ABSTRACT Could nose-to-brain pathways mediate the effects of peptides such as oxytocin (OT) on brain physiology when delivered intranasally? We address this question by contrasting two methods of intranasal administration (a standard nasal spray, and a nebulizer expected to improve OT deposition in nasal areas putatively involved in direct nose-to-brain transport) to intravenous administration in terms of effects on regional cerebral blood flow during two hours post-dosing. We demonstrate that OT-induced decreases in amygdala perfusion, a key hub of the OT central circuitry, are explained entirely by OT increases in systemic circulation following both intranasal and intravenous OT administration. Yet we also provide robust evidence confirming the validity of the intranasal route to target specific brain regions. Our work has important translational implications and demonstrates the need to carefully consider the method of administration in our efforts to engage specific central oxytocinergic targets for the treatment of neuropsychiatric disorders.

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.

Autism presents with significant phenotypic and neuroanatomical heterogeneity, and neuroimaging studies of the thalamus, globus pallidus and striatum in autism have produced inconsistent and contradictory results. These structures are critical mediators of functions known to be atypical in autism, including sensory gating and motor function. We examined both volumetric and fine-grained localized shape differences in autism using a large (

Abstract Background Although many studies have explored atypicalities in gray and white matter (GM, WM) morphology of autism, most of them rely on unimodal analyses that do not benefit from the likelihood that different imaging modalities may reflect common neurobiology. We aimed to establish multimodal brain patterns that differentiate between autism and typically developing (TD) controls and explore associations between these brain patterns and clinical measures. Methods We studied 183 individuals with autism and 157 TD individuals (6-30 years) in a large deeply phenotyped autism dataset (EU-AIMS LEAP). Linked Independent Component Analysis was utilized to link all participants’ GM and WM images, and group comparisons of modality shared variances were examined. Subsequently, we performed a canonical correlation analysis to explore the aggregated effects between all multimodal GM-WM covariations and clinical profiles. Results One multimodal pattern was significantly related to autism. This pattern was primarily associated with GM in bilateral insula, frontal, pre- and post-central, cingulate, and caudate areas, and co-occurred with altered WM features in the superior longitudinal fasciculus. The canonical analysis showed a significant multivariate correlation primarily between multimodal brain patterns that involved variation of corpus callosum, and symptoms of social affect in the autism group. Conclusions Our findings demonstrate the assets of integrated analyses of GM and WM alterations to study the brain mechanisms that underpin autism, and show that the complex clinical autism phenotype can be interpreted by multimodal brain patterns that are spread across the brain involving both cortical and subcortical areas.

Abstract BACKGROUND Sensory atypicalities are particularly common in autism spectrum disorders (ASD). Nevertheless, our knowledge about the divergence of the underlying somatosensory region and its association with ASD phenotype features is limited. METHODS We applied a data-driven approach to map the fine-grained variations in functional connectivity of the primary somatosensory cortex (S1) to the rest of the brain in 240 autistic and 164 neurotypical individuals from the EU-AIMS LEAP dataset, aged between 7 and 30. We estimated the S1 connection topography (‘connectopy’) during rest and during the emotional face-matching (Hariri) task, an established measure of emotion reactivity, and accessed its association with a set of clinical and behavioral variables. RESULTS We demonstrated that the S1 connectopy is organized along a dorsoventral axis, mapping onto the somatotopic organization of S1. We found that its spatial characteristics were linked to the individuals’ adaptive functioning skills, as measured by the Vineland Adaptive Behavior Scales, across the whole sample. Higher functional differentiation characterized the S1 connectopies of individuals with higher daily life adaptive skills. Notably, we detected significant differences between rest and the Hariri task in the S1 connectopies, as well as their projection maps onto the rest of the brain suggesting a task-modulating effect on S1 due to emotion processing. CONCLUSIONS Variation of daily life adaptive skills appears to be reflected in the brain’s mesoscale neural circuitry, as shown by the S1 connectivity profile, which is also differentially modulated during rest and emotional processing.

Individuals affected by autism spectrum conditions (ASC) are considerably heterogeneous. Novel approaches are needed to parse this heterogeneity to enhance precision in clinical and translational research. Applying a clustering approach taken from genomics and systems biology on two large independent cognitive datasets of adults with and without ASC (n=715; n=251), we find replicable evidence for 5 discrete ASC subgroups that are highly differentiated in item-level performance on an explicit mentalizing task tapping ability to read complex emotion and mental states from the eye region of the face (Reading the Mind in the Eyes Test; RMET). Three subgroups comprising 42-65% of ASC adults show evidence for large impairments (Cohen's d = -1.03 to -11.21), while other subgroups are effectively unimpaired. These findings delineate robust natural subdivisions within the ASC population that may allow for more individualized inferences and accelerate research towards precision medicine goals.

Abstract Background 22q11.2 Deletion Syndrome (22qDel) is a copy number variant (CNV) associated with psychosis and other neurodevelopmental disorders. Adolescents at clinical high risk for psychosis (CHR) have subthreshold psychosis symptoms without known genetic risk factors. Whether common neural substrates underlie these distinct high-risk populations is unknown. We compared functional brain measures in 22qDel and CHR cohorts and mapped results to biological pathways. Methods We analyzed two large multi-site cohorts with resting-state functional MRI (rs-fMRI): 1) 22qDel (n=164, 47% female) and typically developing (TD) controls (n=134, 56% female); 2) CHR individuals (n=244, 41% female) and TD controls (n=151, 46% female) from the North American Prodrome Longitudinal Study-2. We computed global brain connectivity (GBC), local connectivity (LC), and brain signal variability (BSV) across cortical regions, testing case-control differences for 22qDel and CHR separately. Group difference maps were related to published brain maps using autocorrelation-preserving permutation. Results BSV, LC, and GBC are significantly disrupted in 22qDel compared with TD controls (False Discovery Rate q<0.05). Spatial maps of BSV and LC differences are highly correlated with each other, unlike GBC. In CHR, only LC is significantly altered versus controls, with a different spatial pattern compared to 22qDel. Group differences map onto biological gradients, with 22qDel effects strongest in regions with high predicted blood flow and metabolism. Conclusion 22qDel and CHR exhibit divergent effects on fMRI temporal variability and multi-scale functional connectivity. In 22qDel, strong and convergent disruptions in BSV and LC not seen in CHR individuals suggest distinct functional brain alterations.