Although it is being successfully implemented for exploration of the genome, discovery science has eluded the functional neuroimaging community. The core challenge remains the development of common paradigms for interrogating the myriad functional systems in the brain without the constraints of a priori hypotheses. Resting-state functional MRI (R-fMRI) constitutes a candidate approach capable of addressing this challenge. Imaging the brain during rest reveals large-amplitude spontaneous low-frequency (<0.1 Hz) fluctuations in the fMRI signal that are temporally correlated across functionally related areas. Referred to as functional connectivity, these correlations yield detailed maps of complex neural systems, collectively constituting an individual's “functional connectome.” Reproducibility across datasets and individuals suggests the functional connectome has a common architecture, yet each individual's functional connectome exhibits unique features, with stable, meaningful interindividual differences in connectivity patterns and strengths. Comprehensive mapping of the functional connectome, and its subsequent exploitation to discern genetic influences and brain–behavior relationships, will require multicenter collaborative datasets. Here we initiate this endeavor by gathering R-fMRI data from 1,414 volunteers collected independently at 35 international centers. We demonstrate a universal architecture of positive and negative functional connections, as well as consistent loci of inter-individual variability. Age and sex emerged as significant determinants. These results demonstrate that independent R-fMRI datasets can be aggregated and shared. High-throughput R-fMRI can provide quantitative phenotypes for molecular genetic studies and biomarkers of developmental and pathological processes in the brain. To initiate discovery science of brain function, the 1000 Functional Connectomes Project dataset is freely accessible at www.nitrc.org/projects/fcon_1000/ .

Immune dysfunction, including monocytosis and increased blood levels of interleukin-1, interleukin-6 and tumour necrosis factor α has been observed during acute episodes of major depression. These peripheral immune processes may be accompanied by microglial activation in subregions of the anterior cingulate cortex where depression-associated alterations of glutamatergic neurotransmission have been described. Microglial immunoreactivity of the N-methyl-D-aspartate (NMDA) glutamate receptor agonist quinolinic acid (QUIN) in the subgenual anterior cingulate cortex (sACC), anterior midcingulate cortex (aMCC) and pregenual anterior cingulate cortex (pACC) of 12 acutely depressed suicidal patients (major depressive disorder/MDD, n = 7; bipolar disorder/BD, n = 5) was analyzed using immunohistochemistry and compared with its expression in 10 healthy control subjects. Depressed patients had a significantly increased density of QUIN-positive cells in the sACC (P = 0.003) and the aMCC (P = 0.015) compared to controls. In contrast, counts of QUIN-positive cells in the pACC did not differ between the groups (P = 0.558). Post-hoc tests showed that significant findings were attributed to MDD and were absent in BD. These results add a novel link to the immune hypothesis of depression by providing evidence for an upregulation of microglial QUIN in brain regions known to be responsive to infusion of NMDA antagonists such as ketamine. Further work in this area could lead to a greater understanding of the pathophysiology of depressive disorders and pave the way for novel NMDA receptor therapies or immune-modulating strategies.

Context

Evidence for symptomatic convergence of schizophrenia and N -methyl-D-aspartate glutamate receptor (NMDA-R) encephalitis highlights the need for an assessment of antibody prevalence and specificity for distinct disease mechanisms in patients with a diagnosis of schizophrenia among glutamatergic pathophysiologic abnormalities in psychiatric disorders.

Objectives

To compare the specificity and prevalence of NMDA-R antibodies in schizophrenia (DSM-IV criteria) with those of other psychiatric diagnoses and to determine whether antibody subtypes characterize overlap with and distinction from those in NMDA-R encephalitis.

Design

Serum from 459 patients admitted with acute schizophrenia, major depression (MD), and borderline personality disorder (BLPD) or individuals serving as matched controls was obtained from our scientific blood bank. To explore epitope specificity and antibody subtype, IgA/IgG/IgM NMDA-R (NR1a or NR1a/NR2b) and α-amino-3-hydroxyl-5-methyl-4-isoxazole-propionate receptors (AMPA-R) (GluR1/GluR2) serum antibodies were determined.

Participants

Two hundred thirty matched healthy controls were compared with patients (unmedicated for at least 6 weeks) with schizophrenia (n = 121), MD (n = 70), or BLPD (n = 38).

Main Outcome Measures

The primary outcome was the overall number of seropositive cases for NMDA-R and AMPA-R antibodies; the secondary outcome was disease specificity of IgA/IgG/IgM antibodies and epitope specificity for clinical subgroups.

