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 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.

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.

Neurotransmitter receptors modulate the signaling between neurons. Thus, neurotransmitter receptors and transporters play a key role in shaping brain function. Due to the lack of comprehensive neurotransmitter receptor/transporter density datasets, microarray gene expression is often used as a proxy for receptor densities. In the present report, we comprehensively test the expression-density association for a total of 27 neurotransmitter receptors, receptor binding-sites, and transporters across 9 different neurotransmitter systems, using both PET and autoradiography imaging modalities. We find poor spatial correspondences between gene expression and density for all neurotransmitter receptors and transporters except four single-protein metabotropic receptors (5-HT 1A , D 2 , CB 1 , and MOR). These expression-density associations are related to population variance and change across different classes of laminar differentiation. Altogether, we recommend using direct measures of receptor and transporter density when relating neurotransmitter systems to brain structure and function.

Individual differences in educational attainment are linked to differences in intelligence, and predict important social, economic and health outcomes. Previous studies have found common genetic factors that influence educational achievement, cognitive performance and total brain volume (i.e., brain size). Here, in a large sample of participants from the UK Biobank, we investigate the shared genetic basis between educational attainment and fine-grained cerebral cortical morphological features, and associate this genetic variation with a related aspect of cognitive ability. Importantly, we execute novel statistical methods that enable high-dimensional genetic correlation analysis, and compute high-resolution surface maps for the genetic correlations between educational attainment and vertex-wise morphological measurements. We conduct secondary analyses, using the UK Biobank verbal-numerical reasoning score, to confirm that variation in educational attainment that is genetically correlated with cortical morphology is related to differences in cognitive performance. Our analyses reveal the genetic overlap between cognitive ability and cortical thickness measurements in bilateral primary motor cortex and predominantly left superior temporal cortex and proximal regions. These findings may contribute to our understanding of the neurobiology that connects genetic variation to individual differences in educational attainment and cognitive performance.

Abstract Background Obesity is a growing burden to health and economy worldwide. Obesity is associated with central μ-opioid receptor (MOR) downregulation, and the interaction between MOR and dopamine D 2 receptor (D 2 R) system in the ventral striatum is disrupted among obese subjects. Weight loss recovers MOR function, but it remains unknown whether it also recovers aberrant opioid-dopamine interaction. Here we addressed this issue by studying subjects undergoing surgical weight loss (bariatric surgery) procedure. Methods We recruited 20 healthy non-obese (mean BMI 22) and 25 morbidly obese women (mean BMI 41) eligible for bariatric surgery. Brain MOR and D 2 R availability was measured using positron emission tomography (PET) with [ 11 C]carfentanil and [ 11 C]raclopride, respectively. Either Roux-en-Y gastric bypass or sleeve gastrectomy was performed to obese subjects according to standard clinical treatment. 21 obese subjects participated in the postoperative PET scanning six months after bariatric surgery. Results In the control subjects, MOR and D 2 R availabilities were associated in the ventral striatum ( r = .62) and dorsal caudate ( r = .61). Preoperatively, the obese subjects had disrupted association in the ventral striatum ( r = .12) but unaltered association in dorsal caudate ( r = .43). The association between MOR and D 2 R availabilities in the ventral striatum was recovered ( r = .62) among obese subjects following the surgery-induced weight loss (mean total weight loss 22 %). Conclusions Bariatric surgery and concomitant weight loss recovers the interaction between MOR and D 2 R in the ventral striatum in the morbidly obese. Consequently, the dysfunctional opioid-dopamine interaction in the ventral striatum is likely associated with an obese phenotype and may mediate excessive energy uptake. Striatal opioid-dopamine interaction provides a feasible target for pharmacological and behavioural interventions for treating obesity. Clinical Trials Registration SleevePET2, NCT01373892 , http://www.clinicaltrials.gov