五十年代末期，卡尔森首先发现多巴胺是哺乳动物脑中的一个递质。多巴胺与去甲肾上腺素在脑中存在的部位不同，主要存在于控制运动有关的基底交感神经节中。

    卡尔森做了一系列的实验，这些实验为成功治疗帕金森氏病奠定了科学基础。通过给动物注射药物利血平，卡尔森清除了动物脑中的多巴胺储存，从而制造了帕金森氏病症状，主要是运动不能和肌肉僵硬。

左图显示在荧光显微镜下，鼠脑的基底交感神经节中有很多含有多巴胺的神经末梢（绿点）
右图是电镜下一个神经末梢的特写，囊中的黑点表示贮有多巴胺。

神经末梢分泌的多巴胺，激活靶细胞上的膜受体，引导受体细胞形成信号分子。

    多巴胺是由它的前体左旋多巴形成的，于是，卡尔森给用过利血平的动物使用左旋多巴。这样恢复了脑中的多巴胺水平，动物就从运动不能和肌肉僵硬中痊愈了。受到卡尔森的研究的启发，开始对人进行研究。发现，帕金森氏症病人的多巴胺神经细胞退化，最重要的是，左旋多巴对人同样有效----帕金森氏症病人重新获得了运动能力。这些发现使无数帕金森氏症病人能够正常生活好多年。