ABSTRACT The dopamine (DA) system, particularly D1-like DA receptors (D1DR), declines across the adult life. The functional consequences of reduced D1DR has been hypothesized to vary across life periods, but the precise timing of these periods is unknown. To examine distinct phases in age-related D1DR reductions, we studied 180 healthy adults (90 females, 20-80 years), who underwent D1DR PET assessment using [ 11 C]SCH23390. A bi-phasic pattern of age-related D1DR differences was revealed, with an inflection point at approximately 40 years of age. Notably, D1DR levels before and after the inflection showed opposing relations to neurocognitive functions, in concordance with distinct consequences of D1DR differences during development and in old age. Furthermore, D1DR reductions in later life were linked to age-related cerebrovascular consequences. These results support a distinction between D1DR reductions in early adulthood from those later in life, and suggest less dramatic and more malleable DA losses in aging than previously suggested.

The hippocampus is a complex structure critically involved in numerous behavior-regulating systems. In young adults, multiple overlapping spatial modes along its longitudinal and transverse axes describe the organization of its functional integration with neocortex, extending the traditional framework emphasizing functional differences between sharply segregated hippocampal subregions. Yet, it remains unknown whether these modes (i.e., gradients) persist across the adult human lifespan, and relate to memory and molecular markers associated with brain function and cognition. In two independent samples, we demonstrate that the principal anteroposterior and second-order, mid-to-anterior/posterior hippocampal modes of neocortical functional connectivity, representing distinct dimensions of macroscale cortical organization, manifest across the adult lifespan. Specifically, individual differences in topography of the second-order gradient predicted episodic memory and mirrored dopamine D1 receptor distribution, capturing shared functional and molecular organization. Older age was associated with less distinct transitions along gradients (i.e., increased functional homogeneity). Importantly, a youth-like gradient profile predicted preserved episodic memory, emphasizing age-related gradient dedifferentiation as a marker of cognitive decline. Our results underscore a critical role of mapping multidimensional hippocampal organization in understanding the neural circuits that support memory across the adult lifespan.

Abstract Decades of research on functional brain mapping have highlighted the importance of understanding the functional organization of the cerebral cortex. Recent advances have revealed a gradient of functional organization spanning from primary sensory to transmodal cortices. This gradient-like axis of connectivity has been hypothesized to be aligned with regional differences in the density of neuromodulatory receptors. Recent work in non-human primates supports this notion, revealing a gradient of dopamine D1-like receptor (D1DR) density along the cortical hierarchy. Given the importance of dopaminergic modulation for synaptic activity and neural gain, we tested whether D1DRs shares the same organizational principles as brain function in humans, and whether inter-regional relationships in D1 expression modulate functional crosstalk. Using the world’s largest combined dopamine D1DR-PET and MRI database, we provided empirical support for the first time in humans that the landscape of D1DR availability follows a unimodal-transmodal cortical hierarchy, with greater D1DR expression in associative cortical regions. We found an organization of inter-regional D1DR co-expression spanning unimodal to transmodal brain regions, expressing a high spatial correspondence to the principal macroscale gradient of functional connectivity. Critically, we found that individual differences in D1DR density between unimodal and transmodal regions was associated with greater differentiation of default-mode and somatosensory networks. Finally, inter-regional D1DR co-expression was found to modulate couplings within, but not between, functional networks. Together, our results show that D1DR co-expression provides a biomolecular layer to the functional organization of the brain. Significance Statement We found a high correspondence between the organization of the most abundantly expressed dopamine receptor subtype and a macroscale unimodal-to-transmodal functional gradient. Differences in D1 density between unimodal and transmodal regions were related to the shape of the functional gradient, contributing to greater differentiation of somatomotor and default mode networks. Finally, we observed that the covariance structure of dopamine D1 receptors is associated with the strength of connectivity within functional networks. The discovery of a dopaminergic layer of brain organization represents a crucial first step towards an understanding of how dopamine, with close ties to behavior and neuropsychiatric conditions, potentially contribute to the emergence of functional brain organization.

Abstract Age-related alterations in cortico-striatal function have been highlighted as an important determinant of declines in flexible, higher-order, cognition in older age. However, the mechanisms underlying such alterations remain poorly understood. Computational accounts propose age-related dopaminergic decreases to impoverish neural gain control, possibly contributing to reduced specificity of cortico-striatal circuits, that are modulated by dopamine, in older age. Using multi-modal neuroimaging data (fMRI, PET) from a large lifespan cohort ( n = 180), we assessed the relationship between dopamine D1-like receptors (D1DRs) and cortico-striatal function during rest and an n-back working memory task. The results revealed gradual age-related decreases in the specificity of functional coupling between the centrolateral caudate and cortical association networks during both rest and working memory, which in turn was associated with poorer short and long-term memory performance with older age. Critically, reduced D1DR availability in the caudate and the prefrontal cortex predicted less differentiated caudate-cortical coupling across the lifespan, in part accounting for the age-related declines observed on this metric. These findings provide novel empirical evidence for a key role of dopamine in maintaining functional specialization of cortico-striatal circuits as individuals age, aligning with computational models that propose deficient catecholaminergic neuromodulation to underpin age-related dedifferentiation of brain function.

Abstract Brain iron overload and decreased integrity of the dopaminergic system have been independently reported as brain substrates of cognitive decline in aging. Dopamine (DA), and iron are co-localized in high concentrations in the striatum and prefrontal cortex (PFC), but follow opposing age-related trajectories across the lifespan. DA contributes to cellular iron homeostasis and the activation of D1-like DA receptors (D1DR) alleviates oxidative stress-induced inflammatory responses, suggesting a mutual interaction between these two fundamental components. Still, a direct in-vivo study testing the iron-D1DR relationship and their interactions on brain function and cognition across the lifespan is rare. Using PET and MRI data from the DyNAMiC study (n=180, age=20-79, %50 female), we showed that elevated iron content was related to lower D1DRs in DLPFC, but not in striatum, suggesting that dopamine-rich regions are less susceptible to elevated iron. Critically, older individuals with elevated iron and lower D1DR exhibited less frontoparietal activations during the most demanding task, which in turn was related to poorer working-memory performance. Together, our findings suggest that the combination of elevated iron load and reduced D1DR contribute to disturbed PFC-related circuits in older age, and thus may be targeted as two modifiable factors for future intervention. Highlights First study demonstrating the association between regional iron and dopamine D1DR in adult humans. The interplay between age-related elevated iron and diminished D1DR explained lower task-related brain activity, which in turn was related to poorer task performance. Our findings iron-DA coupling can help progress the understanding of the mechanisms behind DA-related neurodegeneration.