Abstract Early and profound pathological changes are evident in the locus coeruleus (LC) in dementia and Parkinson’s disease, with effects on arousal, attention, cognitive and motor control. The LC can be identified in vivo using non-invasive magnetic resonance imaging techniques which have potential as biomarkers for detecting and monitoring disease progression. Technical limitations of existing imaging protocols have impaired the sensitivity to regional contrast variance or the spatial variability on the rostrocaudal extent of the LC, with spatial mapping consistent with post mortem findings. The current study employs a sensitive magnetisation transfer sequence using ultrahigh field 7T MRI to investigate the LC structure in vivo at high-resolution (resolution 0.4×0.4×0.5 mm, duration seven minutes). Magnetisation transfer images from 53 healthy older volunteers (52-84 years) revealed the spatial features of the LC and were used to create a probabilistic LC atlas for older adults, appropriate for clinical research. Consistent rostrocaudal gradients of slice-wise volume, contrast and variance differences of the LC were observed, mirroring distinctive ex vivo spatial distributions of LC cells in its subregions. The contrast-to-noise ratios were calculated for the peak voxels, and for the averaged signals within the atlas, to accommodate the volumetric differences in estimated contrast. The probabilistic atlas is freely available, and the MRI dataset is available for researchers, for replication or to facilitate accurate LC localisation and unbiased contrast extraction in future studies.

Abstract Response inhibition is a core executive function enabling adaptive behaviour in dynamic environments. Human and animal models indicate that inhibitory control and control networks are modulated by noradrenaline, arising from the locus coeruleus. The integrity (i.e., cellular density) of the locus coeruleus noradrenergic system can be estimated from magnetization transfer sensitive magnetic resonance imaging, in view of neuromelanin present in noradrenergic neurons of older adults. Noradrenergic psychopharmacological studies indicate noradrenergic modulation of prefrontal and frontostriatal stopping-circuits in association with behavioural change. Here we test the noradrenergic hypothesis of inhibitory control, in healthy adults. We predicted that locus coeruleus integrity is associated with age-adjusted variance in response inhibition, mediated by changes in connectivity between frontal inhibitory control regions. In a preregistered analysis, we used magnetization transfer MRI images from N=63 healthy adults aged above 50 years who performed a stop-signal task, with atlas-based measurement of locus coeruleus contrast. We confirm that better response inhibition is correlated with locus coeruleus integrity and stronger connectivity between pre-supplementary motor area and right inferior frontal gyrus, but not volumes of the cortical regions. We confirmed a significant role of prefrontal connectivity in mediating the effect of individual differences in the locus coeruleus on behaviour, whereby this effect was moderated by age, over and above adjustment for the mean effects of age. Our results support the hypothesis that in normal populations, as in clinical settings, the locus coeruleus noradrenergic system regulates inhibitory control.