5. Dopaminausschüttung

Die Dopaminausschüttung erfolgt hauptsächlich durch dopaminerge Nervenzellen in der Substantia nigra pars compacta und im ventralen Tegmentum. Diese Nervenzellen projizieren über ihre Axone in verschiedene Regionen des Gehirns, wie das Striatum und den PFC, und beeinflussen dort verschiedene Funktionen wie Bewegung, Erlernen von Gewohnheiten, Belohnung und Motivation. Auch noradrenerge Nervenzellen können Dopamin ausschütten, insbesondere im präfrontalen Kortex. Es gibt verschiedene Formen der Neurotransmitterübertragung, darunter die endokrine Transmission, die Volumenübertragung und die synaptische Transmission.
Dopamin wird aus synaptischen und nicht-synaptischen Varikositäten freigesetzt. Die Dopaminfreisetzung aus synaptischen Varikositäten erfolgt durch die Fusion der Vesikel mit der präsynaptischen Plasmamembran. Es gibt verschiedene Arten der Vesikelfusion, darunter das einfache Ereignis (vollständige Vesikelfusion mit der Membran) und das komplexe Ereignis (Teilausschüttung aus Vesikel).
Dopamin kann aus dem Axon oder den Dendriten freigesetzt werden. Die somatodendritische Dopaminfreisetzung spielt eine Rolle bei der motorischen Kontrolle, der Motivation und dem Lernen. Die Dopaminausschüttung aus dem Dopamintransporter (DAT-Efflux) kann durch Veränderungen des Membranpotenzials und der extrazellulären Ionenkonzentrationen sowie durch die Aktivierung von intrazellulären Signaltransduktionsnetzwerken induziert werden.
AMP und MPH bewirken (neben ihrer primären Funktion als Dopaminwiederaufnahmehemmer) eine erhöhte Dopaminausschüttung und tragen dadurch zu einem erhöhten extrazellulären Dopaminspiegel bei. AMP erhöht den Dopamin-Efflux durch die Erhöhung der Verfügbarkeit von nach innen gerichteten DATs und die Induktion ungekoppelter Ströme. Methylphenidat erleichtert die Bewegung von Dopaminvesikeln von den Speicherpools zu den funktionellen Pools.

• 5. Dopaminausschüttung
  • 5.1. Nervenzellen mit Dopaminausschüttung
    • 5.1.1. Dopaminerge Nervenzellen
    • 5.1.2. Noradrenerge Nervenzellen
  • 5.2. Formen der Neurotransmitterübertragung
    • 5.2.1. Allgemeine Formen der Neurotransmitterübertragung
      • 5.2.1.1. Endokrine Transmission
      • 5.2.1.2. Volumenübertragung
      • 5.2.1.3. Synaptische Transmission
    • 5.2.2. Dopaminerge Transmission
  • 5.2. Dopaminausschüttung aus Vesikeln
    • 5.2.1. Ausschüttung durch Vesikelfusion mit Plasmamembran
    • 5.2.2. Funktion von Synapsen
      • 5.2.2.1. Dopaminerge Synapsen
      • 5.2.2.2. Domänen-Überlappungsmodell
    • 5.2.3. Arten der Vesikelfusion: einfaches Ereignis / komplexes Ereignis
    • 5.2.4. Langsame Wiederauffüllung dopaminerger Vesikel
  • 5.3. Axonale und somatodendritische Freisetzung
    • 5.3.1. Axonale Freisetzung, axonale Varikositäten
    • 5.3.2. Somatodendritische Freisetzung
  • 5.4. Aktive Zone
    • 5.4.1. Aktive Zone in Nervenzellen
    • 5.4.2. Aktive Zone in Axonen
    • 5.4.3. Aktive Zone in Dendriten
  • 5.5. Dopaminausschüttung aus DAT (Efflux)
    • 5.5.1. AMP-induzierter Efflux
  • 5.6. Geschwindigkeit und Dauer der Dopamin-Ausschüttung
  • 5.7. Dopaminspiegel vor und während der Ausschüttung
  • 5.8. Trigger der Dopaminfreisetzung
    • 5.8.1. Trigger axonaler Dopaminfreisetzung: Kalziumionen (Ca2+) an N-, P/Q-, T-, R-Kanälen
    • 5.8.2. Trigger somatodendritischer Dopaminfreisetzung
    • 5.8.3. Spontane Populationsaktivität (tonisch)
      • 5.8.3.1. NMDA im vSub erhöht spontane Populationsaktivität
      • 5.8.3.2. Neuroleptika erhöhen spontane Populationsaktivität und Feuerung
      • 5.8.3.3. Stickstoffmonoxid-Synthase (NOS) im Striatum erhöht spontane Populationsaktivität und Feuerung
      • 5.8.3.4. mPFC reguliert spontane Populationsaktivität, Feuerung und Bursts in VTA und Substantia nigra
    • 5.8.4. Dopamin-Bursts (phasisch)
      • 5.8.4.1. NMDA im PPN erhöht Dopamin-Bursts
      • 5.8.4.2. NMDA im lateralem mesopontinem Tegmentum erhöht Populationsaktivität und phasische Dopaminaktivität im VTA

5. Dopaminausschüttung¶

Die Darstellungen dieses Beitrags basieren auf den Arbeiten von Liu und Kaeser.¹²
Eine sehr umfassende Darstellung dopaminerger Neuronen und ihres Verhaltens findet sich bei Marinelli und McCutcheon.³

5.1. Nervenzellen mit Dopaminausschüttung¶

5.1.1. Dopaminerge Nervenzellen¶

Die tonischen wie die phasischen dopaminergen Signale stammen von Dopamin-Neuronen in der Substantia nigra pars compacta und im VTA, die beide im Mittelhirn liegen. Diese innervieren über Axone u.a. den gesamten dorsalen bis ventralen Bereich des Striatums und den PFC.⁴ Die Substantia nigra Pars compacta beinhaltet mehr als 70 % aller dopaminergen Neuronen des Menschen (bei jungen Menschen insgesamt ca. 400.000).⁵
Mehr hierzu im vorangegangenen Beitrag Dopaminbildung und Einlagerung unter Gehirnregionen, in denen Dopamin entsteht

Die dopaminergen Projektionen der Substantia nigra in das dorsale Striatum beeinflussen willkürliche Bewegungen und Erlernen von Gewohnheiten, die VTA-Projektionen in das ventrale Striatum beeinflussen Belohnung und Motivation.⁶
Mehr hierzu unten.