Results

Diverse NMDA-R antibodies were identified in 15 subjects, primarily those with an initial schizophrenia diagnosis (9.9%), opposed to MD (2.8%), BLPD (0), and controls (0.4%). Retrospectively, 2 patients initially classified as having catatonic or disorganized schizophrenia were reclassified as having misdiagnosed NMDA-R encephalitis (presence of specific serum and cerebrospinal fluid IgG NR1a antibodies). In all other seropositive cases, the antibodies consisted of classes IgA and/or IgM or were directed against NR1a/NR2b (not against NR1a alone). None of the patients or controls had antibodies against AMPA-R.

Conclusions

Acutely ill patients with an initial schizophrenia diagnosis show an increased prevalence of NMDA-R antibodies. The repertoire of antibody subtypes in schizophrenia and MD is different from that with NMDA-R encephalitis. The latter disorder should be considered as a differential diagnosis, particularly in young females with acute disorganized behavior or catatonia.

Studies using functional magnetic resonance imaging (fMRI) show predominant negative blood oxygenation level-dependent (BOLD) responses (NBRs) in regions of the default-mode network such as the pregenual anterior cingulate cortex, the ventromedial prefrontal cortex, and the posterior cingulate cortex. Patients with major depressive disorder (MDD) show emotional–cognitive disturbances, which have been associated with alterations within the default-mode network. However, it remains unclear whether these default-mode network alterations are related to abnormalities in NBRs. We therefore investigated neural activity in the default-mode network during different emotional tasks in patients with MDD in an event-related fMRI design. MDD patients showed significantly reduced NBRs in several regions of the default-mode network. Decreased NBRs in MDD patients correlated with depression severity and feelings of hopelessness. In sum, our findings demonstrate that default-mode network NBRs are reduced in MDD and modulate these patients' abnormally negative emotions.

Functional connectivity has been observed to fluctuate across the course of a resting state scan, though the origins and functional relevance of this phenomenon remain to be shown. The present study explores the link between endogenous dynamics of functional connectivity and autonomic state in an eyes-closed resting condition. Using a sliding window analysis on resting state fMRI data from 35 young, healthy male subjects, we examined how heart rate variability (HRV) covaries with temporal changes in whole-brain functional connectivity with seed regions previously described to mediate effects of vigilance and arousal (amygdala and dorsal anterior cingulate cortex; dACC). We identified a set of regions, including brainstem, thalamus, putamen, and dorsolateral prefrontal cortex, that became more strongly coupled with the dACC and amygdala seeds during states of elevated HRV. Effects differed between high and low frequency components of HRV, suggesting specific contributions of parasympathetic and sympathetic tone on individual connections. Furthermore, dynamics of functional connectivity could be separated from those primarily related to BOLD signal fluctuations. The present results contribute novel information about the neural basis of transient changes of autonomic nervous system states, and suggest physiological and psychological components of the recently observed non-stationarity in resting state functional connectivity.

Context

 Major depressive disorder (MDD) is characterized by diverse metabolic and functional abnormalities that occur in, among other regions, the pregenual anterior cingulate cortex (pgACC), a cortical region linked to anhedonia. 

Objectives

 To contextualize metabolic, functional, and clinical parameters and thus to reveal cellular mechanisms related to anhedonia. 

Design

 The pgACC was investigated using a combined functional magnetic resonance imaging and magnetic resonance spectroscopic approach. Negative blood oxygenation level–dependent (BOLD) activations in the pgACC were assessed during emotional stimulation. Quantitative J-resolved magnetic resonance spectroscopy in the pgACC enabled simultaneous determination of glutamine, glutamate,N-acetylaspartate, glucose, and γ-aminobutyric acid concentrations. Subjective emotional intensity ratings as well as various clinical parameters were determined. 

Setting

 The patients were recruited and evaluated in the Department of Psychiatry, University of Zurich, while the measurements were performed in the Institute of Biomedical Engineering, University of Zurich and the Technical University Zurich. 

Participants

 Nineteen unmedicated patients with MDD and 24 healthy subjects. 

Main Outcome Measures

 Reduced glutamine levels and lower functional responses in pgACC in anhedonic depressed patients were expected to be the predominant effect of abnormal glutamatergic transmission. It was further tested if, among patients, the ratings of emotional intensity on visual stimulation predicted the amount of metabolic and functional alterations in terms of reduced relative metabolite concentrations and BOLD changes. 

