Abstract The non-selective serotonin 2A (5-HT 2A ) receptor agonist lysergic acid diethylamide (LSD) holds promise as a treatment for some psychiatric disorders. Psychedelic drugs such as LSD have been suggested to have therapeutic actions through their effects on learning. The behavioural effects of LSD in humans, however, remain largely unexplored. Here we examined how LSD affects probabilistic reversal learning in healthy humans. Healthy volunteers received intravenous LSD (75μg in 10 mL saline) or placebo (10mL saline) in a within-subjects design and completed a probabilistic reversal learning task. Participants had to learn through trial and error which of three stimuli was rewarded most of the time, and these contingencies switched in a reversal phase. Computational models of reinforcement learning were fitted to the behavioural data to assess how LSD affected the updating (“learning rates”) and deployment (“reinforcement sensitivity”) of value representations during choice, as well as “stimulus stickiness”, which assays choice repetition irrespective of reinforcement history. Conventional measures assessing sensitivity to immediate feedback (“win-stay” and “lose-shift” probabilities) were unaffected, whereas LSD increased the impact of the strength of initial learning on perseveration. Computational modelling revealed that the most pronounced effect of LSD was enhancement of the reward learning rate. The punishment learning rate was also elevated. Stimulus stickiness was decreased by LSD, reflecting heightened exploratory behaviour, while reinforcement sensitivity was unaffected. Increased reinforcement learning rates suggest LSD induced a state of heightened plasticity. These results indicate a potential mechanism through which revision of maladaptive associations could occur in the clinical application of LSD. Significance statement The psychedelic (“mind-manifesting”) drug LSD holds promise for the treatment of some psychiatric disorders. Theories have postulated its therapeutic potential centres on enhancing learning and flexible thinking. Here we provide substantiating empirical evidence by examining the computations underlying behaviour as healthy volunteers learned through trial and error under LSD. Viewing choice as based on representations of an action’s value, LSD increased the speed at which value was updated following feedback, which was more pronounced following reward than punishment. Behaviour was also more exploratory under LSD, irrespective of the outcome of actions. These results indicate that LSD impacted a fundamental belief-updating process inherent in the brain which can be leveraged to revise maladaptive associations characteristic of a range of mental disorders.

The authors have withdrawn their manuscript as the results and interpretation have changed substantially following further analyses. Please do not cite this manuscript in its current form. If you have any questions, please contact the corresponding author.

Abstract Background Amphetamine-type stimulants (ATS) have become a critical public health issue. Animal models have indicated a clear neurotoxic potential of ATSs. In humans, chronic use has been associated with cognitive deficits and structural brain abnormalities. However, cross-sectional retrospective designs in chronic users cannot truly determine the causal direction of the effects. Methods In a prospective-longitudinal study design cognitive functioning and brain structure were assessed at baseline and at 12-months follow-up in occasional ATS users (cumulative lifetime use <10 units at baseline). Results Examination of change-scores between the initial examination and follow-up revealed declined verbal memory performance and putamen volume in users with high relative to low interim ATS exposure. In the entire sample interim ATS use, memory decline and putamen volume reductions were strongly associated. Conclusions The present findings support the hypothesis that ATS use is associated with deficient dorsal striatal morphology which might reflect alterations in dopaminergic pathways. More importantly, these findings strongly suggest that even occasional, low-dose ATS use disrupts striatal integrity and cognitive functioning.

Abstract Serotonin is critical for adapting behavior flexibly to meet changing environmental demands. Cognitive flexibility is important both for successful attainment of goals, as well as for social interactions, and is frequently impaired in neuropsychiatric disorders, including obsessive-compulsive disorder (OCD). However, a unifying mechanistic framework accounting for the role of serotonin in behavioral flexibility has remained elusive. Here, we demonstrate common effects of manipulating serotonin function across two species (rats and humans) on latent processes supporting choice behavior during probabilistic reversal learning using computational modelling. The findings support a role of serotonin in behavioral flexibility and plasticity, indicated, respectively, by increases or decreases in choice repetition (‘stickiness’) or reinforcement learning rates depending upon manipulations intended to increase or decrease serotonin function. More specifically, the rate at which expected value increased following reward and decreased following punishment (reward and punishment ‘learning rates’) was greatest after sub-chronic administration of the selective serotonin reuptake (SSRI) citalopram (5 mg/kg for 7 days followed by 10 mg/kg twice a day for 5 days) in rats. Conversely, humans given a single dose of an SSRI (20mg escitalopram), which can decrease post-synaptic serotonin signalling, and rats that received the neurotoxin 5,7-dihydroxytryptamine (5,7-DHT), which destroys forebrain serotonergic neurons, exhibited decreased reward learning rates. A basic perseverative tendency (‘stickiness’), or choice repetition irrespective of the outcome produced, was likewise increased in rats after the 12-day SSRI regimen and decreased after single dose SSRI in humans and 5,7-DHT in rats. These common effects of serotonergic manipulations on rats and humans – identified via computational modelling – suggest an evolutionarily conserved role for serotonin in plasticity and behavioral flexibility and have clinical relevance transdiagnostically for neuropsychiatric disorders.

