Neurotransmitter receptors support the propagation of signals in the human brain. How receptor systems are situated within macro-scale neuroanatomy and how they shape emergent function remain poorly understood, and there exists no comprehensive atlas of receptors. Here we collate positron emission tomography data from more than 1,200 healthy individuals to construct a whole-brain three-dimensional normative atlas of 19 receptors and transporters across nine different neurotransmitter systems. We found that receptor profiles align with structural connectivity and mediate function, including neurophysiological oscillatory dynamics and resting-state hemodynamic functional connectivity. Using the Neurosynth cognitive atlas, we uncovered a topographic gradient of overlapping receptor distributions that separates extrinsic and intrinsic psychological processes. Finally, we found both expected and novel associations between receptor distributions and cortical abnormality patterns across 13 disorders. We replicated all findings in an independently collected autoradiography dataset. This work demonstrates how chemoarchitecture shapes brain structure and function, providing a new direction for studying multi-scale brain organization.

Abstract Neurotransmitter receptors support the propagation of signals in the human brain. How receptor systems are situated within macroscale neuroanatomy and how they shape emergent function remains poorly understood, and there exists no comprehensive atlas of receptors. Here we collate positron emission tomography data from >1 200 healthy individuals to construct a whole-brain 3-D normative atlas of 19 receptors and transporters across 9 different neurotransmitter systems. We find that receptor profiles align with structural connectivity and mediate function, including neurophysiological oscillatory dynamics and resting state hemodynamic functional connectivity. Using the Neurosynth cognitive atlas, we uncover a topographic gradient of overlapping receptor distributions that separates extrinsic and intrinsic psychological processes. Finally, we find both expected and novel associations between receptor distributions and cortical thinning patterns across 13 disorders. We replicate all findings in an independently collected autoradiography dataset. This work demonstrates how chemoarchitecture shapes brain structure and function, providing a new direction for studying multi-scale brain organization.

Abstract Blood-based biomarkers have been revolutionizing the detection, diagnosis and screening of Alzheimer’s disease. Specifically, phosphorylated tau variants (p-tau181, p-tau217 and p-tau231) are promising biomarkers for identifying Alzheimer’s disease pathology. Antibody-based assays such as single molecule arrays immunoassays are powerful tools to investigate pathological changes indicated by blood-based biomarkers and have been studied extensively in the Alzheimer’s disease research field. A novel proteomic technology - NUcleic acid Linked Immuno-Sandwich Assay (NULISA) – was developed to improve the sensitivity of traditional proximity ligation assays and offer a comprehensive outlook for 120 protein biomarkers in neurodegenerative diseases. Due to the relative novelty of the NULISA technology in quantifying Alzheimer’s disease biomarkers, validation through comparisons with more established methods is required. The main objective of the current study was to determine the capability of p-tau variants quantified using NULISA for identifying abnormal amyloid-β and tau pathology. We assessed 397 participants (mean [standard deviation] age, 64.8 [15.7] years; 244 females [61.5%] and 153 males [38.5%]) from the Translational Biomarkers in Aging and Dementia (TRIAD) cohort where participants had plasma measurements of p-tau181, p-tau217 and p-tau231 from NULISA and single molecule arrays immunoassays. Participants also underwent neuroimaging assessments, including structural magnetic resonance imaging (MRI), amyloid and tau positron emission tomography (PET). Our findings suggest an excellent agreement between plasma p-tau variants quantified using NULISA and single molecule arrays immunoassays. Plasma p-tau217 measured with NULISA shows excellent discriminative accuracy for abnormal amyloid-PET (area under the receiver operating characteristic curve = 0.918, 95% confidence interval = 0.883 to 0.953, P < 0.0001) and tau-PET (area under the receiver operating characteristic curve = 0.939; 95% confidence interval = 0.909 to 0.969, P < 0.0001). It also presents the capability for differentiating tau-PET staging. Validation of the NULISA-measured plasma biomarkers adds to the current analytical methods for Alzheimer’s disease diagnosis, screening, and staging, and could potentially expedite the development of a blood-based biomarker panel.