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 BACKGROUND The dopamine system contributes to a multitude of functions ranging from reward and motivation to learning and movement control, making it a key component in goal-directed behavior. Altered dopaminergic function is observed in neurological and psychiatric conditions. Numerous factors have been proposed to influence dopamine function, but due to small sample sizes and heterogeneous data analysis methods in previous studies their specific and joint contributions remain unresolved. METHODS In this cross-sectional register-based study we investigated how age, sex, body mass index (BMI), as well as cerebral hemisphere and regional volume influence striatal type 2 dopamine receptor (D 2 R) availability in the human brain. We analyzed a large historical dataset (n=156, 120 males and 36 females) of [11C]raclopride PET scans performed between 2004 and 2018. RESULTS Striatal D 2 R availability decreased through age for both sexes and was higher in females versus males throughout age. BMI and striatal D 2 R availability were weakly associated. There was no consistent lateralization of striatal D 2 R. The observed effects were independent of regional volumes. These results were validated using two different spatial normalization methods, and the age and sex effects also replicated in an independent sample (n=135). CONCLUSIONS D 2 R density is dependent on age and sex, which may contribute to the vulnerability of neurological and psychiatric conditions involving altering D 2 R expression.

Introduction Modelling of the radioactivity images produced by PET scanners into biologically meaningful quantities, such as binding potential, is a complex multi-stage process involving data retrieval, preprocessing, drawing reference regions, kinetic modelling, and post-processing of parametric images. The process is challenging to automatize mainly because of manual work related to input generation, thus prohibiting large-scale standardized analysis of brain PET data. To resolve this problem, we introduce the Magia pipeline that enables processing of brain PET data with minimal user intervention. We investigated the accuracy of Magia in the automatic brain-PET data processing with four tracers binding to different binding sites: [11C]raclopride, [11C]carfentanil, [11C]MADAM, and [11C]PiB.Materials and methods For each tracer, we processed 30 historical control subjects’ data with manual and automated methods. Five persons manually delineated the reference regions (cerebellar or occipital cortex depending on tracer) for each subject according to written and visual instructions. The automatic reference-region extraction was based on FreeSurfer parcellations. We first assessed inter-operator variance resulting from manual delineation of reference regions. Then we compared the differences between the manually and automatically produced reference regions and the subsequently obtained metrics.Results The manually delineated reference regions were remarkably different from each other. The differences translated into differences in outcome measures (binding potential or SUV-ratio), and the intra-class correlation coefficients were between 47 % and 96 % for the tracers. While the Magia-derived reference regions were topographically very different from the manually defined reference regions, Magia produced outcome measures highly consistent with average of the manually obtained estimates. For [11C]carfentanil and [11C]PiB there was no bias, while for [11C]raclopride and [11C]MADAM Magia produced 3-5 % higher binding potentials as a result of slightly lower time-integrals of reference region time-activity curves.Conclusion Even if Magia produces reference regions that are anatomically different from manually drawn reference regions, the resulting outcome measures are highly similar. Based on these results and considering the high inter-operator variance of the manual method, the high level of standardization and strong scalability of Magia, we conclude that Magia can be reliably used to process brain PET data.

The brain's mu-opioid receptors (MORs) are involved in analgesia, reward and mood regulation. Several neuropsychiatric diseases have been associated with dysfunctional MOR system, and there is also considerable variation in receptor density among healthy individuals. Sex, age, body mass and smoking have been proposed to influence the MOR system, but due to small sample sizes the magnitude of their influence remains inconclusive. Here we quantified in vivo MOR availability in the brains of 204 individuals with no neurologic or psychiatric disorders using positron emission tomography (PET) with tracer [11C]carfentanil. We then used Bayesian hierarchical modeling to estimate the effects of sex, age, body mass index (BMI) and smoking on [11C]carfentanil binding potential. We also examined hemispheric lateralization of MOR availability. Age had regionally specific effects on MOR availability, with age-dependent increase in frontotemporal areas but decrease in amygdala, thalamus, and nucleus accumbens. The age-dependent increase was stronger in males. MOR availability was globally lowered in smokers but independent of BMI. Finally, MOR availability was higher in the right versus the left hemisphere. The presently observed variation in MOR availability may explain why some individuals are prone to develop MOR-linked pathological states, such as chronic pain or psychiatric disorders.

