindvall, 1984). Für die vorliegen- de Arbeit ist nur das mesotelenzephale Dopaminsystem von Bedeutung, da es die dopaminerge Innervation der Basalganglien umfasst. Die weitere Unterteilung in Subsysteme erfolgt anhand der unterschiedlichen Ursprungs- und Terminationsgebiete der dopaminergen Projektionen. Da dopaminerge Neurone verschiedener Ursprungsgebiete in gleiche Terminationsgebiete und umgekehrt dopaminerge Neurone gleicher Ursprungsgebiete in verschiedene Terminationsge- biete projizieren können, gibt es hinsichtlich der dabei verwendeten Nomenklatur bislang kein einheitliches System (Nieuwenhuys, 1985). Neben einer Dreiteilung in nigrostriatal, mesolimbisch und mesocortical (Fuxe, 1995) wird auch eine Zweiteilung in nigrostriatal und mesolimbisch (Björklund und Lindvall, 1984) vor- genommen, wobei die letztere Unterteilung durch mesostriatal und mesolimbocortical ersetzt werden sollten, da dieses Bezeichnungen die Projektionsverhältnisse exakter wiedergeben. (Ni- � � ��� �������� ������� �� �� ��� ���������� ������ ������ �������� �� ��� �������� ������������ ������ �������� ����������� ������ �������� ���������� ������ �� ��� �� ����������� �� � ������� �� � ������� ABBILDUNG 5.12 Übersicht über die aufsteigenden Projektionen der dopaminergen A8, A9 und A10-Neurone. Abkürzungen: NAc Nucleus accumbens; TO Tuberculum olfactorium; VP ventrales Pallidum; NSt Nucleus stria terminalis; NS Nucleus subthalamicus; A8-Neurone im Nucleus retrorubralis; A9-Neurone in der Substantia nigra; A10-Neurone in der Area tegmentalis. Modifiziert nach Roth (1987b). 34 Einleitung 35 Einleitung euwenhuys, 1985). Im Folgenden wird der Dreiteilung der dopaminergen Hauptprojektionen in nigrostriatal, mesolimbisch und mesocortical der Vorzug gegeben. Das Ursprungsgebiet dieser Hauptprojektionen sind drei Neuronenpopulationen im ventralen Mesenzephalon, die zugleich die bedeutendste Ansammlung dopaminerger Neurone im Zentralnervensystem (ZNS) dar- stellen. Dazu zählen die Zellgruppe A8 (Nucleus retrorubralis), die Zellgruppe A9 (Substantia nigra pars compacta) und die Zellgruppe A10 (Area tegmentalis ventralis). Die Axone dieser mesenzephalen, dopaminergen Neurone projizieren, in streng korrespondierender Topografie, entweder über das mediale Vorderhirnbündel oder über die Capsula interna in unterschiedliche Regionen des Dienzephalon und Telenzephalon (Nieuwenhuys, 1985). Aufgrund dieses Verlaufs der Projektionen werden sie auch als “aufsteigende dopaminergen Systeme“ bezeichnet (Fuxe et al., 1995). Entsprechend der oben vorgenommen Unterteilung werden drei aufsteigende dopaminerge Systeme unterschieden. Das nigrostriatale Dopaminsystem hat seinen Ursprung in den Zell- gruppen A8 und A9. Die A9-Neurone projizieren hauptsächlich zum Caudatus-Putamen (dor- sales Striatum), aber auch zum Globus pallidus und dem subthalamischen Nucleus. Demge- genüber projizieren die A8-Neurone vorwiegend zum ventralen Bereich des Putamens. Dieses Dopaminsystem spielt eine wichtige Rolle bei der motorischen Bewegungsinitation und -koor- dinierung sowie bei der Regulation des Muskeltonus durch die Basalganglien, deren Ausfall sich u.a. in der Parkinson-Krankheit manifestiert. Das mesolimbische Dopaminsystem hat seinen Ursprung in den Zellgruppen A9 und A10. Die A10-Neurone projizieren hauptsächlich zum Nucleus accumbens zum Tuberculum olfaktorium und zum Nucleus stria terminalis. Demgegenüber projizieren die