A single dose of psilocybin, a psychedelic and serotonin 2A receptor (5-HT2AR) agonist, may be associated with antidepressant effects. The mechanism behind its antidepressive action is unknown but could be linked to increased synaptogenesis and down-regulation of cerebral 5-HT2AR. Here, we investigate if a single psychedelic dose of psilocybin changes synaptic vesicle protein 2A (SV2A) and 5-HT2AR density in the pig brain. Twenty-four awake pigs received either 0.08 mg/kg psilocybin or saline intravenously. Twelve pigs (n = 6/intervention) were euthanized one day post-injection, while the remaining twelve pigs were euthanized seven days post-injection (n = 6/intervention). We performed autoradiography on hippocampus and prefrontal cortex (PFC) sections with [3H]UCB-J (SV2A), [3H]MDL100907 (5-HT2AR antagonist) and [3H]Cimbi-36 (5-HT2AR agonist). One day post psilocybin injection, we observed 4.42% higher hippocampal SV2A density and lowered hippocampal and PFC 5-HT2AR density (-15.21% to -50.19%). These differences were statistically significant in the hippocampus for all radioligands and in the PFC for [3H]Cimbi-36 only. Seven days post-intervention, there was still significantly higher SV2A density in the hippocampus (+9.24%) and the PFC (+6.10%), whereas there were no longer any differences in 5-HT2AR density. Our findings suggest that psilocybin causes increased persistent synaptogenesis and an acute decrease in 5-HT2AR density, which may play a role in psilocybin's antidepressive effects.

It is a growing concern that outcomes of neuroimaging studies often cannot be replicated. To counteract this, the magnetic resonance (MR) neuroimaging community has promoted acquisition standards and created data sharing platforms, based on a consensus on how to organize and share MR neuroimaging data. Here, we take a similar approach to positron emission tomography (PET) data. To facilitate comparison of findings across studies, we first recommend publication standards for tracer characteristics, image acquisition, image preprocessing, and outcome estimation for PET neuroimaging data. The co-authors of this paper, representing more than 25 PET centers worldwide, voted to classify information as mandatory, recommended, or optional. Second, we describe a framework to facilitate data archiving and data sharing within and across centers. Because of the high cost of PET neuroimaging studies, sample sizes tend to be small and relatively few sites worldwide have the required multidisciplinary expertise to properly conduct and analyze PET studies. Data sharing will make it easier to combine datasets from different centers to achieve larger sample sizes and stronger statistical power to test hypotheses. The combining of datasets from different centers may be enhanced by adoption of a common set of best practices in data acquisition and analysis.

The Brain Imaging Data Structure (BIDS) is a standard for organizing and describing neuroimaging datasets, serving not only to facilitate the process of data sharing and aggregation, but also to simplify the application and development of new methods and software for working with neuroimaging data. Here, we present an extension of BIDS to include positron emission tomography (PET) data, also known as PET-BIDS, and share several open-access datasets curated following PET-BIDS along with tools for conversion, validation and analysis of PET-BIDS datasets.

Abstract The serotonergic classical psychedelics include compounds that primarily activate the brain’s serotonin 2 A receptor (5-HT2AR), such as LSD, psilocybin, and DMT (ayahuasca). The acute effects of these compounds are well-known as are their ability to increase the emotional state both in healthy people and in those with neuropsychiatric disorders. In particular psilocybin, the psychoactive constituent in “magic mushrooms”, has shown great potential for treatment of anxiety and depression. A unique and compelling feature of psychedelics is that intake of just a single psychedelic dose is associated with long-lasting effects. This includes effects on personality, e.g., higher openness, and amelioration of depressive symptoms. This review focuses on these stunning effects and summarizes our current knowledge on which behavioral, biochemical, neuroimaging, and electrophysiological data support that the intriguing effects of psychedelics on the human brain and mind are based on neural plasticity. The review also points to so far understudied areas and suggests research questions to be addressed in future studies which potentially can help to understand the intriguing long-term effects after intake of a single (or a few) psychedelic doses.

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 The Brain Imaging Data Structure (BIDS) is a standard for organizing and describing neuroimaging datasets. It serves not only to facilitate the process of data sharing and aggregation, but also to simplify the application and development of new methods and software for working with neuroimaging data. Here, we present an extension of BIDS to include positron emission tomography (PET) data (PET-BIDS). We describe the PET-BIDS standard in detail and share several open-access datasets curated following PET-BIDS. Additionally, we highlight several tools which are already available for converting, validating and analyzing PET-BIDS datasets.

Abstract Positron emission tomography (PET) has become an essential clinical tool for diagnosing neurodegenerative diseases with abnormal accumulation of proteins like amyloid-β or tau. Despite many attempts, it has not been possible to develop an appropriate radioligand for imaging aggregated α-synuclein in the brain for diagnosing, e.g., Parkinson’s Disease. Access to a large animal model with α-synuclein pathology would critically enable a more translationally appropriate evaluation of novel radioligands. We here establish a pig model with cerebral injections of α-synuclein preformed fibrils or brain homogenate from postmortem human brain tissue from individuals with Alzheimer’s disease (AD) or dementia with Lewy body (DLB) into the pig’s brain, using minimally invasive surgery and validated against saline injections. In the absence of a suitable α-synuclein radioligand, we validated the model with the unselective amyloid-β tracer [ 11 C]PIB, which has a high affinity for β-sheet structures in aggregates. Gadolinium-enhanced MRI confirmed that the blood-brain barrier was intact. A few hours post-injection, pigs were PET scanned with [ 11 C]PIB. Quantification was done with Logan invasive graphical analysis and simplified reference tissue model 2 using the occipital cortex as a reference region. After the scan, we retrieved the brains to confirm successful injection using autoradiography and immunohistochemistry. We found four times higher [ 11 C]PIB uptake in AD-homogenate-injected regions and two times higher uptake in regions injected with α-synuclein-preformed-fibrils compared to saline. The [ 11 C]PIB uptake was the same in non-injected (occipital cortex, cerebellum) and injected (DLB-homogenate, saline) regions. With its large brains and ability to undergo repeated PET scans as well as neurosurgical procedures, the pig provides a robust, cost-effective, and good translational model for assessment of novel radioligands including, but not limited to, proteinopathies.

