During rest, brain activity is synchronized between different regions widely distributed throughout the brain, forming functional networks. However, the molecular mechanisms supporting functional connectivity remain undefined. We show that functional brain networks defined with resting-state functional magnetic resonance imaging can be recapitulated by using measures of correlated gene expression in a post mortem brain tissue data set. The set of 136 genes we identify is significantly enriched for ion channels. Polymorphisms in this set of genes significantly affect resting-state functional connectivity in a large sample of healthy adolescents. Expression levels of these genes are also significantly associated with axonal connectivity in the mouse. The results provide convergent, multimodal evidence that resting-state functional networks correlate with the orchestrated activity of dozens of genes linked to ion channel activity and synaptic function.

Catechol- O -methyltransferase (COMT) degrades the catecholamine neurotransmitters dopamine, epinephrine, and norepinephrine. A functional polymorphism in the COMT gene ( val 158 met ) accounts for a fourfold variation in enzyme activity. The low-activity met 158 allele has been associated with improved working memory but with higher risk for anxiety-related behaviors. Using functional magnetic resonance imaging, we assessed the effects of COMT genotype on brain activation by standardized affective visual stimuli (unpleasant, pleasant, and neutral) in 35 healthy subjects. The analysis of genotype effects was restricted to brain areas with robust activation by the task. To determine genedose effects, the number of met 158 alleles (0, 1, or 2) was correlated with the blood oxygen level-dependent (BOLD) response elicited by pleasant or unpleasant stimuli compared with neutral stimuli. COMT genotype had no significant impact on brain activation by pleasant stimuli but was related to the neural response to unpleasant stimuli: reactivity to unpleasant stimuli was significantly positively correlated with the number of met 158 alleles in the limbic system (left hippocampus, right amygdala, right thalamus), connected prefrontal areas (bilateral ventrolateral prefrontal cortex, right dorsolateral prefrontal cortex), and the visuospatial attention system (bilateral fusiform gyrus, left inferior parietal lobule). Genotype explained up to 38% of interindividual variance in BOLD response elicited by unpleasant stimuli. We conclude that (1) genetic variations can account for a substantial part of interindividual variance in task-related brain activation and that (2) increased limbic and prefrontal activation elicited by unpleasant stimuli in subjects with more met 158 alleles might contribute to the observed lower emotional resilience against negative mood states.

OBJECTIVE: Alcohol and other drugs of abuse stimulate dopamine release in the ventral striatum, which includes the nucleus accumbens, a core region of the brain reward system, and reinforce substance intake. Chronic alcohol intake is associated with down-regulation of central dopamine D2 receptors, and delayed recovery of D2 receptor sensitivity after detoxification is positively correlated with high risk for relapse. Prolonged D2 receptor dysfunction in the ventral striatum may interfere with a dopamine-dependent error detection signal and bias the brain reward system toward excessive attribution of incentive salience to alcohol-associated stimuli. METHOD: Multimodal imaging, with the radioligand [18F]desmethoxyfallypride and positron emission tomography as well as functional magnetic resonance imaging (fMRI), was used to compare 11 detoxified male alcoholics with 13 healthy men. The authors measured the association of D2-like dopamine receptors in the ventral striatum with alcohol craving and central processing of alcohol cues. RESULTS: Activation of the medial prefrontal cortex and striatum by alcohol-associated stimuli, relative to activation by neutral visual stimuli, was greater in the detoxified alcoholics than in the healthy men. The alcoholics displayed less availability of D2-like receptors in the ventral striatum, which was associated with alcohol craving severity and with greater cue-induced activation of the medial prefrontal cortex and anterior cingulate as assessed with fMRI. DISCUSSION: In alcoholics, dopaminergic dysfunction in the ventral striatum may attribute incentive salience to alcohol-associated stimuli, so that alcohol cues elicit craving and excessive activation of neural networks associated with attention and behavior control.

The traditional view that mental disorders are distinct, categorical disorders has been challenged by evidence that disorders are highly comorbid and exist on a continuum (e.g., Caspi et al., 2014; Tackett et al., 2013). The first objective of this study was to use structural equation modeling to model the structure of psychopathology in an adolescent community-based sample (N = 2,144) including conduct disorder, attention-deficit/hyperactivity disorder (ADHD), oppositional-defiant disorder (ODD), obsessive-compulsive disorder, eating disorders, substance use, anxiety, depression, phobias, and other emotional symptoms, assessed at 16 years. The second objective was to identify common personality and cognitive correlates of psychopathology, assessed at 14 years. Results showed that psychopathology at 16 years fit 2 bifactor models equally well: (a) a bifactor model, reflecting a general psychopathology factor, as well as specific externalizing (representing mainly substance misuse and low ADHD) and internalizing factors; and (b) a bifactor model with a general psychopathology factor and 3 specific externalizing (representing mainly ADHD and ODD), substance use and internalizing factors. The general psychopathology factor was related to high disinhibition/impulsivity, low agreeableness, high neuroticism and hopelessness, high delay-discounting, poor response inhibition and low performance IQ. Substance use was specifically related to high novelty-seeking, sensation-seeking, extraversion, high verbal IQ, and risk-taking. Internalizing psychopathology was specifically related to high neuroticism, hopelessness and anxiety-sensitivity, low novelty-seeking and extraversion, and an attentional bias toward negatively valenced verbal stimuli. Findings reveal several nonspecific or transdiagnostic personality and cognitive factors that may be targeted in new interventions to potentially prevent the development of multiple psychopathologies. (PsycINFO Database Record

