Abstract Chronic pain is a highly debilitating and poorly understood condition. Here, we attempt to advance our understanding of the brain mechanisms driving chronic pain by investigating alterations in morphometric similarity (MS) and corresponding transcriptomic and cellular signatures, in three cohorts of patients with distinct chronic pain syndromes (knee osteoarthritis, low back pain and fibromyalgia). We uncover a novel pattern of cortical MS remodelling involving mostly MS increases in the insula and limbic cortex, which cuts across the boundaries of specific pain syndromes. We show that cortical MS remodelling in chronic pain spatially correlates with the brain-wide expression of genes involved in the glial immune response and neuronal plasticity. Cortical remodelling in chronic pain might involve a disruption of multiple elements of the cellular architecture of the brain. Therefore, multi-target therapeutic approaches tackling both glial activation and neuronal hyperexcitability might better encompass the full neurobiology of chronic pain.

Abstract The expansion of neuroimaging techniques over the last decades has opened a wide range of new possibilities to characterize brain dysfunction in several neurological and psychiatric disorders. However, the lack of specificity of most of these techniques, such as magnetic resonance imaging (MRI)-derived measures, to the underlying molecular and cellular properties of the brain tissue poses limitations to the amount of information one can extract to inform precise models of brain disease. The integration of transcriptomic and neuroimaging data, known as ‘imaging transcriptomics’, has recently emerged as an indirect way forward to test and/or generate hypotheses about potential cellular and transcriptomic pathways that might underly specific changes in neuroimaging MRI biomarkers. However, the validity of this approach is yet to be examined in-depth. Here, we sought to bridge this gap by performing imaging transcriptomic analyses of the regional distribution of well-known molecular markers, assessed by positron emission tomography (PET), in the healthy human brain. We focused on tracers spanning different elements of the biology of the brain, including neuroreceptors, synaptic proteins, metabolism, and glia. Using transcriptome-wide data from the Allen Brain Atlas, we applied partial least square regression to rank genes according to their level of spatial alignment with the regional distribution of these neuroimaging markers in the brain. Then, we performed gene set enrichment analyses to explore the enrichment for specific biological and cell-type pathways among the genes most strongly associated with each neuroimaging marker. Overall, our findings show that imaging transcriptomics can recover plausible transcriptomic and cellular correlates of the regional distribution of benchmark molecular imaging markers, independently of the type of parcellation used to map gene expression and neuroimaging data. Our data support the plausibility and robustness of imaging transcriptomics as an indirect approach for bridging gene expression, cells and macroscopical neuroimaging and improving our understanding of the biological pathways underlying regional variability in neuroimaging features.

Abstract Background Selective serotonin reuptake inhibitors (SSRIs) potentiate serotonergic neurotransmission by blocking the serotonin transporter (5-HTT), but the functional brain response to SSRIs involves neural circuits beyond regions with high 5-HTT expression. Currently, it is unclear whether and how changes in 5-HTT availability after SSRI administration modulate brain function of key serotoninergic circuits, including those characterized by high availability of serotonin 1A receptors (5-HT1AR). Aim We investigated the association between 5-HTT availability and 5-HTT- and 5-HT1AR-enriched functional connectivity (FC) after an acute citalopram challenge. Methods We analyzed multimodal data from a dose-response, placebo-controlled, double-blind study, in which 45 healthy women were randomized into three groups receiving placebo, a low (4 mg), or high (16 mg) oral dose of citalopram. Receptor-Enhanced Analysis of functional Connectivity by Targets was used to estimate 5-HTT- and 5-HT1AR-enriched FC from resting-state and task-based fMRI. 5-HTT availability was determined using [ 123 I]FP-CIT single-photon emission computerized tomography. Results 5-HTT availability was negatively correlated with resting-state 5-HTT-enriched FC, and with task-dependent 5-HT1AR-enriched FC. Our exploratory analyses revealed lower 5-HT1AR-enriched FC in the low dose group compared to the high dose group at rest and the placebo group during the task. Conclusions Taken together, our findings provide evidence for differential links between 5-HTT availability and brain function within 5-HTT and 5-HT1AR pathways and in context- and dose-dependent manner. As such, they support a potential pivotal role of the 5-HT1AR in the effects of citalopram on the brain and add to its potential as a therapeutic avenue for mood and anxiety disturbances.