A9-Neurone ebenfalls zum Nucleus accumbens. Die Projektionen des mesocorticalen Dopaminsystems haben ihren Ur- sprung ebenfalls in der Zellgruppe A10 und projizieren hauptsächlich in eine ganze Reihe von corticalen und limbischen Strukturen: präfrontaler Cortex, cingulärer Cortex und Amygdala um nur einige zu nennen. Die Funktion des mesolimbische und mesocorticale System ist die Vermittlung von motivatio- nell-emotionalen Einflüssen und spielt darüber hinaus eine wichtige Rolle bei der Vermittlung von kognitiven Leistungen wie Lernen und Gedächtnisbildung. Eine Zusammenfassung der anatomischen Befunde für Primaten findet man bei Nieuwenhuys (1985) und für Ratten bei Björklund und Lindvall (1984). 36 Einleitung 37 Einleitung 5.4 Motivation 5.4.1 Definition von Motivation Zielgerichtetes Verhalten und zielgerichtete kognitive Prozesse setzen eine innere Ursache vor- aus, ein Bemühen sie in “Gang zu setzen“, und ein Bemühen sie in “Gang zu halten“. Diese “innere Ursache“ bezeichnet man als Motivation, abgeleitet vom lateinischen “motivum“ (Beweggrund). In der Ethologie wird der Begriff Motivation synonym zu Antrieb, Trieb, Drang, Stimmung, Be- reitschaft und spezifischer Handlungsbereitschaft gebraucht, in der Psychologie wird er syno- nym für intuitive Bewertung, interne Ursache, Motiv, Gründe, Absicht und Intention verwendet. Die Vielzahl der verwendeten Begriffe macht die Unschärfe des Begriffs deutlich. Aus neurobiologischer Sicht ist Motivation ein hypothetischer innerer Zustand, der postuliert wurde, um die große Variabilität der Auslösbarkeit und Intensität einer Verhaltensreaktionen besser erklären zu können (Kandel et al., 2000). Beispielsweise kann ein äußerer Futterreiz allein die Intensität einer anschließenden Fressreaktion nicht hinreichend erklären. Zur Bildung eines Zusammenhangs bedarf es einer lockeren Korrelation zwischen Futterreiz und Fressreaktion, die sich durch den hypothetischen Motivationszustand „Hunger“ herstellen lässt. Ein Motiva- tionszustand ist demnach ein Hilfskonstrukt, das sich bislang auf der Basis der Neurobiologie oder Systemtheorie nicht eindeutig definieren lässt. Obwohl es an notwendigen Versuchen, die- sem Hilfskonstrukt ein physiologisches Korrelat gegenüberzustellen, nicht mangelt (Robbins und Everitt, 1996; Kalivas und Nakamura, 1999), leiden alle bisherigen Versuche an der unzurei- chenden neurobiologischen Definition des Begriffes. Für die Beschreibung von Motivationszuständen haben sich in erster Näherung besonders kybernetische Modelle von homöostatischen Regelkreisen als nützlich erwiesen. In einem solchen Regelkreis wird die Regelgröße von einem Messfühler erfasst, um anschließend von einem Fehlerdetektor mit dem voreingestellten Sollwert verglichen zu werden. Kommt es zu einer Abweichung der Regelgröße vom Sollwert, wird dies von einem Fehlerdetektor mit einem Fehlersignal beantwortet. Das Fehlersignal nimmt Einfluss auf diverse Stellglieder mit dem Ziel, die abweichende Regelgröße wieder auf den voreingestellten Sollwert zurückzuführen. In diesem einfachen kybernetischen Modell entspricht das Fehlersignal der Motivation und die Stellglieder sind häufig Verhaltsweisen. Verhalten, das zur Rückführung der Regelgröße auf den voreingestellten Sollwert führt, wird stets positiv verstärkt (Befriedigung), was dazu führt, dass das Verhalten künftig bei einem ähnlichen Fehlersignal (Motivation) wiederholt wird. Die Intensität und Dringlichkeit einer Verhaltenweise ist dabei direkt abhängig von der Motiva- tion. Der Motivation kann durch Deprivation gesteigert werden, zum Beispiel durch den Entzug von Nahrung (Hunger) oder den Entzug von Flüssigkeit (Durst). Die Motivation variiert also dem kybernetischen Modell zufolge, weil sich der innere Zustand eines Organismus in Relation zu einem bestimmten Sollwert verändert (Lexikon der Psychologie, 2002). 