5.1.2. Noradrenerge Nervenzellen¶

Da Dopamin neben dem DAT auch durch NET wiederaufgenommen (siehe Beitrag Dopaminwiederaufnahme, Dopaminabbau) und von diesen in Vesikel eingelagert wird (insbesondere im PFC), dürfte das so aufgenommene Dopamin auch aus noradrenergen Zellen ausgeschüttet werden. Im mPFC scheint Dopamin ausschließlich aus noradrenergen Neuronen zu stammen. Werden die noradrenergen Zellen des Locus coeruleus inaktiviert, sinkt der extrazelluläre Dopamin- und Noradrenalinspiegel im mPFC.⁷

5.2. Formen der Neurotransmitterübertragung¶

Es existieren verschiedene Formen der Übertragung (Transmission) von Neurotransmittern. Diese unterscheiden sich in der Präzision der Freisetzung und in der Organisation der Rezeptoren.²

5.2.1. Allgemeine Formen der Neurotransmitterübertragung¶

5.2.1.1. Endokrine Transmission¶

Endokrine Zellen schütten in der Regel Hormone als Transmitter aus. Die Freisetzung erfolgt an der Zelloberfläche. Die Transmitter überwinden Strecken von Millimetern bis Metern durch den extrazellulären Raum und den Blutstrom zu weit entfernten Rezeptoren. Endokrine Zellen zeigen häufig keine speziell gestaltete Freisetzungsstellen.²

5.2.1.2. Volumenübertragung¶

Bei der Volumenübertragung diffundieren Transmitter weiträumiger. Die Transmitter werden meist aus spezialisierten Stellen freigesetzt, die der aktiven Zone ähnlich sind. Die Entfernung zu den Rezeptoren bestimmt deren Aktivierung und ist daher von einem steilen Transmitter-Konzentrationsgradienten geprägt.² Volumentransmission ermöglicht somit die Verbreitung des Neurotransmitters über eine größere Entfernung (mehr als 10 μm, anstatt lediglich 30-40 nm in der klassischen Synapse). Dadurch kann Volumentransmission ca. 200 Dopaminsynapsen adressieren, anstatt nur eine postsynaptische Membran in der klassischen Synapse. Dies könnte ein Faktor der Kreuzwirkung von Dopamin sein.⁸
Volumenübertragung bei dopaminergen Synapsen wird zuweilen bezweifelt. Der Unterschied zwischen Volumenübertragung und synaptischer Übertragung ist universell und betrifft z.B. auch das noradrenerge System.⁹

5.2.1.3. Synaptische Transmission¶

Bei der synaptischen Übertragung besteht eine sehr enge räumlichen Kopplung von wenigen zig Nanometern zwischen der Transmitter ausschüttenden aktiven Zone und den Rezeptorclustern. Aktive Zone und Rezeptorcluster sind oft auf subsynaptischer Ebene aufeinander ausgerichtet. Die Signalübertragung findet nur innerhalb des synaptischen Spalts statt, was eine genaue und effiziente Rezeptoraktivierung bewirkt.²

5.2.2. Dopaminerge Transmission¶

Dopamin wird aus synaptischen und nicht-synaptischen Varikositäten freigesetzt.
Die meisten Dopamin-Varikositäten sind nicht an postsynaptische Zellen und Dichten gebunden. Verschiedene Studien legen eine verteilte Lokalisierung nahe.
D1

• breit auf D1-MSN lokalisiert
• mit somatischen, dendritischen Schaft- und dendritischen Stachellokalisationen
• Zuweilen treten sie in Gruppen auf.

D2

• innerhalb von D2-MSNs breit verteilt
• ggf. verstärkt in distalen Dendriten

In Dopamin-Varikositäten mit synaptisch-ähnlichen Kontakten finden sich D1 und D2

• selten in der gegenüberliegenden postsynaptischen Membran
• häufig perisynaptisch (innerhalb von 100 nm von den Rändern der synaptisch ähnlichen Apposition)
• häufig extrasynaptisch (jenseits von 100 nm des synaptisch ähnlichen Kontakts)

Dopaminrezeptoren scheinen mithin zwar teilweise auf MSNs gebündelt zu sein. Die Mehrheit der Dopamin-Rezeptoren ist (bislang) nicht in synapsenartigen Anlagerung nachweisbar.
Daher sollte der Begriff “Dopamin-Synapse” nicht eng verstanden werden, im Sinne einer postsynaptischen Struktur, die Dopaminrezeptoren beinhaltet, sondern weit, im Sinne eines Dopamin-Übertragungssystems.²

Reserpin blockiert VMAT und damit die Einlagerung von Dopamin in die Vesikel. Mit Reserpin behandelte Hasen sind paralysiert. Eine Gabe von L-DOPA, einem Präkursor von Dopamin, stellte die Bewegungsfähigkeit wieder her, trotz fortbestehender VMAT-Blockade. Das Gehirn kann mithin ohne Vesikel-Dopamin und ohne präzise vesikuläre Freisetzung in Synapsen L-DOPA verstoffwechseln und für die Fortbewegung nutzen.
Dopamin ist so in der Lage, auch ohne präzise synaptische Kommunikation Signale zu übertragen: die sogenannte Volumenübertragung.²

5.2. Dopaminausschüttung aus Vesikeln¶

Vesikel sind ca. einen Mikrometer kleine, in der Zelle gelegene, rundliche bis ovale Bläschen, die von einer doppelten Membran oder einer netzartigen Proteinhülle umgeben sind. Die Vesikel bilden eigene Zellkompartimente, in denen verschiedene zelluläre Prozesse ablaufen. Vesikel sind für die Lagerung / Speicherung verschiedener vieler Stoffe in der Zelle verantwortlich.