Abstract Intranasal oxytocin is receiving increasing research attention as a potential treatment for several brain disorders due to promising preclinical results. However, translating these findings to humans has been hampered by remaining uncertainties about its pharmacodynamics and the methods used to probe its effects in the human brain. Using a dose-response design (9, 18 and 36 IU) and a novel administration device, we demonstrate that oxytocin-induced physiological changes in the amygdala at rest, a key-hub of the brain oxytocin system, follow a dose-response curve with maximal effects for lower doses. Yet, the effects of oxytocin vary by amygdala subdivision, highlighting the need to qualify dose-response curves within subregion. We further link physiological changes with the density of the oxytocin receptor gene mRNA across brain regions, strengthening our confidence in intranasal oxytocin as a valid approach to engage central targets. Finally, we demonstrate that intranasal oxytocin does not disrupt cerebrovascular reactivity; the absence of major vascular confounds corroborates the validity of haemodynamic neuroimaging to probe the effects of intranasal oxytocin in the human brain.

ABSTRACT Introduction FDOPA PET has been used extensively to image the human brain in many clinical disorders and has the potential to be used for patient stratification and individualized treatment. However, to reach its full and effective clinical translation, FDOPA PET requires both a robust data infrastructure and analytical protocol that are capable of ensuring high quality data and metadata, accurate biological quantification, and replicable results. In this study we evaluate a digital data repository and automated analytical framework for FDOPA PET neuroimaging that can produce an individualised quantification of dopamine synthesis capacity in the living human brain. Methods The imaging platform XNAT was used to store the King’s College London institutional brain FDOPA PET imaging archive, alongside individual demographics and clinical information. A fully automated analysis pipeline for imaging processing and data quantification was developed in Python and integrated in XNAT using the Docker technology. Reproducibility was assessed in test-retest datasets both in controls and patients with psychosis. The agreement between the automated analysis estimates and the results derived by the manual analysis were compared. Finally, using a sample of healthy controls (N=115), a sensitivity analysis was performed to explore the impact of experimental and demographic variables on the FDOPA PET measures. Results The final data repository includes 892 FDOPA PET scans organized from 23 different studies, collected at five different imaging sites. After removing commercials studies, the infrastructure consisted of 792 FDOPA PET scans from 666 individuals (female 33.9%, healthy controls 29.1%) collected from four different imaging sites between 2004-2021. The automated analysis pipeline provided results that were in agreement with the results from the manual analysis, with a Pearson’s correlation that ranged from 0.64 to 0.99 for Ki cer , and from 0.79 to 1.00 for SUVR. The mean absolute difference between the two pipelines ranges from 3.4% to 9.4% for Ki cer , and from 2.5% to 12.4% for SUVR. Moreover, we found good reproducibility of the data analysis by the automated pipeline (in the whole striatum for the Ki cer : ICC for the controls = 0.71, ICC for the psychotic patients = 0.88). From the demographic and experimental variables assessed, gender was found to most influence striatal dopamine synthesis capacity ( F = 10.7, p <0.001 ), with women showing greater dopamine synthesis capacity than men, while the effects of weight, age, injected radioactivity, and scanner, varied by brain region and parameter of interest. Conclusions Combining information from different neuroimaging studies has allowed us to test comprehensively the automated pipeline for quantification of dopamine synthesis capacity using FDOPA PET data and to validate its replicability and reproducibility performances on a large sample size. This validation process is a necessary methodological step for the development of the clinical application of FDOPA PET as precision medicine biomarker. The proposed infrastructure is generalisable behind the FDOPA radiotracer.