36 Einleitung 37 Einleitung Am Beispiel Hunger, Durst und Sexualverhalten wird deutlich, dass manche Motivationen von fundamentaler Bedeutung für das Überleben eines Organismus sind. Es besteht daher ein natürliches Interesse daran, die damit assoziierten Verhaltenweisen zu wiederholen. Viele Verhaltensweisen lassen sich näherungsweise durch homöostatische Regelkreise hinreichend erklären, es gibt aber auch Aspekte, die sich auf diese Weise nicht erklären lassen. Dazu zählen einige Verhaltenweisen von Drogenabhängigen und das Überfressen mit hochkalorischem Fut- ter („Junkfood“). Die Motivation für diese Verhaltsweisen kann mit der besonderen Attraktivität der erwarteten Belohnung erklärt werden. (Robbins und Everitt, 1999). Die Attraktivität einer erwarteten Belohnung beruht dabei offenbar auf zwei unterschiedlichen internen Repräsenta- tionen, eine Repräsentation der Anreizstärke der Belohnung („incentive value“) und eine Re- präsentation der Genussstärke („hedonic value“). Diese Unterteilung wurde aufgrund folgender Experimente vorgenommen. Es wurden Tiere zunächst klassisch konditioniert, einen Lichtsti- mulus mit Futter zu assoziieren und mit einer Futtersuchreaktion zu beantworten. Dieses Futter wurde in einem Folgeexperiment mit Übelkeit assoziiert, indem nach einer (unkonditionier- ten) Futteraufnahme LiCl appliziert wurde. Wird so vorbehandelten Tieren der konditionierte Lichtstimulus ohne nachfolgende Futtergabe dargeboten, reagieren die Tiere dennoch mit der konditionierten Futtersuche-Reaktion. Daraus wurde abgeleitet, dass sich die Anreizstärke der Futterbelohnung offenbar nicht geändert hat. Wird jedoch so vorbehandelten Tieren das Futter angeboten, nehmen sie es nicht zu sich, die konditionierte Reaktion nimmt ab. Dies wurde so interpretiert, dass auch eine Repräsentation der Genussstärke des Futters vorliegt, die rasch und durch direkten Futterkontakt veränderbar ist. Die Einzelheiten dieser komplexen Vorgänge sind jedoch noch unverstanden. Eine aktuelle Übersicht findet sich Cardinal et al. (2002). Die unterschiedliche Motivation beeinflusst den Organismus auf vielfältige Weise und erfüllt dabei drei wichtige Funktionen. 1. Aktivierung: Die Handlungsbereitschaft des Individuums wird durch die Steigerung der allgemeine Wachheit (Vigilanz) erhöht. 2. Steuerung: Motivation ist eine notwendige Bedienung für zielgerichtetes Verhalten 3. Organisation: Motivation erzeugt aus einzelnen Verhaltenskomponenten eine kohärente Verhaltenssequenz (Kandel et al., 2000). 