Dopaminergic neuromodulation in the motor cortex and its role for motor learning

• Antragsteller: Professor Dr. Andreas R. Luft
• Fachliche Zuordnung: Klinische Neurologie; Neurochirurgie und Neuroradiologie
• Förderung: Förderung von 2006 bis 2012
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 23937886

• Erstellungsjahr: 2013

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Die Experimente beschreiben zum ersten Mal Anatomie, Funktion und Rolle der dopaminergen Projektionen zum primären motorischen Cortex (MI) der Ratte. Der motorische Cortex (Hirnrinde) Ist für Bewegung und ßewegungslernen notwendig. Wie viele andere Hirnregionen erhält auch er Fasern aus tieferen Hirnregionen, die den Botenstoff Dopamin enthalten. Als Ursprung der dopaminergen Fasern zu MI konnten wir die ventrale tegmentale Area (VTA) identifizieren. Das von der VTA In den Ml gesandte Dopamin verändert die Erregbarkelt von Motorkortex-Neuronen und trägt dazu bei, dass die Synapsenstärke zwischen Neuronen hochreguliert wird, sog. long term potentiation, ein zelluläres Äquivalent für Lernen. Schaltet man die dopaminergen Zellen in der VTA aus oder hemmt man den Effekt von Dopamin in Ml an der Synapse, so kann man bei der Ratte das Erlernen einer fein motorischen Aufgabe unterbinden. Diese Funktion von Dopamin in MI wird bestätigt durch die Tatsache, dass bei Tieren mit einer Schädigung der dopaminergen Zellen Lernen möglich ist, wenn man von aussen Dopamin in MI spritzt (supplementiert). Ein überraschendes Ergebnis war, dass sowohl D1 als auch D2 Rezeptoren gleichermassen für Lernen wichtig sind bzw. durch ihre Hemmung Lernen verlangsamt wird. Denn beide Rezeptoren haben üblicherweise gegensätzlich intrazelluläre Auswirkungen. Erklären konnten wir diesen Widerspruch durch eine alternative Konfiguration der Rezeptoren, die über ein anderes intrazelluläres Enzym wirken (Phospholipase C). Wir konnten zeigen, dass es dieses Enzym ist, das für Lernen wichtig ist. Diese Ergebnisse verdeutlichen, dass Dopamin ein entscheidender Botenstoff für motorisches Lernen ist. Da Lernvorgänge auch bei der Erholung nach Hirnläsionen eine Rolle spielen, kann man vermuten, dass Dopamin auch zur Erholung beiträgt. Ob man durch eine Verstärkung der Dopamin-Sekretion in MI Lernen und Erholung verbessern kann, bleibt zu untersuchen.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Motor learning transiently changes cortical somatotopy. Neuroimage 2008;40:1748-1754
  Molina-Luna K, Hertler B, Buitrago MM, Luft AR
  
• Thin-film epidural microelectrode arrays for somatosensory and motor cortex mapping in rat. J Neurosci Methods 2008;172:255-262
  Hosp JA, Molina-Luna K, Hertler B, Atiemo CO, Stett A, Luft AR
  
• Dopamine in motor cortex is necessary for skill learning and synaptic plasticity. PLoS One 2009;4:e7082
  Molina-Luna K, Pekanovic A, Rohrich S, Hertler B, Schubring-Giese M, Rioult-Pedotti MS, Luft AR
  
• Dopaminergic Modulation of Motor Maps in Rat Motor Cortex: An In Vivo Study. Neuroscience 2009;159:692-700
  Hosp JA, Molina-Luna K, Hertler B, Atiemo CO, Luft AR
  
• Dopaminergic modulation of receptive fields in rat sensorimotor cortex. Neuroimage 2010;54:154-160
  Hosp JA, Hertler B, Atiemo CO, Luft AR
  
• Motor skill learning depends on protein synthesis in the dorsal striatum after training. Exp Brain Res 2010;200:319-323
  Wächter T, Röhrich S, Frank A, Molina-Luna K, Pekanovic A, Hertler B, Schubring-Giese M, Luft AR
  
• Dopaminergic projections from midbrain to primary motor cortex mediate motor skill learning. J Neurosci 2011;31:2481-2487
  Hosp JA, Pekanovic A, Rioult-Pedotti MS, Luft AR