• Exozytotische Vesikel
  • speichern Stoffe für die Freisetzung aus der Zelle durch Fusion der Vesikel mit der Zellmembran:
    • Membranproteine, die zunächst in der Vesikelmembran lokalisiert sind und nach der Fusion automatisch zur Zellmembran gehören
    • synaptische Vesikel für die Ausschüttung von Neurotransmittern
• endozytotische Vesikel
  • dienen zur Aufnahme von Stoffen in die Zelle und dem Recycling von Membranproteinen

Eine Vesikel-Ausschüttung aus einer Zelle kann zwischen 170 und 4000 Mal pro Sekunde erfolgen.¹⁰¹¹

5.2.1. Ausschüttung durch Vesikelfusion mit Plasmamembran¶

Die Fusion exozytischer synaptischer Vesikel mit der präsynaptischen Plasmamembran wird durch die Bildung des SNARE-Komplexes ausgelöst. Der SNARE-Komplex besteht aus

• dem vesikulären SNARE Synaptobrevin-2/VAMP-2 und
• den Plasmamembran-SNARE-Proteinen Syntaxin-1 und SNAP-25.
  Eine Dopaminausschüttung fand sich auch bei Dendriten nur dort, wo auch Synaptobrevin-2/VAMP-2 festzustellen war.¹²
  Ein kleiner Teil der mit Neurotransmitter gefüllten Vesikel wird mittels Synapsin an das Aktinskelett der aktiven Zone in der Nähe spannungsgesteuerter Ca2+ Membran-Kanäle gebunden und dort aktiviert. Depolarisiert ein Aktionspotenzial die präsynaptische Plasmamembran, tritt Ca2+ durch diese Kanäle ein und löst mittels Synaptotagmin 1, 2 oder 9, die als Ca2+ Sensoren fungieren, die Fusion der Vesikel mit der Membran aus. Dann treten die Neurotransmitter aus den Vesikeln in den synaptischen Spalt aus, um postsynaptische Rezeptoren (oder präsynaptische Autorezeptoren, die teils sehr nah an der präsynaptischen Dopaminausschüttung positioniert sind)¹³ zu aktivieren.
  Botulinumtoxin A und B spalten SNAP-25 und Synaptobrevin-2 und hemmen so das Andocken der Vesikel an die Zellmembran. Tetanus Toxin spaltet ebenfalls Synaptobrevin-2, hemmt die Dopaminausschüttung jedoch nicht immer.¹

5.2.2. Funktion von Synapsen¶

Grundlegend zur Funktion von Synapsen: Deutsch: Hinghofer-Szalkay.¹⁴ Englisch: Synapseweb.¹⁵

Chemische Synapsen bestehen aus

• präsynaptischem Apparat für die Transmitterfreisetzung
• postsynaptischem Apparat für die rezeptorvermittelte Signaltransduktion

Gray-Typ:

• Gray-Typ I
  • asymmetrische Synapse
• Gray-Typ II
  • symmetrische Synapse

5.2.2.1. Dopaminerge Synapsen¶

Dopamin-Synapsen finden sich häufig in dendritischen Schäften und Stacheln von Mittelgroßen Dornentragenden Projektionsneuronen (MSN), den Hauptneuronen im Striatum.
Dopamin-Neuronen des Mittelhirns projizieren dicht in das Striatum und bilden sogenannte Dopamin-Synapsen an MSN anderer Neurotransmitter. Die postsynaptischen Dopaminrezeptoren hier sind weit von Dopaminsynapsen entfernt, sodass bislang unklar ist, wie Dopaminsynapsen an der dopaminergen Übertragung beteiligt sind. Einzelne vesikuläre Fusionsereignisse können D1 und D2 aktivieren, wobei nahe gelegene Rezeptoren mit größerer Wahrscheinlichkeit durch Dopamin aktiviert werden, als weiter entfernte. Die genaue Organisation der Dopaminrezeptoren im Verhältnis zu den Freisetzungsstellen ist bislang nicht bekannt.²

5.2.2.2. Domänen-Überlappungsmodell¶

Immer mehr Beweise deuten darauf hin, dass die Dopamin-Signalübertragung nicht nur zeitlich dynamisch, sondern auch räumlich organisiert ist.
Neben der synaptischen Punkt-zu-Punkt-Übertragung und der breiten (extrazellulären?) Neurotransmitterübertragung könnte ein Domänen-Überlappungsmodell relevant sein, bei dem Freisetzung und Rezeptoren in mikrometergroßen Strukturen relativ zueinander angeordnet sind. Dieses basiert auf einer schnellen Freisetzung, gefolgt von einer Diffusion mit einer mikrometergroßen Freisetzungs-Rezeptor-Organisation.
Dieses Modell soll einerseits die Aktivierung von Rezeptoruntergruppen ermöglichen, die sich während der Grundaktivität in mikrometergroßen Domänen von Freisetzungsstellen befinden, und andererseits eine breitere Rezeptoraktivierung mit Domänen-Überlappung, wenn das Feuern über Dopamin-Neuronenpopulationen hinweg synchronisiert ist. Diese Signalstruktur könnte zusammen mit den Eigenschaften der Dopaminfreisetzung erklären, wie die Umschaltung der Feuerungsmodi eine breite und dynamische Rolle von Dopamin unterstützt und zu einer deutlichen Modulation der Signalwege führen kann.²