5.4.2 Zielgerichtetes Verhalten Zielgerichtetes Verhalten (goal-directed behaviour) wird definiert durch zwei Kriterien (Car- dinal et al., 2002): erstens der instrumentellen Kontingenz zwischen dem eigenen Verhalten (Handlung) und der entsprechenden Konsequenz (Ergebnis) und zweitens durch die inneren Repräsentation dieser Konsequenz als wünschenswertes Ziel (Anreizwert, engl. incentive value). D.h. das Verhalten einer Ratte in einer Skinnerbox, die einen Hebel für eine Futterbelohnung drückt, ist dann zielgerichtet, wenn die Ratte erstens gelernt hat, dass das Drücken des Hebels voraussichtlich zu einer Futterbelohnung führen, und zweites, wenn das Erhalten der Futterbe- lohnung im Rahmen des Appetenzverhaltens ein wünschenswertes Ziel für die Ratte darstellt 38 Einleitung 39 Einleitung (Cardinal et al., 2002). Das Fressen der Futterbelohnung beendet das zielgerichtete Verhalten, man bezeichnet den Vorgang deshalb als Endhandlung (Lexikon der Psychologie, 2002). Unter natürlichen Bedingungen besteht zielgerichtetes Verhalten häufig aus zwei Phasen, einer vorausgehenden appetitiven und einer anschließenden konsumatorischen Phase (Robbins et al., 1989; Everitt, 1990). Die appetitive Phase dient der Suche nach der auslösenden Reizsituation, d.h. das Objekt der Endhandlung erreichbar zu machen (z.B. Suche der Beute, Suche nach Sexualpartner) und da- mit letztlich der Vorbereitung der antriebsmindernden Endhandlung. Diese Phase wird durch inneren Bedingungen (z.B. Hunger) und äußere Hinweisreize (z.B. Anblick eines Beutetiers) angeregt. Die appetitive Phase ist gekennzeichnet durch eine gesteigerte Wachheit (Vigilanz) und durch eine allgemeine Aktivierung (arousal), die das Individuum in Handlungsbereitschaft versetzt. Das eher ungerichtete aber flexible Verhalten während dieser Phase bezeichnet man als Appetenzverhalten. Ein typisches Beispiel für Appetenzverhalten ist ein hungriges Raubtier, das auf der Suche nach Beute sein Jagdrevier zu durchstreift (Lexikon der Neurowissenschaft, 2001; Lexikon der Psychologie, 2002). Die sich anschließende konsumatorische Phase wird durch den Kontakt mit der reizauslösenden Situation, d.h. dem Finden des Objektes der Endhandlung, eingeleitet. Die konsumatorischen Phase dient dem Erreichen des angestrebten Zieles durch eine Verhaltenweise, die unmittelbar zur antriebsmindernden Endhandlungen führt. Das Erreichen des Zieles beendet das zielge- richtete Verhalten, indem die ursprüngliche Motivation verschwindet und sich ein angenehmes Gefühl der Befriedigung einstellt. Diese Phase nach der Endhandlung ist gekennzeichnet durch ��������������� �������������� ����������� ������������� �������� ��������������� ������������ ������������ ��������� ������������������ ��������� �������������� ���������������� ��������� ����������� ��������� ������� ������������ ���������� ��� �������������� ������� ������������ �������� ������� ������� �������� ��������������� ����������������� ABBILDUNG 5.13 Zielgerichtetes Verhalten am Beispiel der Futteraufnahme eines Tieres. Sowohl externe Reize als auch innere Antriebe beeinflussen, unabhängig voneinander, den Motivationszustand bezüglich der Fut- teraufnahme. Bei den externen Reizen wird zwischen Kontakt-Stimuli und Entfernten Stimuli unterschieden. Die Kontakt-Stimuli resultieren aus dem direkten Kontakt mit dem Futter und leiten das konsumatorische Verhalten ein, während die Entfernten Stimuli sich aus Hinweisen der Umgebung herleiten, die auf eine bevor- stehende Futteraufnahme hindeuten und appetitive Verhaltsweisen einleiten. Modifiziert nach Robbins und Everitt (1999). 