Abstract PURPOSE Aberrant dopaminergic function is linked with motor, psychotic, and affective symptoms, but studies have typically compared a single patient group with healthy controls. METHODS: Here, we investigated the variation in striatal (caudate nucleus, nucleus accumbens, and putamen) and thalamic type 2 dopamine receptor (D 2 R) availability using [ 11 C]raclopride positron emission tomography (PET) data from a large sample of 437 humans including healthy controls, and subjects with Parkinson’s disease (PD), antipsychotic-naïve schizophrenia, severe violent behavior, pathological gambling, depression, and overweight. We analyzed regional group differences in D 2 R availability. We also analyzed the interregional correlation in D 2 R availability within each group. RESULTS: Subjects with PD showed the clearest decline in D 2 R availability. Overall, the groups showed high interregional correlation in D 2 R availability, while this pattern was weaker in violent offenders. Subjects with schizophrenia, pathological gambling, depression, or overweight did not show clear changes in either the regional receptor availability or the interregional correlation. CONCLUSION: We conclude that the dopaminergic changes in neuropsychiatric conditions might not only affect the overall receptor availability but also the connectivity between the regions. The region-specific receptor availability more profoundly links to the motor symptoms, while the between-region connectivity might be disrupted in violence. Highlights We compared human striatal and thalamic type 2 dopamine receptor (D 2 R) availability between healthy controls, and subjects with Parkinson’s disease (PD), antipsychotic-naïve schizophrenia, severe violent behavior, pathological gambling, depression, and overweight. We present the mean brain maps of group specific D 2 R availabilities in NeuroVault ( https://neurovault.org ; https://identifiers.org/neurovault.collection:12799 ). Dopamine type 2 receptor availability is lowered in PD in caudate nucleus, nucleus accumbens and thalamus. Subjects with severe violent behavior had decreased correlation between the striatal and thalamic D 2 R availability. Altered regional D 2 R availability in the striatum and thalamus is linked with motor disorders, while lowered interregional connectivity in D 2 R might relate to violence. KEY POINTS QUESTION: Are there differences in the striatal (caudate nucleus, nucleus accumbens, and putamen), and thalamic D 2 R availability in a sample including healthy controls, and subjects with Parkinson’s disease, antipsychotic-naïve schizophrenia, severe violent behavior, pathological gambling, depression, and overweight? PERTINENT FINDINGS: Based on this register-based study of a large historical sample (n=437), Parkinson’s disease links to changes in the regional receptor availability, while in severe violent behavior, the correlation between regional receptor availabilities might be lowered. No clear receptor changes were observed in overweight. IMPLICATIONS FOR PATIENT CARE: Based on our data of striatal and thalamic type 2 dopamine receptors, region-specific changes are linked with motor disorders, while lowered between-region correlation might relate to violence.

Abstract Brain functional and physiological plasticity is essential to combat dynamic environmental challenges. The rhythmic in vivo dopamine signaling pathway, which regulates emotion, reward and learning, shows seasonal patterns with higher capacity of dopamine synthesis and lower number of dopamine transporters during dark seasons. However, seasonal variation of the dopamine receptor signaling remains to be characterized. Here, based on historical database of healthy human brain [ 11 C]raclopride PET scans (n = 291, 224 males and 67 females), we investigated the seasonal patterns of D2/3 dopamine receptor signaling. We found that daylength at the time of scanning was negatively correlated with availability of this type of receptors in the striatum. Likely, seasonally varying D2/3 receptor signaling also underlies the seasonality of mood, feeding, and motivational processes. Significance of the study Brain in vivo neurotransmitter signaling demonstrates seasonal patterns. The dopamine D2/3 receptor, with both pre- and postsynaptic expressions, has been targeted by major antipsychotic and antiparkinsonian pharmaceuticals. The current study, based on a large dataset of healthy brain PET images quantifying these receptors, shows that dark seasons are associated with increased receptor availability in the striatum. Considering the previous findings of increased dopamine synthesis and lowered number of transporters, findings may suggest elevated presynaptic control of dopamine release and increased dopamine receptor sensitivity during dark seasons. The rhythmic D2/3 receptor availability may be a mechanism underlying seasonality in mood, feeding, and motivational processes.