Abstract Alterations in the serotonergic control of brain pathways responsible for facial-emotion processing in people with autism spectrum disorder (ASD) may be a target for intervention. However, the molecular underpinnings of autistic-neurotypical serotonergic differences are challenging to access in vivo. Receptor-Enriched Analysis of functional Connectivity by Targets (REACT) has helped define molecular-enriched fMRI brain networks based on a priori information about the spatial distribution of neurochemical systems from available PET templates. Here, we used REACT to estimate the dominant fMRI signal related to the serotonin transporter (5-HTT) distribution during processing of aversive facial expressions of emotion processing in adults with and without ASD. We first predicted a group difference in baseline (placebo) functioning of this system. We next used a single 20 mg oral dose of citalopram, i.e. a serotonin reuptake inhibitor, to test the hypothesis that network activity in people with and without ASD would respond differently to inhibition of 5-HTT. To confirm the specificity of our findings, we also repeated the analysis with 5-HT 1A, 5-HT 1B , 5-HT 2A , and 5-HT 4 receptor maps. We found a baseline group difference in the 5-HTT-enriched response to faces in the ventromedial prefrontal cortex. A single oral dose of citalopram ‘shifted’ the response in the ASD group towards the neurotypical baseline but did not alter response in the control group. Our findings suggest that the 5HTT-enriched functional network is dynamically different in ASD during processing of socially relevant stimuli. Whether this acute neurobiological response to citalopram in ASD translates to a clinical target will be an important next step.

Abstract Background Chronic pain is a world-wide clinical challenge. Response to analgesic treatment is limited and difficult to predict. Functional MRI (fMRI) has been suggested as a potential solution. However, while most analgesics target specific neurotransmission pathways, fMRI-based biomarkers are not specific for any neurotransmitter system, limiting our understanding of how they might contribute to predict treatment response. Methods Here, we sought to bridge this gap by applying Receptor-Enriched Analysis of Functional Connectivity by Targets (REACT) to investigate whether neurotransmission-enriched functional connectivity (FC) mapping can provide insights into the brain mechanisms underlying chronic pain and inter-individual differences in analgesic response after a placebo or duloxetine. Chronic knee osteoarthritis (OA) pain patients (n=56) underwent pre-treatment brain scans in two clinical trials. Study 1 ( n =17) was a 2-week single-blinded placebo pill trial. Study 2 ( n =39) was a 3-month double-blinded randomized trial comparing placebo to duloxetine, a dual serotonin-noradrenaline reuptake inhibitor. Results Across two independent studies, we found that chronic pain OA patients present FC alterations in the FC related to the serotonin (SERT) and noradrenaline (NET) transporters, when compared to age-matched healthy controls. Placebo responders presented with higher pre-treatment dopamine transporter (DAT)-enriched FC than non-responders. Duloxetine responders presented with higher pre-treatment SERT and NET-enriched FC than non-responders. Pre-treatment SERT and NET-enriched FC achieved predictive positive values of duloxetine response up to 85.71%. Conclusion Neurotransmission-enriched FC mapping might hold promise as a new mechanistic-informed biomarker for functional brain alterations and prediction of response to pharmacological analgesia in chronic pain.