38 Einleitung 39 Einleitung Beruhigung und motorische Inaktivität. Das gerichtete, aber eher stereotype und reflexartige Verhalten während dieser Phase wird konsumatorischen Verhalten genannt. Ein typisches Bei- spiel für konsumatorischen Verhalten ist ein hungriges Raubtier, das ein Beutetier tötet und anschließend frisst (Robbins und Everitt, 1996; 1999; Lexikon der Psychologie, 2002) Die beiden Phasen des zielgerichteten Verhaltens lassen sich auch auf neurochemischer Ebene unterscheiden (Robinson und Berridge, 1993). Während die appetitiven Phase mit einer Akti- vierung des Dopaminsystems einhergeht, ist die konsumatorische Phase durch eine Aktivierung des Endorphinsystems gekennzeichnet (Robbins und Everitt, 1996). Der Dopaminspiegel sinkt sogar in dem Moment, in dem konsumatorische Verhalten (z.B. Fressen) beginnt (Robbins und Everitt, 1996). Suchtmittel, die das Dopaminsystems aktivieren (Amphetamin; Cocain), wirken sich deshalb auf das Appetenzverhalten aus („Powerdrogen“), während Suchtmittel, die das En- dorphinsystems aktivieren (Morphin), eine belohnende Wirkung haben. 5.5 Der Motivationsschaltkreis 5.5.1 Endeckungen die zur Definition des Motivationsschaltkreises führten Das ursprüngliche Interesse an den neuronalen Grundlagen von motiviertem Verhalten wurde bereits Mitte der 50er durch die Entdeckung der intrakraniellen Selbstreizung geweckt (Olds und Milner, 1954). Ausgangspunkt war die Entdeckung, dass eine elektrische Reizungen von einigen Gehirnarealen bei Ratten dazu führte, dass sich diese anschließend bevorzugt an jener Stelle des Käfigs aufhielten, an der sie zuvor elektrisch gereizt worden waren. Daraufhin wurde den Ratten in dem berühmte geworden Experiment von James Olds die Möglichkeit einge- räumt, sich mittels eines Hebeldruckes die elektrische Reizungen in die entsprechenden Gehir- narealen selbst zu verabreichen (intrakraniellen Selbstreizung). Die Ratten lernten schnell den Zusammenhang zwischen Hebeldruck und der offenbar angenehmen Empfindung, die durch die elektrische Reizung ausgelöst wurden. Was in der Konsequenz dazu führte, dass sich diese, unter Vernachlässigung aller andren Bedürfnisse, bis zur völligen Erschöpfung selbst reizten (Olds und Milner, 1954). Die anschließende Kartierung von Strukturen, die die intrakraniel- len Selbstreizung vermitteln, führte dann zur ersten Beschreibung eines Verstärkersystems im Zentralnervensystem von Säugern (siehe Birbaumer und Jänig, 1995). Dieses Verstärkersystem umfasste sowohl Strukturen innerhalb des limbischen Systems, wie Amygdala, Septum und präfrontaler Cortex, als auch Projektionen des mesolimbischen Dopaminsystems (Robbins und Everitt, 1996). In den späten 80er Jahren wandte sich die Forschung verstärkt den neuronalen Prozessen zu, die für die Initiation von motorischer Aktivität verantwortlich sind. Dabei entdeckte man durch den Einsatz von psychomotorisch wirksamen Substanzen wie Amphetamin und Cocain , dass die verstärkenden Effekte dieser Substanzen offenbar von einem dopaminabhängigen Mecha- 40 Einleitung 41 Einleitung nismus im Nucleus accumbens vermittelt werden (Koob et al., 1992). Dies führte anfangs der 90er Jahre zu der Hypothese, dass erstens auch die verstärkenden Ef- fekte anderer Suchtmittel durch dieselben Mechanismen vermittelt werden (Wise, 1996), und zweitens auch die verstärkenden Effekte natürlicher Verstärker, wie Futter und Sex, von diesem Mechanismen abhängig sind* (Wise, 1996). Sowohl die Effekte der intrakraniellen Selbstrei- ABBILDUNG 5.14 Schematisch Darstellung des Motivationsschaltkreises und der wichtigsten daran beteiligten Transmitter nach Kalivas und Nakamura (1999). Der Motivationsschaltkreis ist einerseits an der Wahrnehmung und Bewertung von belohnungsanzeigenden