Einfluß cholinerger und dopaminerger Mechanismen auf Neuroplastizität im humanen motorischen Kortex

Dopamin und Acetylcholin sind wichtige neuromodulatorische Substanzen im menschlichen zentralen Nervensystem mir einem starken Einfluß auf Neuroplastizität. Der spezifische Einfluß dieser Substanzen auf Neuroplastizität wird durch verschiedene Faktoren, unter anderem Dosisabhängigkeit, Hintergrundaktivität neuronaler Netze und Subrezeptorspezifität determiniert. In dieser Dissertation haben wir den dosis- und subrezeptorabhängigen Effekt des cholinergen und dopaminergen Systems auf Neuroplastizität des menschlichen motorischen Kortex untersucht. Transkranielle Gleichstromstimulation (tDCS) und gepaarte assoziative Stimulation (PAS) stellen nicht-invasive Hirnstimulationstechniken dar, die die Erzeugung von Neuroplastizität beim Menschen ermöglichen. Wir haben in unseren Studien tDCS zur Erzeugung nicht-fokaler und PAS zur Erzeugung fokaler synapsenspezifischer Plastizität im motorischen Kortex von gesunden Probanden eingesetzt. In der ersten Studie konnten wir zeigen, daß die Aktivierung nikotinischer Rezeptoren einen fokussierenden Effekt auf fazilitatorische Plastizität hatte, inhibitorische Plastizität aber unabhängig von ihrer Fokalität verhinderte. Somit hat die Aktivierung nikotinerger Rezeptoren ähnliche Effekte wie globale cholinerge Aktivierung auf fazilitatorische, aber differente Effekte auf inhibitorische Plastizität. In der zweiten Studie untersuchten wir die dosisabhängigen Auswirkungen der Dopamin-Vorläufersubstanz l-Dopa auf Neuroplastizität. Bei mittlerer Dosis von l-Dopa war fokale Plastizität unverändert, wohingegen niedrige und hohe Dosen von l-Dopa die Induktion von Plastizität verhinderten. Die Ergebnisse zeigen somit einen klaren nicht-linearen dosisabhängigen Effekt. Aus den Ergebnissen dieser Studien kann geschlossen werden, daß Neuromodulatoren Plastizität im motorischen Kortex des Menschen relevant beeinflussen. Diese Effekte sind Subrezeptor- und Dosis-abhängig.Dopamine and Acetylcholine are the major neuromodulators in the human central nervous system which strongly influence neuroplasticity. Several factors including subreceptor specificity, dosage, and background cortical activity are critical in determining the impact of neuromodulators on plasticity. In the current dissertation, we explored subreceptor-specific and dose-dependent effects of the cholinergic and dopaminergic systems on neuroplasticity in the human motor cortex. Transcranial direct current stimulation (tDCS) and paired associative stimulation (PAS) are non-invasive techniques that induce neuroplasticity and consecutively alter cortical excitability levels in the human cortex. We used tDCS to induce non-focal plasticity and PAS to induce focal, synapse-specific, associative plasticity in the primary motor cortex of healthy human volunteers. In the first study, we found that specific nicotinic activation had a focusing effect on facilitatory plasticity while it abolished both focal and non-focal inhibitory plasticity. Thus, effects of specific nicotinic activation on faciltatory plasticity are similar to those of non-specific cholinergic activation but their effects on inhibitory plasticity are different. In the second study, we investigated the dose-dependent effect of the dopamine precursor l-dopa on neuroplasticity. We discovered that l-dopa preserves focal plasticity induced by PAS only at medium dosages but not at low or high doses revealing a clear non-linear dose-response curve. Thus, we conclude that neuromodulators have a significant impact on neuroplasticity in the human motor cortex. Their effects are dependent on two major factors that we studied namely, subreceptor specificity and dosage