5.2.3. Arten der Vesikelfusion: einfaches Ereignis / komplexes Ereignis¶

Die Fusionspore großer Dense-Core-Vesikel kann in mindestens zwei Zuständen existieren:¹⁷

• “einfaches Ereignis”
  • einzelner traditioneller Spike (80 bis 85 % der Vesikelfusionen)
  • vollständige Fusion
  • setzt so viel vesikuläres DA frei wie das erste Flackern eines komplexen Ereignisses
  • Vesikelmembran wird danach recycelt, entweder über “Bulk-Endozytose” oder über Clathrin-beschichtete Intermediate.¹⁸
• “komplexes Ereignis”, “Kiss and run”, eine schnelle Folge von Spikes, deren Amplitude vom ersten bis zum letzten Spike allmählich abnimmt (15 bis 20 % der Vesikelfusionen)¹⁰¹¹
  • vorübergehende Fusion über eine Fusionspore, ohne vollständig zu fusionieren (“Kiss-and-Run”-Fusion = vorübergehende und reversible Exozytose)
  • entsprechend einem Flackern der Vesikel-Fusionspore, einem “Fuß” mit einer kleinen (~3 nm Durchmesser) reversiblen Fusionspore
  • jedes “Flackern” setzte 25 bis 30 % des vesikulären DA frei (vs. < 1 %)
  • ermöglicht schnelle Wiederverwendung von Vesikeln ohne langsames Recycling zu durchlaufen
  • tritt in adrenalen Chromaffin- und anderen großen Dense-Core-Vesikeln auf
  • ist wesentlich kürzer als eine vollständige Vesikelfusion (100-150 µs vs. 10.000-500.000 µs)
  • tritt in adrenalen Chromaffin-Vesikeln mit einer viel höheren Frequenz auf als in Dense-Core-Vesikeln (4000 Hz vs. 170 Hz)

Die Modulation der Fusionspore kann somit die Menge und Kinetik der Transmitterfreisetzung beeinflussen und erfolgt möglicherweise via Proteinkinase C.¹⁹
Medikamente können PKC beeinflussen.¹⁷²⁰

• Erhöhte Proteinkinase C -Aktivität:
  • erhöht die Anzahl der Ereignisse pro Stimulus
  • verringert den Anteil komplexer Ereignisse
  • vergrößert die Fusionspore, erhöht einfache Ereignisse / vollständige Fusion
• Verringerte Proteinkinase C -Aktivität (z.B. durch den nichtselektiven Kinaseinhibitor Staurosporin):
  • verringert die Anzahl der Ereignisse pro Stimulus bei erhöhter Stimulus-Frequenz
  • erhöht den Anteil komplexer Ereignisse
  • Knockout oder Hemmung der atypischen Proteinkinase C theta (aber nicht der verwandten atypischen Proteinkinase C delta) verringert der Katecholaminquanta²¹

5.2.4. Langsame Wiederauffüllung dopaminerger Vesikel¶

Der Pool leicht freisetzbarer Dopaminvesikel füllt sich nur langsam wieder auf. Die Erschöpfung der Dopaminfreisetzung nach einem einzigen Reiz hält mehrere Dutzend Sekunden lang an. Die Wiederherstellung der Ausschüttungsbereitschaft dauert mithin ein bis zwei Größenordnungen länger als bei schnellen Synapsen. Da die Auffüll-Geschwindigkeit entscheidend für den Frequenzbereich ist, in dem ein Übertragungssystem arbeiten kann, und da Dopaminrezeptoren “langsame” GPCRs sind, ist das Dopaminsystem für die hochfrequente Informationsübertragung nicht gut geeignet.²

Die Menge und Häufigkeit der Ausschüttung von Neurotransmittern aus Vesikeln ist variabel.²² Die Idee, dass jede Ausschüttung eine gleich hohe, fixe Menge des Neurotransmitters freisetzt (das “Quantum”), ist überholt.

Auch Dopaminrezeptoren von Wirbeltieren sind langsam. Es handelt sich um ausschließlich G-Protein-gekoppelte Rezeptoren (D1-artige Rezeptoren: Gs/olf; D2-artige Rezeptoren: Gi/o), die um Größenordnungen langsamer sind als ionotropen Rezeptoren.²

5.3. Axonale und somatodendritische Freisetzung¶

Grundsätzlich können Neurotransmitter auf mehreren Wegen übertragen werden:²³

• vom Axon (axoaxonal)
  • Axonstamm an Synapse
  • Axonendköpfchen an Synapse
  • Axon in Extrazellulärraum (nondirected synapses)
• von der Zellmembran auf Synapsen (axosomatisch)
• von Dendriten auf Synapsen (axodendritisch)
  • Dendritenstamm an Synapsen
  • Dendriten-Dornfortsätzen an Synapsen

Dopamin wird auf verschiedenen Wegen freigesetzt:¹

5.3.1. Axonale Freisetzung, axonale Varikositäten¶

Das gebildete Dopamin wird über Nervenbahnen (Axone) in dopaminerge Zellen transportiert. Dort wird es in Vesikel eingelagert, die später an die Zellmembran herangeführt und dann auf elektrische Impulse hin ausgeschüttet werden, u.a. in den ca. 20 bis 40 Nanometer breiten und 0,5 Nanometer tiefen synaptischen Spalt. Pro elektrischem Impuls werden rund 1000 Dopaminmoleküle ausgeschüttet.²⁴ Es ist denkbar, dass Axon-Varikositäten Dopamin auch ohne Synapsen in den Extrazellulärraum ausschütten.²