Hinweisreizen beteiligt und anderseits an der darauf folgenden Initiation von adaptiven, belohnungsgerichteten Verhaltensweisen. Der Nucleus accumbens kann in diesem Schaltkreis als Schnittstelle zwischen limbischen Strukturen einerseits und motorischen System anderseits aufgefasst werden und nimmt damit eine zentrale Rolle bei der Vermittlung dieser adaptiven, belohnungsge- richteten Verhaltensweisen ein. zung als auch die verstärkende Wirkung von Psychostimulanzien scheinen die Wirkung natür- licher Verstärker nachzuahmen. Diese Erkenntnis und die zunehmend detaillierter werdenden Beschreibungen der Projektionen zwischen den Kerngebieten ermöglichte dann Mitte der 90er Jahre die Definition eines neuronalen Netzwerkes, das allgemein für die Generierung motivier- ten Verhaltens verantwortlich sein soll (Robbins und Everitt, 1996). Diese im Vergleich zum be- kannten Verstärkersystem umfassendere Definition kann dabei als Versuch verstanden werden, dem Hilfskonstrukt Motivation ein physiologisches Korrelat gegenüberzustellen. Entsprechend der unterschiedlichen Akzentuierung struktureller und funktioneller Merkmale des neuronalen Netzwerkes werden in der Literatur verschiedene Bezeichnungen verwendet: limbisch corti- costriatale Funktionsschleife (limbic corticostriatal loop) (Cardinal et al., 2002), limbisch striatal ������������� �������� ������������� �������� ������������ ������ ������� ��������� ��������� ����������� ����� ��������� �������� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � ����������� ���������� ������� *Dieser letzte Teil der Hypothese ist nach wie vor Gegenstand kontroverser Diskussionen (Robbins und Everitt, 1996) 40 Einleitung 41 Einleitung pallidaler Schaltkreis (limbic striatal pallidal circuitry) (Robbins und Everitt, 1996), limbisches System (Zilles und Rehkämper, 1998), Motivationssystem (Kandel et al., 2000), Motivations- schaltkreis (motive circuit) (Kalivas und Nakamura, 1999) oder Belohnungssystem (reward sys- tem) (Rolls, 1999). Um die funktionellen Merkmale dieses neuronalen Netzwerkes zu betonen wird im Folgenden dem Begriff “Motivationsschaltkreis“ von Kalivas und Nakamura (1999) der Vorzug gegeben. 5.5.2 Der Motivationsschaltkreis und die anatomische und funktionelle Organisation seiner Teilstrukturen Der Motivationsschaltkreis ist ein neuronales Netzwerk das folgende Strukturen umfasst: die basolaterale Amygdala, den präfrontalen Cortex, den mediodorsalen Thalamus, den Nucleus accumbens, die Area tegmentalis ventralis und ventrale Pallidum. Die wichtigsten Transmitter dieses neuronales Netzwerks sind GABA, Dopamin und Glutamat, obwohl auch andere Trans- mitter wie Enkephalin, Serotonin und Acetylcholin in diesem Schaltkreis vorkommen (Kalivas und Nakamura, 1999). Motiviertes Verhalten ist das Ergebnis der Aktivität dieses neuronalen Netzwerkes und der beteiligten Transmittersysteme, es kann nicht aus der Funktion einzelner Gehirnstrukturen oder eines Transmittersystems allein hergeleitet werden (Kelley und Berridge, 2002). Die Leistung des Motivationsschaltkreises, motiviertes Verhalten hervorzubringen, scheint aus heutiger Sicht emergent zu sein, d.h. sie ergibt sich nicht vollständig aus den Teilleis- tungen der beteiligten Gehirnstrukturen. Dies ist intuitiv einleuchtend, weil die Erklärung von motiviertem Verhalten auf der Grundlage von Beiträgen einzelner Gehirnstrukturen dem Ver- such gleichkäme, „Motivation“ in Untereinheiten