Rewards are considered as crucial factor for adaptive behavior of the human being. Further, behavioral and neuronal processing of rewards may be influenced by developmental changes. Interestingly, dopaminergic and glutamatergic factors in the striatum may also change during the lifespan, and are involved in learning processes. Therefore, we investigated adolescents, younger adults, and older adults by mean of a reward task during functional magnetic resonance imaging (fMRI). Core reward areas like the ventral striatum (VS) were characterized by a hyperactivation in adolescents compared with both adult groups. We interpreted these findings as the result of an asymmetric (protracted) development of the “frontal inhibition system” in comparison to the (faster) development of the VS in adolescents. Further, frontal areas showed hyperactivation in older adults compared with younger groups. These findings were interpreted as compensatory age-specific effects in fronto- parietal regions. In a second study, we additionally focused on the impact of frontal glutamate concentrations on reward processing in healthy adolescents and observed an inverse coupling of glutamate concentrations in the anterior cingulate cortex (ACC) and neuronal activation of the VS. This finding demonstrates the important role of glutamate in reward processing and as a potential vulnerability factor for mental disorders starting in adolescence. The striatum may also be involved in reward associated response inhibition modulated by dopamine. Therefore, in a trimodal imaging approach [using F18-DOPA positron emission tomography, magnetic resonance spectroscopy (MRS) and fMRI] we investigated a response inhibition task in healthy participants between 20 and 80 years of age. We observed a positive association between dopamine synthesis capacity and inhibition-related neural activity in the caudate nucleus. This relationship was further mediated by striatal glutamate. However, age did not affect response inhibition-related neurofunctional or neurochemical parameters. Taken together, in the present dissertation I demonstrate the importance of dopamineglutamate interactions with regard to reward processing in striatal areas in aging. Further, glutamatergic factor in fronto-limbic networks may also be related to increased risk and onset of psychiatric diseases (e.g. schizophrenia) during adolescence. Additionally, neuronal factors of response inhibition seem to be associated to striatal dopamine and glutamate, but those findings may not be associated to aging. Globally, the present results add to the understanding of reward processing and associated inhibition processing as well as associated neurochemical and neurofunctional properties in the eyes of lifelong changes. The present findings may further stimulate age related research on neurochemical and neurofunctional characteristics of mental disease like schizophrenia or addiction.
Belohnungen sind ein wichtiger und basaler Faktor für Anpassungsverhalten bei Menschen. Weiterhin scheinen Verhalten und neuronale Verarbeitung von Belohnungen durch entwicklungsspezifische Aspekte beeinflusst zu sein. Die Neurotransmitter Dopamin und Glutamat sind eng mit Belohnungsverarbeitung assoziiert und durchlaufen altersabhängige Veränderungen. Aus diesem Grund wurden in den hier durchgeführten Studien gesunde Adoleszente, junge Erwachsene und ältere Erwachsene während der Durchführung einer Belohnungsaufgabe mittels funktioneller Kernspintomographie (fMRT) untersucht. Die Ergebnisse zeigten eine erhöhte Aktivierung der KernBelohnungszentren [z.B. das ventrale Striatum (VS)] bei Adoleszenten im Vergleich zu jungen und älteren Erwachsenen. Diese Ergebnisse wurden interpretiert als Resultat einer verzögerten Entwicklung des „frontalen Inhibitionssystems“ im Verhältnis zum (sich schneller entwickelnden) VS. Weiterhin beobachteten wir eine erhöhte Aktivierung in frontalen Gebieten bei älteren Erwachsenen im Vergleich zu den beiden jüngeren Gruppen. Diese Ergebnisse sprechen für einen kompensatorischen, altersspezifischen Effekt in frontal-parietalen Regionen. In einer zweiten Studie konzentrierten wir uns zusätzlich auf die Bedeutung von frontalem Glutamat-Konzentrationen für Belohnungsverarbeitung bei gesunden Adoleszenten und beobachteten einen negativen Zusammenhang zwischen Glutamat- Konzentrationen im anterioren Zingulum (ACC) und neuronaler Verarbeitung im VS bei Adoleszenten. Diese Ergebnisse zeigen welche wichtige Rolle Glutamat während neuronaler Belohnungsverarbeitung spielt. Außerdem könnten die Ergebnisse eine entwicklungsspezifische Vulnerabilität für geistige Krankheiten wiederspiegeln. Das Striatum scheint weiterhin mit der Inhibition von belohnungsabhängigem Verhalten („response inhibition“) verknüpft zu sein, welche von dem Neurotransmitter Dopamin moduliert wird. Aus diesem Grund wurde in einem trimodalen Bildgebungsprojekt [F18-DOPA Positronen- EmissionsTomographie, Magnetresonanzspektroskopie (MRS) und fMRT] eine „response inhibition“ Aufgabe von Personen zwischen 20 und 80 Jahren durchgeführt. Wir beobachteten einen positiven Zusammenhang zwischen Dopamin- Synthese-Kapazität und neuronaler Aktivität im Nucleus caudatus während Inhibitionsprozesse aktiv waren. Dieser Zusammenhang war auch assoziiert mit striataler Glutamat-Konzentration. Altersfaktoren schienen diese Prozesse jedoch nicht zu beeinflussen. In der gegenwärtigen Dissertation untersuche und beschreibe ich die Relevanz von DopaminGlutamat Interaktionen in Verbindung mit Belohnungsverarbeitung in striatalen Gebieten in Abhängigkeit des Alters der Probanden. Die Ergebnisse liefern Hinweise dass Dopamin-Glutamat Interaktionen mit der erhöhten Vulnerabilität für geistige Krankheiten (z.B. Schizophrenie) während der Adoleszenz in Verbindung stehen könnten. Zusätzlich scheint die neuronale Verarbeitung von Inhibition mit Dopamin und Glutamat in Verbindung zu stehen, diese Zusammenhänge scheinen jedoch unabhängig von Altersprozessen zu sein. Die hier gezeigten Ergebnisse erweitern das Verständnis von Belohnungsverarbeitung und Inhibitionsprozessen, sowie die damit assoziierten neurofunktionale und neurochemischen Veränderungen, insbesondere im Rahmen von Veränderungen über die Lebensspanne. Weiterhin könnten die hier gezeigten Ergebnisse die Erforschung von neurochemischen und neurofunktionalen Aspekten von geistigen Krankheiten (z.B. Schizophrenie oder Sucht) im Rahmen von Altersprozessen weiter stimulieren.