Axone vermitteln den größten Teil der Dopaminübertragung. Eine Blockade oder ein Knockout von VMAT2 beendet die Dopaminübertragung.
Lediglich rund 17 % der Varikositäten schütten Dopamin aus.²⁵ Dopamin-Axone sind nicht myelinisiert (und leiten damit langsam) und stark verästelt.²⁶ Möglicherweise gelangen daher nicht alle Aktionspotenziale der somatischen Dopamin-Neuronen bis zu den Dopamin-Varikositäten.¹

Dopaminterminale bilden häufig in engem räumlichem Kontakt eine Triade mit anderen Axonen. Dabei ist ein Neuron sowohl mit dem präsynaptischen Element als auch mit dem postsynaptischen (in der Regel dendritischen) Ziel verbunden. Triaden sind weitverbreitet in Hippocampus, Striatum und mPFC. Diese Triaden können sowohl Dopamin- als auch Serotonin- oder adrenerge Terminale enthalten.⁸

5.3.2. Somatodendritische Freisetzung¶

Die Dopaminfreisetzung in der Substantia nigra geht von Dendriten aus.²⁷ Die Freisetzung von Dopamin aus Dendriten ist kalziumabhängig, vesikulär, erfolgt spontan und RIM-abhängig. RIM ist ein wichtiges Gerüstprotein für die Transmitterfreisetzung.²⁸ Damit ähnelt die Dopaminfreisetzung aus Dendriten der aus Axonen.²⁹ Es wurde jedoch bislang nicht identifiziert, an welchen Stellen die dendrodendritischen Übertragung erfolgt.³⁰³¹

• Somatodendritische Dopaminfreisetzung erfolgt primär aus Dendriten, nicht aus Zellkörpern (Soma)¹²
  • auch Dendriten ohne erkennbare Varikositäten schütteten Dopamin aus
  • ebenso wie dendritische Äste mit (Axonterminalen ähnelnden) Boutonstrukturen
  • dendritische Dopaminausschüttung scheint räumlich auf die unmittelbare Umgebung der Freisetzungsstelle beschränkt zu sein, anders als axonale Freisetzung, die sich in einem größeren räumlichen Bereich ausbreitet
• Kann auch von spezialisierten sekretorischen Organellen ausgehen, da Dopamin hauptsächlich in tubulo-vesikulären Strukturen gespeichert wird, die dem glatten endoplasmatischen Retikulum im Soma oder den Dendriten ähneln³²

Die somatodendritische Dopaminfreisetzung in Mittelhirnregionen (insbesondere in Substantia nigra pars compacta (SNc) und VTA), ist beteiligt an:¹²

• einer Vielzahl von Funktionen, die der Dopamin-Neuromodulation zugeschrieben werden:
  • motorische Kontrolle (via SNc)
  • Motivation
  • Lernen
• der Verzögerung des Auftretens von Parkinson-Symptomen, indem sie die umfangreiche axonale Degeneration der SNc-Dopamin-Neuronen kompensiert³³

Die somatodendritische Dopaminfreisetzung reguliert das dopaminerge System über zwei Mechanismen:

• Das in SNc und im VTA freigesetzte Dopamin aktiviert D2-Autorezeptoren
  • Die D2-Autorezeptoren regulieren die Erregbarkeit von Dopamin-Neuronen über GIRK-Kanäle (Selbsthemmung)
    • Diese Selbsthemmung der Dopaminausschüttung reguliert wiederum
      • die Dopaminfreisetzung in distalen Regionen, die eine dichte axonale Innervation von Dopamin-Neuronen des Mittelhirns erhalten (insbesondere Striatum und PFC)
      • die Freisetzung in SNc und VTA
        • im VTA z.B. für Induktion einer Verhaltenssensibilisierung auf Amphetamin durch Aktivierung lokaler D1-Rezeptoren relevant
• Dendritische Projektionen von VTA in Substantia nigra pars reticulata (SNr)
  • aktivieren D1-Rezeptoren
  • regulieren / aktivieren die Ausschüttung der primären GABAergen Neuronen der SNr
    • via D1-/D5-Rezeptoren
    • könnten Rückkopplungssignale zur Dopamin-Regulierung zwischen Substantia nigra pars compacta und Substantia nigra pars reticulata aktivieren
    • was wiederum die axonale Dopamin-Freisetzung beeinflussen könnte³²

5.4. Aktive Zone¶

Die Aktive Zone ist ein Proteinnetzwerk. Sie findet sich in Nervenzellen und Axonen präsynaptisch unmittelbar gegenüber von Synapsen. Die aktive Zone einer Synapse dockt synaptische Vesikel an und stimuliert diese. Dadurch bildet die aktive Zone einen Pool leicht freisetzbarer Vesikel, und positioniert diese Vesikel in bestimmten Abständen zu präsynaptischen Ca2+ Kanälen, womit sie die vesikuläre Freisetzungswahrscheinlichkeit steuert. Nur wenige Prozent der vorhandenen Vesikel sind Teil des freisetzungsbereiten Pools.²

5.4.1. Aktive Zone in Nervenzellen¶

Die synaptische Übertragung zeichnet sich durch ihre Geschwindigkeit und ihre räumliche Präzision aus. Die Fusion synaptischer Vesikel mit der Zellmembran erfolgt in weniger als einer Millisekunde nach Eintreffen eines Aktionspotenzials. Die Freisetzung aus einem Vesikel erfolgt räumlich exakt gegenüber postsynaptischen Rezeptoren aus der Aktiven Zone.³⁴ Die Aktive Zone bindet Vesikel, die zur Freisetzung vorbereitet sind, an die präsynaptische Plasmamembran in der Nähe von Ca2+ Kanälen.³⁵
Die Aktive Zone besteht aus den molekularen Gerüsten:¹

• große Gerüstproteine
  • Bassoon
  • Piccolo
• Proteinkomplexe der aktiven Zone
  • RIM
  • RIM-BP
  • ELKS
  • Munc13
  • Liprin-α
• SNARE-Komplex-Proteine
  • VAMP
  • SNAP-25
  • Syntaxin