zerlegen zu wollen, was zurzeit insbesondere an der unzureichenden neurobiologischen Definition des Begriffes scheitert. Die Lösung des Problems besteht darin, das Hilfskonstrukt „Motivation“ langfristig durch neu- robiologischen identifizierbare und eindeutig definierbare Prozesse zu ersetzen, die in ihrer Summe motiviertes Verhalten generieren können. Ein viel versprechender Ansatz ist dabei die Analyse der Teilleistungen einzelner Gehirnstrukturen, was inzwischen dazu geführt hat, dass einige solcher Prozesse identifiziert werden konnten (Kalivas und Nakamura, 1999; Rolls, 1999; Pennartz et al., 2000; Cardinal et al., 2002; Kelley und Berridge, 2002; ). Im Folgenden wird des- halb auf die Teilleistungen dieser Gehirnstrukturen und deren funktionelle Organisation näher eingegangen. Die basolaterale Amygdala und der präfrontalen Cortex sind die cortico-limbischen Strukturen des Motivationsschaltkreises, sie haben einen direkten Zugang zu sensorischer Information. Beide Strukturen erhalten dopaminerge Efferenzen von der Area tegmentalis ventralis und projizieren über ihre glutamatergen Afferenzen auf den Nucleus accumbens, außerdem sind sie untereinander durch glutamaterge Projektionen verbunden (Kalivas und Nakamura, 1999; Cardinal et al., 2002). Elektrophysiologische Messungen zeigen, dass die neuronale Aktivität in 42 Einleitung 43 Einleitung beiden Strukturen mit der Wahrnehmung und Beurteilung von Belohnungsreizen assoziiert ist (Hitchcott und Phillips, 1997; Lacroix, 1998). Dies wird auch von Verhaltens- und neurochemi- sche Messungen bestätigt, die darüber hinaus beiden auch eine Rolle bei der Ausführung von angepassten Verhaltensantworten zuweisen (Gemba et al. 1997; Pratt und Mizumori, 1998). Daneben gibt es jedoch auch funktionelle Unterschiede zwischen Strukturen. Die basolaterale Amygdala spielt insbesondere bei der Pawlowschen Konditionierung eine wichtige Rolle, indem sie die eingehende sensorische Information über den konditionierten Reiz (CS) nutzt, um den aktuellen emotionalen und motivationalen Wert des vorausgesagten unkonditionierten Reiz (US) zu beurteilen (Cardinal et al., 2002). Außerdem führen Zerstörungen innerhalb der basola- teralen Amygdala zu spezifischen Beeinträchtigungen der Fähigkeit von konditionierten Reizen (CS), instrumentelles Verhalten zu beeinflussen (Killcross et al., 1997; Holland und Gallagher, 1999). Demgegenüber befinden sich im präfrontalen Cortex Repräsentation von instrumentellen Handlungs-Konsequenz-Kontingenzen (action-outcome-contingencies), d.h. er codiert die In- formation, mit welchem Verhalten man welches Ergebnis erhält (Schoenbaum et al., 1999; Car- dinal et al., 2002). Außerdem kodieren Neurone im präfrontalen Cortex die relative Attraktivität von belohnungsanzeigenden Hinweisreizen (Watanabe, 1999). Die Area tegmentalis ventralis erhält einerseits glutamaterge Afferenzen von den beiden cortica- len Strukturen und anderseits GABAerge Afferenzen vom Nucleus accumbens. Seinerseits proji- ziert sie mit ihren dopaminergen Efferenzen auf alle anderen Strukturen des Motivationsschalt- kreises (Kalivas und Nakamura, 1999). Über die Bedeutung dieser dopaminergen Projektionen gibt es viele Hypothesen. Eine geht davon aus, dass das Dopaminsignal ein Vorhersagefehlersi- gnal (prediction error signal) codiert, d.h. immer dann, wenn Unterschiede zwischen Prädiktion und dem darauf folgenden Ereignis bestehen, reagiert das dopaminerge