Abstract Purpose To investigate the effects of ageing, sex and body mass index (BMI) on translocator protein (TSPO) availability in healthy subjects using positron emission tomography (PET) and the radioligand [ 11 C]PBR28. Methods [ 11 C]PBR28 data from 140 healthy volunteers (72 males and 68 females; n=78 with HAB and n=62 MAB genotype; age range 19-80 years; BMI range 17.6 - 36.9) were acquired with High Resolution Research Tomograph at three centres: Karolinska Institutet (n=53), Turku PET centre (n=62) and Yale University PET Center (n=25). The total volume of distribution (V T ) was estimated in global grey matter, frontal, temporal, occipital and parietal cortices, hippocampus and thalamus using multilinear analysis 1. The effects of age, BMI and sex on TSPO availability were investigated using linear mixed effects model, with TSPO genotype and PET centre specified as random intercepts. Results There were significant positive correlations between age and V T in the frontal and temporal cortex. BMI showed a significant negative correlation with V T in all regions. Additionally, significant differences between males and females were observed in all regions, with females showing higher V T . A subgroup analysis revealed a positive correlation between V T and age in all regions in male subjects, whereas age showed no effect on TSPO levels in female subjects. Conclusion These findings provide evidence that individual biological properties may contribute significantly to the high variation shown in TSPO binding estimates, and suggest that age, BMI and sex can be confounding factors in clinical studies.

Abstract Sex is one of the most rewarding and motivating behaviours for humans. Endogenous mu-opioid receptor system (MORs) plays a key role in the mammalian reward circuit. Both human and animal experiments suggest the involvements of MORs in human sexual pleasure, yet this hypothesis currently lacks in vivo support. We used positron emission tomography (PET) with the radioligand [11C]carfentanil, which has high affinity for MORs to quantify endogenous opioid release following orgasm in man. Subjects were scanned twice: Once immediately after reaching an orgasm and once in a baseline state. Haemodynamic activity was measured with functional magnetic resonance imaging during penile stimulation from partner. The PET data revealed significant opioid release in hippocampus. Haemodynamic activity in somatosensory and motor cortices as well as hippocampus and thalamus increased during penile stimulation, and thalamic activation was linearly dependent on self-reported sexual arousal. Altogether these data show that endogenous opioidergic activation in the medial temporal lobe is centrally involved in sexual arousal.

The brain's mu-opioid receptors (MORs) are involved in analgesia, reward and mood regulation. Several neuropsychiatric diseases have been associated with dysfunctional MOR system, and there is also considerable variation in receptor density among healthy individuals. Sex, age, body mass and smoking have been proposed to influence the MOR system, but due to small sample sizes the magnitude of their influence remains inconclusive. Here we quantified in vivo MOR availability in the brains of 204 individuals with no neurologic or psychiatric disorders using positron emission tomography (PET) with tracer [11C]carfentanil. We then used Bayesian hierarchical modeling to estimate the effects of sex, age, body mass index (BMI) and smoking on [11C]carfentanil binding potential. We also examined hemispheric lateralization of MOR availability. Age had regionally specific effects on MOR availability, with age-dependent increase in frontotemporal areas but decrease in amygdala, thalamus, and nucleus accumbens. The age-dependent increase was stronger in males. MOR availability was globally lowered in smokers but independent of BMI. Finally, MOR availability was higher in the right versus the left hemisphere. The presently observed variation in MOR availability may explain why some individuals are prone to develop MOR-linked pathological states, such as chronic pain or psychiatric disorders.

Abstract PURPOSE Aberrant dopaminergic function is linked with motor, psychotic, and affective symptoms, but studies have typically compared a single patient group with healthy controls. METHODS: Here, we investigated the variation in striatal (caudate nucleus, nucleus accumbens, and putamen) and thalamic type 2 dopamine receptor (D 2 R) availability using [ 11 C]raclopride positron emission tomography (PET) data from a large sample of 437 humans including healthy controls, and subjects with Parkinson’s disease (PD), antipsychotic-naïve schizophrenia, severe violent behavior, pathological gambling, depression, and overweight. We analyzed regional group differences in D 2 R availability. We also analyzed the interregional correlation in D 2 R availability within each group. RESULTS: Subjects with PD showed the clearest decline in D 2 R availability. Overall, the groups showed high interregional correlation in D 2 R availability, while this pattern was weaker in violent offenders. Subjects with schizophrenia, pathological gambling, depression, or overweight did not show clear changes in either the regional receptor availability or the interregional correlation. CONCLUSION: We conclude that the dopaminergic changes in neuropsychiatric conditions might not only affect the overall receptor availability but also the connectivity between the regions. The region-specific receptor availability more profoundly links to the motor symptoms, while the between-region connectivity might be disrupted in violence. Highlights We compared human striatal and thalamic type 2 dopamine receptor (D 2 R) availability between healthy controls, and subjects with Parkinson’s disease (PD), antipsychotic-naïve schizophrenia, severe violent behavior, pathological gambling, depression, and overweight. We present the mean brain maps of group specific D 2 R availabilities in NeuroVault ( https://neurovault.org ; https://identifiers.org/neurovault.collection:12799 ). Dopamine type 2 receptor availability is lowered in PD in caudate nucleus, nucleus accumbens and thalamus. Subjects with severe violent behavior had decreased correlation between the striatal and thalamic D 2 R availability. Altered regional D 2 R availability in the striatum and thalamus is linked with motor disorders, while lowered interregional connectivity in D 2 R might relate to violence. KEY POINTS QUESTION: Are there differences in the striatal (caudate nucleus, nucleus accumbens, and putamen), and thalamic D 2 R availability in a sample including healthy controls, and subjects with Parkinson’s disease, antipsychotic-naïve schizophrenia, severe violent behavior, pathological gambling, depression, and overweight? PERTINENT FINDINGS: Based on this register-based study of a large historical sample (n=437), Parkinson’s disease links to changes in the regional receptor availability, while in severe violent behavior, the correlation between regional receptor availabilities might be lowered. No clear receptor changes were observed in overweight. IMPLICATIONS FOR PATIENT CARE: Based on our data of striatal and thalamic type 2 dopamine receptors, region-specific changes are linked with motor disorders, while lowered between-region correlation might relate to violence.