Dies gelte auch für Aktive Zonen in Axonen.¹²

5.4.2. Aktive Zone in Axonen¶

Dopamin-Axone enthalten aktive, zonenähnliche Proteingerüste aus:¹

• RIM
  • Nur 30 % der Varikositäten von dopaminergen Axonen enthalten RIM. RIM und MUNC13 sind (wie in konventionellen Synapsen) für die Funktion einer aktiven Zone unabdingbar. Dies könnte erklären, warum nur 20 % bis 30 % der Varikositäten von Axonen aktiv Dopamin ausschütten.
• ELKS2
• Bassoon
  • eine Deaktivierung der Bassoon verringert die Neurotransmitterausschüttung³⁶
• Munc13-1 (vermutlich)

30 % der Dopamin-Varikositäten enthalten postsynaptische Dichten und bilden GABAerge synaptische Strukturen mit präsynaptischem Neurexin und postsynaptischem Neuroligin-2. Daher könnte Dopamin auch an Axonen nur an Synapsen freigesetzt werden. In der Substantia nigra befindet sich D1-Rezeptoren an präsynaptischen Stellen auf Axonen mit kleinem Durchmesser, die nicht in Kontakt mit Tyrosinhydroxylase-positiven Elementen stehen, und auf terminalen Endknöpfchen, die symmetrische Synapsen auf Tyrosinhydroxylase-positiven oder -negativen Dendriten bilden.³⁷

5.4.3. Aktive Zone in Dendriten¶

Die somatodendritische Dopaminfreisetzung scheint ebenfalls mittels Aktiver Zonen zu funktionieren.¹² Auch hier ist die Neurotransmitterauasschüttung an die Existenz von Bassoon geknüpft.

5.5. Dopaminausschüttung aus DAT (Efflux)¶

Der DAT kann nicht nur Dopamin (wieder-)aufnehmen, sondern auch ausschütten (Efflux).
Der Dopamin-Efflux wird gesteuert durch:³⁸

• Veränderungen des Membranpotenzials
• Verringerte extrazelluläre Na+³⁹
• Verringerte extrazelluläre Cl-³⁹
• Veränderungen des intrazellulären Na+
• Aktivierung eines intrazellulären Signaltransduktionsnetzwerks
  • durch z.B.
    • extrazelluläres Dopamin³⁹
      • Die in Mittelhirn-Dopamin-Neuronen exprimierten D2-Autorezeptoren hemmen die neuronale Zündung durch Öffnen von K+ Kanälen und Schließen von Ca2+ Kanälen. Die K+ Kanal-induzierte Hyperpolarisation übersteuert andere durch Dopamin ausgelöste Ströme. D2-Antagonisten bewirkten, dass niedrige Dopaminkonzentrationen das neuronale Feuern nicht wie sonst verlangsamten, sondern die Feuerrate um das Drei- bis Vierfache erhöhten. Dieses erhöhte Feuern wurde durch die DAT-Antagonisten Kokain oder GBR12909 blockiert, was zeigt, dass DAT Dopamin ausschütten können.⁴⁰
    • AMP³⁹
    • MPH
  • unterstützt von z.B.
    • Protein Kinase C (PKC) beta(II)⁴¹
    • Calmodulin kinase II (CaMKII) alpha⁴²
      • deutet auf Beteiligung endogener Signal- und Phosphorylierungsmechanismen hin⁴³
    • erhöhter Efflux wird durch DRD2 vermittelt⁴³

5.5.1. AMP-induzierter Efflux¶

Amphetamin-induzierter Efflux benötigt eine N-terminale Phosphorylierung des DAT. Die N-terminale Phosphorylierung verschiebt den DAT von einem “widerwilligen” in einen “willigen” Zustand für den AMP-induzierten Dopamin-Efflux, ohne die (Wieder-)aufnahme zu beeinflussen.⁴⁴
Der AMP-induzierte Dopamin-Efflux beruht auf der Fähigkeit von AMP:⁴⁴

• die Verfügbarkeit von bis dahin nach innen gerichteten DATs zu erhöhen
• ungekoppelte Ströme zu induzieren
• die intrazelluläre Natriumaktivität zu erhöhen
• die intrazelluläre Kinaseaktivität zu erhöhen

Die Affinität des Wildtyp-DAT für den Efflux scheint mehr als 300-mal geringer als die für die Aufnahme.³⁹

Methylphenidat soll die Dopamin-Freisetzung demgegenüber dadurch erhöhen, dass es die Bewegung dieser Transmitter von den Speicherpools zu den funktionellen Pools innerhalb der Nervenenden erleichtert.⁴⁵

5.6. Geschwindigkeit und Dauer der Dopamin-Ausschüttung¶

Die Studienergebnisse zu den Latenzzeiten für den Dopaminanstieg bis zum Höhepunkt und den Wiederabbau in Striatum und Mittelhirn sind unterschiedlich.⁴⁶

Auffassung 1: Striatum schneller als Mittelhirn

• Striatum:
  • Höhepunkt der Dopaminkonzentration binnen ∼200 ms erreicht
  • Abbau nach einigen hundert Millisekunden
• Mittelhirn:
  • verlängerten Anstieg extrazellulären Dopamins, da
    • Dopamin-(Wieder-)Aufnahme durch DAT verringert
    • extrazellulärer Volumenanteil erhöht
  • SNc:
    • Höhepunkt der extrazellulären Dopaminkonzentration 2000-3000 ms nach singulärem Reiz
    • bleibt für mehrere Sekunden erhöht

Auffassung 2: Striatum und Mittelhirn ungefähr identisch

• vergleichbare Latenzzeit für den Dopaminanstieg bis zum Höhepunkt
• Halbwertsbreite des Dopamin-Transienten im Mittelhirn war weniger als doppelt so groß wie die im Striatum = geringer Unterschied
  • vermutlich aufgrund DAT-Anzahl-Anstieg im Striatum
• Gesamtmenge des freigesetzten Dopamins unterschiedlich

5.7. Dopaminspiegel vor und während der Ausschüttung¶

Der normale basale extrazelluläre Dopaminspiegel in Ruhe beträgt ca. 4 nM.⁴⁷
Durch einen normalen Nervenimpuls steigt der Dopaminspiegel kurzfristig auf etwa 250 nM an, erreicht somit ca. das 60-fache des Basalwerts.
Danach fällt der extrazelluläre Dopaminspiegel wieder auf 4 nM zurück, primär durch Diffusion sowie weiter durch Wiederaufnahme.