Abstract There is a strict interaction between the autonomic nervous system (ANS) and pain, which might involve descending pain modulatory mechanisms. The periaqueductal grey (PAG) is involved both in descending pain modulation and ANS, but its role in mediating this relationship has not yet been explored. Here, we sought to determine brain regions mediating ANS and descending pain control associations. 30 participants underwent Conditioned Pain Modulation (CPM) assessments, in which they rated painful pressure stimuli applied to their thumbnail, either alone or with a painful cold contralateral stimulation. Differences in pain ratings between ‘pressure-only’ and ‘pressure+cold’ stimuli provided a measure of descending pain control. In 18 of the 30 participants, structural scans and two functional MRI assessments, one pain-free and one during cold-pain, were acquired. Heart Rate Variability (HRV) was simultaneously recorded. Low frequency HRV (LF-HRV) and the CPM score were negatively correlated; individuals with higher LF-HRV during pain reported reductions in pain during CPM. PAG-frontal medial cortex (FMC) and PAG-rostral ventro-medial medulla (RVM) functional connectivity correlated negatively with the CPM. Importantly, PAG-FMC functional connectivity mediated the strength of HRV-CPM association. CPM response magnitude was also negatively associated with PAG and positively associated with FMC grey matter volumes. Our multi-modal approach, using behavioral, physiological and MRI measures, provides important new evidence of interactions between ANS and descending pain mechanisms. ANS dysregulation and dysfunctional descending pain modulation are characteristics of chronic pain. We suggest that further investigation of body-brain interactions in chronic pain patients may catalyse the development of new treatments.

Abstract Dynamic functional connectivity (dFC) in resting-state fMRI holds promise to deliver candidate biomarkers for clinical applications. However, the reliability and interpretability of dFC metrics remain contested. Despite a myriad of methodologies and resulting measures, few studies have combined metrics derived from different conceptualizations of brain functioning within the same analysis - perhaps missing an opportunity for improved interpretability. Using a complexity-science approach, we assessed the reliability and interrelationships of a battery of phase-based dFC metrics including tools originated from dynamical systems, stochastic processes, and information dynamics approaches. Our analysis revealed novel relationships between these metrics, which allowed us to build a predictive model for integrated information using metrics from dynamical systems and information theory. Furthermore, global metastability - a metric reflecting simultaneous tendencies for coupling and decoupling - was found to be the most representative and stable metric in brain parcellations that included cerebellar regions. Additionally, spatiotemporal patterns of phase-locking were found to change in a slow, non-random, continuous manner over time. Taken together, our findings show that the majority of characteristics of resting-state fMRI dynamics reflect an interrelated dynamical- and informational-complexity profile, which is unique to each acquisition. This finding challenges the interpretation of results from cross-sectional designs for brain neuromarker discovery, suggesting that individual life-trajectories may be more informative than sample means. Highlights Spatiotemporal patterns of phase-locking tend to be time-invariant Global metastability is representative and stable in a cohort of heathy young adults dFC characteristics are in general unique to any fMRI acquisition Dynamical- and informational-complexity are interrelated Complexity science contributes to a coherent description of brain dynamics

Abstract Methylene Blue (MB) is a brain-penetrating drug with putative neuroprotective, antioxidant and metabolic enhancing effects. In vitro studies suggest that MB enhances mitochondrial complexes activity. However, no study has directly assessed the haemodynamic and metabolic effects of MB in the human brain. We used in vivo neuroimaging to measure the effect of MB on cerebral blood flow (CBF) and brain metabolism in humans and in rats. Two doses of MB (0.5 and 1 mg/kg in humans; 2 and 4 mg/kg in rats; iv) induced reductions in global cerebral blood flow (CBF) in humans (F (1.74, 12.17) 5.82, p=0.02) and rats (F (1,5) 26.04, p=0.0038). Human cerebral metabolic rate of oxygen (CMRO 2 ) was also significantly reduced (F (1.26, 8.84) 8.01, p=0.016), as was the rat cerebral metabolic rate of glucose (CMRglu) (t=2.6 (16) p=0.018). This was contrary to our hypothesis that MB will increase CBF and energy metrics. Nevertheless, our results were reproducible across species and dose dependent. One possible explanation is that the concentrations used, although clinically relevant, reflect MB’s hormetic effects, i.e., higher concentrations produce inhibitory rather than augmentation effects on metabolism. Additionally, here we used healthy volunteers and healthy rats with normal cerebral metabolism where MB’s ability to enhance cerebral metabolism might be limited.