Results

 Patients with highly anhedonic MDD show decreased glutamine but normal glutamate and γ-aminobutyric acid concentrations, with glutamine concentrations being dissociated from glucose concentrations. Glutamate andN-acetylaspartate concentrations in pgACC correlate with negative BOLD responses induced by emotional stimulation in MDD; whereas in healthy subjects, negative BOLD responses correlate with γ-aminobutyric acid instead. Negative BOLD responses as well as glutamate andN-acetylaspartate concentrations correlate with emotional intensity ratings, an anhedonia surrogate, in those with MDD but not in healthy subjects. 

Conclusion

 Aberrant neuronal activation patterns of the pgACC in anhedonic depression are related to deficits of glutamatergic metabolism.

Alterations in white matter (WM) microstructure have been implicated in the pathophysiology of major depressive disorder (MDD). However, previous findings have been inconsistent, partially due to low statistical power and the heterogeneity of depression. In the largest multi-site study to date, we examined WM anisotropy and diffusivity in 1305 MDD patients and 1602 healthy controls (age range 12–88 years) from 20 samples worldwide, which included both adults and adolescents, within the MDD Working Group of the Enhancing Neuroimaging Genetics through Meta-Analysis (ENIGMA) consortium. Processing of diffusion tensor imaging (DTI) data and statistical analyses were harmonized across sites and effects were meta-analyzed across studies. We observed subtle, but widespread, lower fractional anisotropy (FA) in adult MDD patients compared with controls in 16 out of 25 WM tracts of interest (Cohen’s d between 0.12 and 0.26). The largest differences were observed in the corpus callosum and corona radiata. Widespread higher radial diffusivity (RD) was also observed (all Cohen’s d between 0.12 and 0.18). Findings appeared to be driven by patients with recurrent MDD and an adult age of onset of depression. White matter microstructural differences in a smaller sample of adolescent MDD patients and controls did not survive correction for multiple testing. In this coordinated and harmonized multisite DTI study, we showed subtle, but widespread differences in WM microstructure in adult MDD, which may suggest structural disconnectivity in MDD.

The topic of investigating how mindfulness meditation training can have antidepressant effects via plastic changes in both resting state and meditation state brain activity is important in the rapidly emerging field of neuroplasticity. In the present study, we used a longitudinal design investigating resting state fMRI both before and after 40 days of meditation training in 13 novices. After training, we compared differences in network connectivity between rest and meditation using common resting state functional connectivity methods. Interregional methods were paired with local measures such as Regional Homogeneity. As expected, significant differences in functional connectivity both between states (rest versus meditation) and between time points (before versus after training) were observed. During meditation, the internal consistency in the precuneus and the temporoparietal junction increased, while the internal consistency of frontal brain regions decreased. A follow-up analysis of regional connectivity of the dorsal anterior cingulate cortex further revealed reduced connectivity with anterior insula during meditation. After meditation training, reduced resting state functional connectivity between the pregenual anterior cingulate and dorsal medical prefrontal cortex was observed. Most importantly, significantly reduced depression/anxiety scores were observed after training. Hence, these findings suggest that mindfulness meditation might be of therapeutic use by inducing plasticity related network changes altering the neuronal basis of affective disorders such as depression.

Glutamatergic mechanisms and resting-state functional connectivity alterations have been recently described as factors contributing to major depressive disorder (MDD). Furthermore, the pregenual anterior cingulate cortex (pgACC) seems to play an important role for major depressive symptoms such as anhedonia and impaired emotion processing. We investigated 22 MDD patients and 22 healthy subjects using a combined magnetic resonance spectroscopy (MRS) and resting-state functional magnetic resonance imaging (fMRI) approach. Severity of depression was rated using the 21-item Hamilton depression scale (HAMD) and patients were divided into severely and mildly depressed subgroups according to HAMD scores. Because of their hypothesized role in depression we investigated the functional connectivity between pgACC and left anterior insular cortex (AI). The sum of Glutamate and Glutamine (Glx) in the pgACC, but not in left AI, predicted the resting-state functional connectivity between the two regions exclusively in depressed patients. Furthermore, functional connectivity between these regions was significantly altered in the subgroup of severely depressed patients (HAMD > 15) compared to healthy subjects and mildly depressed patients. Similarly the Glx ratios, relative to Creatine, in the pgACC were lowest in severely depressed patients. These findings support the involvement of glutamatergic mechanisms in severe MDD which are related to the functional connectivity between pgACC and AI and depression severity.