Eine Gabe von 0,5 mg / kg D-AMP verändert diese Werte auf:⁴⁷

• ca. 25 nM extrazellulärer Basalwert
• ca. 500 nM Spitzenwert bei Nervenimpuls

5.8. Trigger der Dopaminfreisetzung¶

5.8.1. Trigger axonaler Dopaminfreisetzung: Kalziumionen (Ca2+) an N-, P/Q-, T-, R-Kanälen¶

Die axonale Dopaminfreisetzung wird durch extrazelluläre Ca2+ ausgelöst.¹
Die somatodendritische Dopaminfreisetzung in der Substantia nigra pars compacta (SNc) besteht auch bei so niedrigen extrazellulären Ca2+ fort, die nicht ausreichen würden, die axonale Freisetzung im Striatum zu erhöhen.
Die durch einen Einzelimpuls im dorsalen Striatum und im SNc evozierte Dopaminfreisetzung ist unabhängig von der Regulierung durch gleichzeitig freigesetztes Glutamat oder GABA. Der erste Impuls setzt ca. 60 % des Dopamins aus dem freisetzungsbereiten Vesikelpool frei.²

Die axonale Freisetzung scheint kanalabhängig zu sein. Die striatale axonale Dopaminfreisetzung wurde:⁴⁸⁴⁹

• durch N-Kanal-Blocker (Omega-Conotoxin GVIA, 100 nm) vollständig verhindert (Cav2-Kanal)
• durch P/Q-Kanal-Blocker (Omega-Agatoxin IVA, 200 nm) um 75 % verringert (Cav2-Kanal)
• durch T-Kanal-Blocker (Ni2+, 100 Mikrometer) um 25 % verringert (Cav3-Kanal)
• durch R-Kanal-Blocker (SNX-482, 100 nm) um 25 % verringert
  • anders: R-Kanal ohne Einfluss⁴⁹
• durch L-Kanal-Blocker (Nifedipin, 20 Mikrometer) nicht verringert (Cav1-Kanal)
  • anders: L-Kanal mit Einfluss⁴⁹

Keiner dieser Ca2+ Kanalblocker beeinflusste die somatodendritische Dopaminfreisetzung in der Substantia nigra, weder allein, noch gemeinsam (verkürzten gemeinsam aber die Dauer der Freisetzung).

Eine Hemmung von Cav1-Kanälen kann das Überleben von Dopamin-Neuronen fördern.¹

Die Ca2+ auslösenden Stoffe der axonalen Dopaminfreisetzung sind weitgehend unbekannt.
An schnellen Synapsen:

• Synaptotagmin 1,2 und 9 lösen eine schnelle Freisetzung aus
• Synaptotagmin 7 und Doc2 vermitteln die Ca2+ Sensitivität⁵⁰
  • der asynchronen und spontanen Freisetzung
  • der Fazilitation

Nur 8 Synaptotagmine binden Ca2+: Synaptotagmin 1, 2, 3, 5, 6, 7, 9, und 10

5.8.2. Trigger somatodendritischer Dopaminfreisetzung¶

Somatodendritische Freisetzung vermitteln:⁵¹

• Synaptotagmin 4
• Synaptotagmin 7

5.8.3. Spontane Populationsaktivität (tonisch)¶

Neuronen können mehrere Zustände haben

• stiller Zustand
  • geringes Feuern
• spontan aktiver Zustand
  • tonische Feuerung
  • Bereitschaft, auch Bursts zu feuern
• aktiver Zustand
  • Burstfeuerung

Manipulationen, die die Anzahl der Zellen im spontan aktiven Zustand erhöhen, verändern zugleich Wahrscheinlichkeit der Feuerraten von einer Normalverteilung zu einer biphasischen Verteilung. Dies ist auf die Aktivierung stiller Zellen zurückzuführen, die mit einer niedrigeren Rate feuern können als spontan aktive Zellen; wenn also mehr Zellen von still zu aktiv wechseln, ändert sich die Gesamtfeuerungsrate nicht oder nimmt leicht ab.⁵²

Übersetzt mit www.DeepL.com/Translator (kostenlose Version)

5.8.3.1. NMDA im vSub erhöht spontane Populationsaktivität¶

Eine NMDA-Infusion in das ventrale Subiculum des Hippocampus (vSub) erhöht die Anzahl der spontan aktiven Dopamin-Neuronen (Populationsaktivität). Die Feuerrate oder die durchschnittliche Burst-Aktivität wird dadurch nicht unmittelbar verändert.⁵³
Infusion des Glutamat-Rezeptor-Antagonist Kynurensäure in den Nucleus accumbens hob die NMDA-Wirkung auf.⁵⁴
Glutamaterge Afferenzen vom vSub zum NAc aktivieren DA-Neuronen im VTA und beeinfussen DA-Populationsaktivität wie Regulierung der Feuerung.⁵⁴

• Infusion von Tetrodotoxin in den PFC beeinflussten die DA-Populationsaktivität nicht
• Infusion von Kynurensäure in den NAc oder Tetrodotoxin in den vSub verringerten die Feuerrate und das Burst-Firing von DA-Neuronen, ohne die Anzahl der spontan aktiven DA-Neuronen zu verändern.