System darauf mit einer Änderung der Dopaminfreisetzung (Schultz, 1998). Damit wäre das Dopaminsignal auch ein „Bewertungssignal“, das auf neue und geänderte Belohnungen hinweist (Schultz, 2000). Der Nucleus accumbens erhält corticale, glutamaterge Afferenzen von der basolateralen Amygdala und dem präfrontalen Cortex, subcorticale, dopaminerge Afferenzen von der Area tegmentalis ventralis und GABAergen Afferenzen vom ventrale Pallidum. Seine Efferenzen projizieren zum ventralen Pallidum der primären Ausgangstruktur des Motivationsschaltkrei- ses (Kalivas und Nakamura, 1999). Der Nucleus accumbens kann deshalb als Schnittstelle zwi- schen den limbischen Strukturen einerseits und dem motorischen System anderseits aufgefasst werden (Mogenson et al., 1993; Groenewegen et al., 1996). Seine Funktion besteht darin, den motivationalen Einfluss von emotional bedeutenden Reizen auf das Verhalten zu vermitteln (Parkinson et al., 2000), was letztlich die Auswahl von Verhaltensprogrammen mit einschließt oder mit den ursprünglichen Worten von Mogenson: „a neural mechanism by which motivation gets translated into action” (Mogenson et al., 1980, Seite 91). Der Nucleus accumbens ist der 42 Einleitung 43 Einleitung primäre Integrationsort für GABAerge, glutamaterge und dopaminerge Informationen. Auf- grund der unterschiedlichen Afferenzen und Efferenzen der beiden Subregionen des Nucleus accumbens ist es nicht weiter verwunderlich, dass sich die Subregionen auch funktionell von- einander unterscheiden. Während die „shell“-Region ungelerntes Verhalten, d.h. den Einfluss von primären Verstärkern (unkonditionierte Reize US wie z.B.: Futter) vermittelt, ist die „core“- Region für den Einfluss von Pawlowsch konditionieren Reizen auf gelerntes, instrumentelles Verhalten (Pawlowsch-instrumenteller Transfer PIT, siehe auch Kapitel 5.7.4) verantwortlich und außerdem an der Verhaltenselektion bei verzögerten Belohnungen beteiligt (Cardinal et al., 2002). Das ventrale Pallidum erhält GABAerge Afferenzen vom Nucleus accumbens und dopaminerge Afferenzen von der Area tegmentalis ventralis. Seine Efferenzen projizieren GABAerge zum mediodorsalen Thalamus, zur Area tegmentalis ventralis und zu motorischen Nuclei. Das vent- rale Pallidum wird deshalb auch als primäre Ausgangstruktur des Motivationsschaltkreises auf- gefasst. Darüber hinaus scheint es für die Vermittlung von natürlichen appetitivem Verhalten verantwortlich zu sein (Kalivas und Nakamura, 1999). Der mediodorsalen Thalamus erhält GABAerge Afferenzen vom ventralen Pallidum, dopaminerge Afferenzen von der Area tegmentalis ventralis und glutamaterge Afferenzen vom präfrontalen Cortex. Seine Efferenzen projizieren glutamaterg zum präfrontalen Cortex. Der mediodorsale Thalamus ist in eine Rückkopplungsschleife eingebunden, die offenbar, durch den Einfluss auf homöostatische Regelkreise, das Fressverhalten und damit auch die Motivation für Futter-Belohnungen kontrolliert (Kelley, 1999; Petrovich et al., 2001). 5.5.3 Funktion des Motivationsschaltkreises Die Funktion des Motivationsschaltkreises beruht einerseits auf der Identifikation von beloh- nungshinweisenden Reizen und anderseits auf der situationsgerechten Selektion und Initiation von belohnungsgerichteten Verhaltensweisen (Kalivas und Nakamura, 1999). Die Identifikation von belohnungshinweisenden Reizen geschieht durch die Analyse von sensorischer Information bezüglich ihrer potentiell bel