Pada tahun 1957, Carlsson menunjukkan bahwa dopamin ialah neurotransmiter di otak dan tak hanya prekursor norepinefrin, seperti yang dipercaya sebelumnya.[2][3] Ia mengembangkan pengukuran jumlah dopamin di jaringan otak dan menemukan bahwa kadar dopamin di ganglia basalis, daerah otak yang penting untuk gerakan, amat tinggi. Kemudian Carlsson menunjukkan bahwa pemberian obat reserpin pada hewan menyebabkan penurunan kadar dopamin dan hilangnya kendali gearakan. Efek tersebut mirip dengan gejala penyakit Parkinson. Dengan pemberian L-Dopa pada hewan tersebut, yang merupakan prekursor dopamin, ia bisa mengurangi gejala itu. Penemuan itu mendorong dokter lain mencoba menggunakan L-Dopa pada pasien penyakit Parkinson, dan menemukannya mengurangi beberapa gejala di awal penyakit. L-Dopa masih menjadi dasar bagi penanganan penyakit Parkinson.