There is an established, albeit poorly-understood link between psychosis and metabolic abnormalities such as altered glucose metabolism and dyslipidemia, which often precede the initiation of antipsychotic treatment. It is known that obesity-associated metabolic disorders are promoted by peripheral activation of the endocannabinoid system (ECS). Our recent data suggest that ECS dysregulation may also play a role in psychosis. With the aim of characterizing the involvement of the central and peripheral ECSs and their mutual associations, here we performed a combined neuroimaging and metabolomic study in patients with first-episode psychosis (FEP) and healthy controls (HC). Regional brain cannabinoid receptor type 1 (CB1R) availability was quantified in two, independent samples of patients with FEP (n=20 and n=8) and HC (n=20 and n=10), by applying 3D positron emission tomography (PET), using two radiotracers, [11C]MePPEP and [18F]FMPEP-d2. Ten endogenous endocannabinoids or related metabolites were quantified in serum, drawn from these individuals during the same imaging session. Circulating levels of arachidonic acid and oleyl ethanolamide were reduced in FEP individuals, but not in those who were predominantly medication-free. In HC, there was an inverse association between levels of circulating arachidonoyl glycerol, anandamide, oleyl ethanolamide and palmitoyl ethanolamide, and CB1R availability in the posterior cingulate cortex. This phenomenon was, however, not observed in FEP patients. Our data thus provide evidence of cross-talk and dysregulation between peripheral endocannabinoids and central CB1R availability in FEP.

Abstract Seasonal rhythms influence mood and sociability. The brain μ-opioid receptor (MOR) system modulates a multitude of seasonally varying socioemotional functions, but its seasonal variation remains elusive with no previously reported in vivo evidence. Here, we studied the seasonal effects on brain MOR availability via analysing a dataset (n=204) of [ 11 C]carfentanil positron emission tomography (PET) scans of healthy volunteers. We found that seasonally varying daylength had an inverted U-shaped functional relationship with brain MOR availability. Brain regions sensitive to daylength spanned the socio-emotional brain circuits, where MOR availability formed a spring-like peak. Causal effect of daylength on brain MOR availability was further verified by a post hoc experiment with repeated PET imaging of rats (n=9) under seasonal photoperiodic simulation. Therefore, the in vivo brain MOR availability in normal humans shows significant seasonal variation, which aligns with expected seasonal variation in mood and suicidality.

Abstract Use of antipsychotic medication is related to thinning of the cerebral cortex, but the underlying mechanisms of this effect remain largely unknown. Here, we investigated potential mechanisms across multiple levels of description, from molecular and physiological factors to whole-brain functional patterns. We first analyzed a single site discovery sample of patients (N=131) with early psychosis for whom antipsychotic related cortical thinning was estimated based on lifetime exposure to antipsychotics. Findings were replicated using data from a large (N≥2168) ENIGMA meta-analysis. We discovered that antipsychotic related cortical thinning is associated with a number of neurotransmitter systems, most notably the serotonin system, physiological measures, and functional networks and neural oscillatory power distributions typical for regions subserving higher cognition. At the functional level, antipsychotic related cortical thinning affects regions involved in executive function and motivation, but not perception. These results show how molecular, physiological, and large-scale functional patterns underlie antipsychotic related cortical thinning.