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 Individual differences in striatal dopamine synthesis capacity have been associated with working memory capacity, trait impulsivity and spontaneous eye-blink rate (sEBR), as measured with readily available and easily administered, ‘off-the-shelf’ tests. Such findings have raised the suggestion that individual variation in dopamine synthesis capacity, estimated with expensive and invasive brain positron emission tomography (PET) scans, can be approximated with simple, more pragmatic tests. However, direct evidence for the relationship between these simple trait measures and striatal dopamine synthesis capacity has been limited and inconclusive. We measured striatal dopamine synthesis capacity using [ 18 F]-FDOPA PET in a large sample of healthy volunteers (N=94) and assessed the correlation with simple, short tests of working memory capacity, trait impulsivity, and sEBR. We additionally explored the relationship with an index of subjective reward sensitivity. None of these trait measures correlated significantly with striatal dopamine synthesis capacity, nor did they have out-of-sample predictive power. Bayes Factor analyses indicated the evidence was in favour of absence of correlations for all but subjective reward sensitivity. These results warrant caution for using these off-the-shelf trait measures as proxies of striatal dopamine synthesis capacity.

ABSTRACT Apathy is a debilitating syndrome that is associated with reduced goal-directed behaviour. Although apathy is common and detrimental to prognosis in many neuropsychiatric diseases, its underlying mechanisms remain controversial. We propose a new model of apathy, in the context of Bayesian theories of brain function, whereby actions require predictions of their outcomes to be held with sufficient precision for ‘explaining away’ differences in sensory inputs. In this active inference model, apathy would result from reduced precision of prior beliefs about action outcomes. Healthy adults ( N =47) performed a visuomotor task that independently manipulated physical effort and reward, and served to estimate the precision of priors. Participants’ perception of their performance was biased towards the target, which was accounted for by precise prior beliefs about action outcomes. Crucially, prior precision was negatively associated with apathy. The results support a Bayesian account of apathy, that could inform future studies of clinical populations.

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.

Compulsivity is associated with failures in goal-directed control, an important cognitive faculty that protects against developing habits. But might this effect be explained by co-occurring anxiety? Previous studies have found goal-directed deficits in other anxiety disorders, and to some extent when healthy individuals are stressed, suggesting this is plausible. We carried out a causal test of this hypothesis in two experiments (between-subject N=88; within-subject N=50) that used the inhalation of hypercapnic gas (7.5% CO2) to induce an acute state of anxiety in healthy volunteers. In both experiments, we successfully induced anxiety, assessed physiologically and psychologically, but this did not affect goal-directed performance. In a third experiment (N=1413), we used a correlational design to test if real-life anxiety-provoking events (panic attacks, stressful events) impair goal-directed control. While small effects were observed, none survived controlling for individual differences in compulsivity. These data suggest that anxiety has no meaningful impact on goal-directed control.