Abstract Background To investigate patients with disorders of consciousness (DoC) for residual awareness, guidelines recommend quantifying glucose brain metabolism using positron emission tomography. However, this is not feasible in the intensive care unit (ICU). Cerebral blood flow (CBF) assessed by arterial spin labeling magnetic resonance imaging (ASL-MRI) could serve as a proxy for brain metabolism and reflect consciousness levels in acute DoC. We hypothesized that ASL-MRI would show compromised CBF in coma and unresponsive wakefulness states (UWS) but relatively preserved CBF in minimally conscious states (MCS) or better. Methods We consecutively enrolled ICU patients with acute DoC and categorized them as being clinically unresponsive (i.e., coma or UWS [≤ UWS]) or low responsive (i.e., MCS or better [≥ MCS]). ASL-MRI was then acquired on 1.5 T or 3 T. Healthy controls were investigated with both 1.5 T and 3 T ASL-MRI. Results We obtained 84 ASL-MRI scans from 59 participants, comprising 36 scans from 35 patients (11 women [31.4%]; median age 56 years, range 18–82 years; 24 ≤ UWS patients, 12 ≥ MCS patients; 32 nontraumatic brain injuries) and 48 scans from 24 healthy controls (12 women [50%]; median age 50 years, range 21–77 years). In linear mixed-effects models of whole-brain cortical CBF, patients had 16.2 mL/100 g/min lower CBF than healthy controls ( p = 0.0041). However, ASL-MRI was unable to discriminate between ≤ UWS and ≥ MCS patients (whole-brain cortical CBF: p = 0.33; best hemisphere cortical CBF: p = 0.41). Numerical differences of regional CBF in the thalamus, amygdala, and brainstem in the two patient groups were statistically nonsignificant. Conclusions CBF measurement in ICU patients using ASL-MRI is feasible but cannot distinguish between the lower and the upper ends of the acute DoC spectrum. We suggest that pilot testing of diagnostic interventions at the extremes of this spectrum is a time-efficient approach in the continued quest to develop DoC neuroimaging markers in the ICU.

Abstract Parkinson’s disease (PD) is caused by progressive neurodegeneration and characterised by motor dysfunction. Neurodegeneration of dopaminergic neurons also causes aberrations within the cortico-striato-thalamo-cortical (CSTC) circuit, which has been hypothesised to lead to non-motor symptoms such as depression. Individuals with PD have both lower synaptic density and changes in neuronal metabolic function in the basal ganglia, as measured using [ 11 C]UCB-J and [ 18 F]FDG positron emission tomography (PET), respectively. However, the two radioligands have not been directly compared in the same PD subject or in neurodegeneration animal models. Here, we investigate [11C]UCB-J binding and [ 18 F]FDG uptake in the CSTC circuit following a unilateral dopaminergic lesion in rats and compare it to sham lesioned rats. Rats received either a unilateral injection of 6-hydroxydopamine (6-OHDA) or saline in the medial forebrain bundle and rostral substantia nigra (n=4/group). After three weeks, all rats underwent two PET scans using [ 18 F]FDG, followed by [ 11 C]UCB-J on a separate day. [ 18 F]FDG uptake and [ 11 C]UCB-J binding were both lower in the ipsilateral striatal regions compared to the contralateral regions. Using [ 11 C]UCB-J, we could detect an 8.7% decrease in the ipsilateral ventral midbrain, compared to a 2.9% decrease in ventral midbrain using [ 18 F]FDG. Differential changes between hemispheres for [ 11 C]UCB-J and [ 18 F]FDG outcomes were also evident in the CSTC circuit’s cortical regions, especially in the orbitofrontal cortex and medial prefrontal cortex where higher synaptic density yet lower neuronal metabolic function was observed, following lesioning. In conclusion, [ 11 C]UCB-J and [ 18 F]FDG PET can detect divergent changes following a dopaminergic lesion in rats, especially in cortical regions that are not directly affected by the neurotoxin. These results suggest that combined [ 11 C]UCB-J and [ 18 F]FDG scans could yield a better picture of the heterogeneous cerebral changes in neurodegenerative disorders.

The postsynaptic density (PSD) comprises numerous scaffolding proteins, receptors, and signaling molecules that coordinate synaptic transmission in the brain. Postsynaptic density protein 95 (PSD-95) is a master scaffold protein within the PSD and one of its most abundant proteins and therefore constitutes a very attractive biomarker of PSD function and its pathological changes. Here, we exploit a high-affinity inhibitor of PSD-95, AVLX-144, as a template for developing probes for molecular imaging of the PSD. AVLX-144-based probes were labeled with the radioisotopes fluorine-18 and tritium, as well as a fluorescent tag. Tracer binding showed saturable, displaceable, and uneven distribution in rat brain slices, proving effective in quantitative autoradiography and cell imaging studies. Notably, we observed diminished tracer binding in human post-mortem Parkinson's disease (PD) brain slices, suggesting postsynaptic impairment in PD. We thus offer a suite of translational probes for visualizing and understanding PSD-related pathologies.