In alcohol-dependent patients, brain atrophy and functional brain activation elicited by alcohol-associated stimuli may predict relapse. However, to date, the interaction between both factors has not been studied.To determine whether results from structural and functional magnetic resonance imaging are associated with relapse in detoxified alcohol-dependent patients.A cue-reactivity functional magnetic resonance experiment with alcohol-associated and neutral stimuli. After a follow-up period of 3 months, the group of 46 detoxified alcohol-dependent patients was subdivided into 16 abstainers and 30 relapsers.Faculty for Clinical Medicine Mannheim at the University of Heidelberg, Germany.A total of 46 detoxified alcohol-dependent patients and 46 age- and sex-matched healthy control subjectsLocal gray matter volume, local stimulus-related functional magnetic resonance imaging activation, joint analyses of structural and functional data with Biological Parametric Mapping, and connectivity analyses adopting the psychophysiological interaction approach.Subsequent relapsers showed pronounced atrophy in the bilateral orbitofrontal cortex and in the right medial prefrontal and anterior cingulate cortex, compared with healthy controls and patients who remained abstinent. The local gray matter volume-corrected brain response elicited by alcohol-associated vs neutral stimuli in the left medial prefrontal cortex was enhanced for subsequent relapsers, whereas abstainers displayed an increased neural response in the midbrain (the ventral tegmental area extending into the subthalamic nucleus) and ventral striatum. For alcohol-associated vs neutral stimuli in abstainers compared with relapsers, the analyses of the psychophysiological interaction showed a stronger functional connectivity between the midbrain and the left amygdala and between the midbrain and the left orbitofrontal cortex.Subsequent relapsers displayed increased brain atrophy in brain areas associated with error monitoring and behavioral control. Correcting for gray matter reductions, we found that, in these patients, alcohol-related cues elicited increased activation in brain areas associated with attentional bias toward these cues and that, in patients who remained abstinent, increased activation and connectivity were observed in brain areas associated with processing of salient or aversive stimuli.

Abstract Dopamine is a key neurotransmitter in reinforcement learning and action control. Recent findings suggest that these components are inherently entangled. Here, we tested if increases in dopamine tone by administration of L-DOPA upregulate deliberative “model-based” control of behavior or reflexive “model-free” control as predicted by dual-control reinforcement-learning models. Alternatively, L-DOPA may impair learning as suggested by “value” or “thrift” theories of dopamine. To this end, we employed a two-stage Markov decision-task to investigate the effect of L-DOPA (randomized cross-over) on behavioral control while brain activation was measured using fMRI. L-DOPA led to attenuated model-free control of behavior as indicated by the reduced impact of reward on choice and increased stochasticity of model-free choices. Correspondingly, in the brain, L-DOPA decreased the effect of reward while prediction-error signals were unaffected. Taken together, our results suggest that L-DOPA reduces model-free control of behavior by attenuating the transfer of value to action.

Abstract Substance use disorders (SUDs) are seen as a continuum ranging from goal‐directed and hedonic drug use to loss of control over drug intake with aversive consequences for mental and physical health and social functioning. The main goals of our interdisciplinary German collaborative research centre on Losing and Regaining Control over Drug Intake (ReCoDe) are (i) to study triggers (drug cues, stressors, drug priming) and modifying factors (age, gender, physical activity, cognitive functions, childhood adversity, social factors, such as loneliness and social contact/interaction) that longitudinally modulate the trajectories of losing and regaining control over drug consumption under real‐life conditions. (ii) To study underlying behavioural, cognitive and neurobiological mechanisms of disease trajectories and drug‐related behaviours and (iii) to provide non‐invasive mechanism‐based interventions. These goals are achieved by: (A) using innovative mHealth (mobile health) tools to longitudinally monitor the effects of triggers and modifying factors on drug consumption patterns in real life in a cohort of 900 patients with alcohol use disorder. This approach will be complemented by animal models of addiction with 24/7 automated behavioural monitoring across an entire disease trajectory; i.e. from a naïve state to a drug‐taking state to an addiction or resilience‐like state. (B) The identification and, if applicable, computational modelling of key molecular, neurobiological and psychological mechanisms (e.g., reduced cognitive flexibility) mediating the effects of such triggers and modifying factors on disease trajectories. (C) Developing and testing non‐invasive interventions (e.g., Just‐In‐Time‐Adaptive‐Interventions (JITAIs), various non‐invasive brain stimulations (NIBS), individualized physical activity) that specifically target the underlying mechanisms for regaining control over drug intake. Here, we will report on the most important results of the first funding period and outline our future research strategy.