The neurobiological heterogeneity of schizophrenia is widely accepted, but it is unclear how mechanistic differences converge to produce the observed phenotype. Establishing a pathophysiological model that accounts for both heterogeneity and phenotypic similarity is essential to inform stratified treatment approaches. In this cross-sectional diffusion tensor imaging (DTI) study, we recruited 77 healthy controls (HC), and 71 patients with DSM-IV diagnosis of schizophrenia (SCZ), and reconstructed the structural connectivity of 90 brain regions covering entire cerebral cortex. We first confirmed the heterogeneity in structural connectivity by showing a reduced inter-individual similarity in SCZ compared with HC. Moreover, we found it was not possible to cluster patients into subgroups with shared patterns of dysconnectivity, indicating a high degree of mechanistic divergence in schizophrenia. Instead of the strength of connectivity between any particular brain regions, we investigated the diversity (or statistically, the variance) of the topographic distribution of the strength was reduced. HC had higher topographic diversity in whole brain structural connectivity compared to the patient group (P=2 x 10^(-6), T= 4.96, Cohen's d= 0.87). In 62 of the 90 brain regions, the topographic diversity was significantly reduced in patients compared to controls after FDR correction (<0.05). When topographic diversity was used as a discriminant feature for classification between patients and controls, we significantly (P=4.29x10^(-24)) improved the classification accuracy to 79.6% (sensitivity 78.3%, specificity 81.3%). This finding suggests highly individualized pattern of structural dysconnectivity underlying the heterogeneity of schizophrenia converges to a convergent common pathway as reduced topographic diversity for the clinical construct of the disease.

Reinforcement-related cognitive processes, such as reward processing, impulsiveness and emotional processing are critical components of externalising and internalising behaviours. It is unclear to what extent each of these processes contributes to individual behavioural symptoms, how their neural substrates give rise to distinct behavioural outcomes, and if neural profiles across different reinforcement-related processes might differentiate individual behaviours. We created a statistical framework that enabled us to directly compare functional brain activation during reward anticipation, motor inhibition and viewing of emotional faces in the European IMAGEN cohort of 2000 14-year-old adolescents. We observe significant correlations and modulation of reward anticipation and motor inhibition networks in hyperactivity, impulsivity, inattention and conduct symptoms, and describe neural signatures across neuroimaging tasks that differentiate these behaviours. We thus characterise shared and distinct functional brain activation patterns that underlie different externalising symptoms and identify neural stratification markers, while accounting for clinically observed co-morbidity.

Abstract Background Previous studies have linked adolescent motherhood to adverse neurodevelopmental outcomes in offspring, yet the sex-specific effect and underlying mechanisms remain unclear. Methods This study included 6952 children aged 9–11 from the Adolescent Brain Cognitive Development study. The exposed group consisted of children of mothers < 20 years at the time of birth, while the unexposed group was composed of children of mothers aged 20–35 at birth. We employed a generalized linear mixed model to investigate the associations of adolescent motherhood with cognitive, behavioral, and autistic-like traits in offspring. We applied an inverse-probability-weighted marginal structural model to examine the potential mediating factors including adverse perinatal outcomes, family conflict, and brain structure alterations. Results Our results revealed that children of adolescent mothers had significantly lower cognitive scores (β, − 2.11, 95% CI, − 2.90 to − 1.31), increased externalizing problems in male offspring (mean ratio, 1.28, 95% CI, 1.08 to 1.52), and elevated internalizing problems (mean ratio, 1.14, 95% CI, 0.99 to 1.33) and autistic-like traits (mean ratio, 1.22, 95% CI, 1.01 to 1.47) in female. A stressful family environment mediated ~ 70% of the association with internalizing problems in females, ~ 30% with autistic-like traits in females, and ~ 20% with externalizing problems in males. Despite observable brain morphometric changes related to adolescent motherhood, these did not act as mediating factors in our analysis, after adjusting for family environment. No elevated rate of adverse perinatal outcomes was observed in the offspring of adolescent mothers in this study. Conclusions Our results reveal distinct sex-specific neurodevelopmental outcomes impacts of being born to adolescent mothers, with a substantial mediating effect of family environment on behavioral outcomes. These findings highlight the importance of developing sex-tailored interventions and support the hypothesis that family environment significantly impacts the neurodevelopmental consequences of adolescent motherhood.

Major Depressive Disorder (MDD) is common and disabling, but its neuropathophysiology remains unclear. Most studies of functional brain networks in MDD have had limited statistical power and data analysis approaches have varied widely. The REST-meta-MDD Project of resting-state fMRI (R-fMRI) addresses these issues. Twenty-five research groups in China established the REST-meta-MDD Consortium by contributing R-fMRI data from 1,300 patients with MDD and 1,128 normal controls (NCs). Data were preprocessed locally with a standardized protocol prior to aggregated group analyses. We focused on functional connectivity (FC) within the default mode network (DMN), frequently reported to be increased in MDD. Instead, we found decreased DMN FC when we compared 848 patients with MDD to 794 NCs from 17 sites after data exclusion. We found FC reduction only in recurrent MDD, not in first-episode drug-naive MDD. Decreased DMN FC was associated with medication usage but not with MDD duration. DMN FC was also positively related to symptom severity but only in recurrent MDD. Exploratory analyses also revealed alterations in FC of visual, sensory-motor and dorsal attention networks in MDD. We confirmed the key role of DMN in MDD but found reduced rather than increased FC within the DMN. Future studies should test whether decreased DMN FC mediates response to treatment. Finally, all resting-state fMRI indices of data contributed by the REST-meta-MDD consortium are being shared publicly via the R-fMRI Maps Project.