Eine gleichzeitige Erregung von vSub und PPN bewirkt einen signifikanten Anstieg sowohl der dopaminergen Populationsaktivität als auch des Burst-Feuerns, was die Anzahl der Neuronen mit hoher Burstaktivität vervierfacht. Die Aktivität der Dopamin-Neuronen-Population ist offenbar nicht einfach mit der tonischen Freisetzung von Dopamin im Vorderhirn verbunden, sondern stellt vielmehr einen rekrutierbaren Pool von Dopamin-Neuronen dar, der durch erregende Inputs weiter moduliert werden kann, um eine abgestufte phasische Reaktion zu induzieren. Die synchrone Aktivität verschiedener afferenter Eingänge zum VTA scheint selektive Populationen von Dopamin-Neuronen phasenweise zu aktivieren.⁵³

Folglich kontrolliert der vSub die Anzahl der Dopamin-Neuronen, die durch den PPN phasenweise aktiviert werden können, indem er die Anzahl der Dopamin-Neuronen reguliert, die tonisch entladen. Der PPN liefert also das “Signal” für phasische Dopaminsausschüttung, die je nach Regulierungsstand des vSub schwächer oder stärker ausfällt. Der vSub ist wie der Lautstärkeregler einer Stereoanlage, während der PNN das Musiksignal liefert, das leiser oder lauter abgespielt wird. Der vSub spielt eine Rolle bei der kontextabhängigen Verarbeitung, und sein Einfluss kann je nach Umgebung variieren. So aktivieren relevante Reize in einem gutartigen Kontext den PPN, sodass der moderate Anteil der Dopamin-Neuronen, die vom vSub aktiviert werden, in Schüben feuern kann.⁵⁵

5.8.3.2. Neuroleptika erhöhen spontane Populationsaktivität und Feuerung¶

Haloperidol, L-Sulpirid, Chlorpromazin, Clozapin:⁵⁶⁵⁷⁵⁸

• akute Gabe erhöht die spontane Feuerung von Dopamin-Neuronen
  • in Substantia nigra (A9) und VTA (A10)
  • Clozapin nur in VTA, nicht in Substantia nigra
  • keine Veränderung durch Promethazin, d-Sulpirid oder Imipramin
• chronische Gabe erhöht sie so weit, dass nahezu alle Neuronen depolarisiert sind, was spontanes Feuern fast vollständig verhindert
  • GABA, Dopamin und Apomorphin stellten die Feuerung wieder her, nicht aber Glutamat

5.8.3.3. Stickstoffmonoxid-Synthase (NOS) im Striatum erhöht spontane Populationsaktivität und Feuerung¶

Stickstoffmonoxid-Synthase (NOS) im Striatum reguliert die tonische Aktivität und Reaktionsfähigkeit von Dopamin-Neuronen auf kortikale und striatale Inputs in der Substantia nigra⁵⁹
NOS-Substrat in Verbindung mit intermittierenden Perioden striataler und kortikaler Stimulation erhöhte die mittlere Feuerrate der DA-Zellpopulation

5.8.3.4. mPFC reguliert spontane Populationsaktivität, Feuerung und Bursts in VTA und Substantia nigra¶

Läsionen des mPFC durch lokale Injektion von Ibotensäure bewirkten:⁶⁰

• im VTA
  • verringerte Populationsaktivität (Anzahl spontan aktiver Neuronen)
  • unverändertes Feuerrate oder Burst-Aktivität von Dopamin-Neuronen
• in Substantia nigra
  • unveränderte Populationsaktivität
  • erhöhte Feuerrate
  • unveränderte Burst-Aktivität

5.8.4. Dopamin-Bursts (phasisch)¶

5.8.4.1. NMDA im PPN erhöht Dopamin-Bursts¶

Eine NMDA-Aktivierung des Pedunculopontinen Nucleus (PPN, auch pädunculopontiner tegmentaler Nucleus, PPTg) bewirkt einen signifikanten Anstieg der Dopamin-Neuronen-Bursts, ohne die Populationsaktivität signifikant zu beeinflussen.⁵³

Die phasische Aktivierung von Burst-Feuern in Dopamin-Neuronen kann nur bei Neuronen erfolgen, die depolarisiert sind und spontan feuern. Durch GABAerge Einflüsse hyperpolarisierte Dopamin-Neuronen⁶¹ weisen eine Magnesiumblockade des NMDA-Kanals auf und können bei Stimulierung durch NMDA keinen Burst auslösen.⁶²

5.8.4.2. NMDA im lateralem mesopontinem Tegmentum erhöht Populationsaktivität und phasische Dopaminaktivität im VTA¶

Das mesopontine Tegmentum unterteilt sich in:⁶³

• Laterodorsaler tegmentaler Kern
  • liefert tonischen Input für die Aufrechterhaltung des dopaminergen Burst Feuerns
• Pedunculopontiner Nucleus (PPN/PPTg)
  • reguliert Übergang vom Single-Spike-Firing zum Burst Firing
• Rostromedialer tegmentaler Nukleus
  • liefert hemmenden Input für VTA
  • verringert die spontane Aktivität der Dopamin-Neuronen
• laterales mesopontines Tegmentum
  • an PPN/PPTg angrenzend
  • reguliert sowohl die Populationsaktivität als auch das Burst-Firing von Dopamin-Neuronen im VTA
  • NMDA-Aktivierung bewirkt
    • Anstieg der Anzahl spontan aktiver Dopamin-Neuronen
    • Anstieg des Burst Feuerns von Dopamin-Neuronen
      • Anstieg korrelierte mit extrazellulärem Dopamin-Efflux im Nucleus accumbens in vivo