Abstract Background Psychopathy is characterized by antisocial behavior, poor behavioral control and lacking empathy, and structural alterations in the corresponding neural circuits. Molecular brain basis of psychopathy remains poorly characterized. Methods Here we studied type 2 dopamine receptor (D2R) and mu-opioid receptor (MOR) availability in convicted violent offenders with high psychopathic traits (n=11) and healthy matched controls (n=19) using positron emission tomography (PET). D2R were measured with radioligand [ 11 C]raclopride and MORs with radioligand [ 11 C]carfentanil. Results Psychopathic subjects had lowered D2R availability in caudate and putamen, and D2R striatal availability was also associated with degree of psychopathic traits in this prisoner sample. No group differences were found in MOR availability, although in the prisoner sample, psychopathic traits were negatively correlated with MOR availability amygdala and nucleus accumbens. Conclusions We conclude that D2R signaling could be the putative neuromolecular pathway for psychopathy, whereas evidence for the aberrant MOR system is more limited.

Abstract Brain functional and physiological plasticity is essential to combat dynamic environmental challenges. The rhythmic in vivo dopamine signaling pathway, which regulates emotion, reward and learning, shows seasonal patterns with higher capacity of dopamine synthesis and lower number of dopamine transporters during dark seasons. However, seasonal variation of the dopamine receptor signaling remains to be characterized. Here, based on historical database of healthy human brain [ 11 C]raclopride PET scans (n = 291, 224 males and 67 females), we investigated the seasonal patterns of D2/3 dopamine receptor signaling. We found that daylength at the time of scanning was negatively correlated with availability of this type of receptors in the striatum. Likely, seasonally varying D2/3 receptor signaling also underlies the seasonality of mood, feeding, and motivational processes. Significance of the study Brain in vivo neurotransmitter signaling demonstrates seasonal patterns. The dopamine D2/3 receptor, with both pre- and postsynaptic expressions, has been targeted by major antipsychotic and antiparkinsonian pharmaceuticals. The current study, based on a large dataset of healthy brain PET images quantifying these receptors, shows that dark seasons are associated with increased receptor availability in the striatum. Considering the previous findings of increased dopamine synthesis and lowered number of transporters, findings may suggest elevated presynaptic control of dopamine release and increased dopamine receptor sensitivity during dark seasons. The rhythmic D2/3 receptor availability may be a mechanism underlying seasonality in mood, feeding, and motivational processes.

Abstract Opioid and dopamine receptor systems are implicated in the pathoetiology of autism, but in vivo human brain imaging evidence for their role remains elusive. Here, we investigated regional type 2 dopamine and mu-opioid receptor (D2R and MOR, respectively) availabilities and regional interactions between the two neuromodulatory systems associated with autism spectrum disorder (ASD). In vivo positron emission tomography (PET) with radioligands [11C]raclopride (D2R) and [11C]carfentanil (MOR) was carried out in 16 adult males with high functioning ASD and 19 age and sex matched controls. Regional group differences in D2R and MOR receptor availabilities were tested with linear mixed models and associations between regional receptor availabilities were examined with correlations. There were no group differences in whole-brain voxel-wise analysis of DR2 but ROI analysis presented a lower overall mean D2R availability in striatum of the ASD versus control group. Post hoc regional analysis revealed reduced D2R availability in nucleus accumbens of the ASD group. The whole-brain voxel-wise analysis of MOR revealed precuneal up-regulation in the ASD group, but there was no overall group difference in the ROI analysis for MOR. MOR down-regulation was observed in the hippocampi of the ASD group in a post hoc analysis. Regional correlations between D2R and MOR availabilities were weaker in the ASD group versus control group in the amygdala and nucleus accumbens. These alterations may translate to disrupted modulation of social motivation and reward in ASD.

Abstract Increased reactivity of microglia and astrocytes is known to be present at various stages of the Alzheimer’s continuum but their relationship with core Alzheimer’s disease pathology in the preclinical stages is less clear. We investigated glial reactivity and β-amyloid pathology in cognitively unimpaired APOE ε4 homozygotes, heterozygotes and non-carriers using 11 C-PK11195 PET (targeting 18-kDa translocator protein), 11 C-PiB PET (targeting β-amyloid), brain MRI, and a preclinical cognitive composite (APCC). Plasma glial fibrillary acidic protein (GFAP) by and plasma Aβ 1-42/1-40 were measured using single molecule array and immunoprecipitation combined with mass spectrometry, respectively. We observed that (i) 11 C-PiB-binding was significantly higher in APOE ε4 homozygotes compared with non-carriers in all evaluated regions, (ii) regional 11 C-PK11195-binding did not differ between the APOE ε4 gene doses or between Aβ-positive and -negative individuals, and (iii) higher 11 C-PK11195-binding and plasma GFAP were associated with lower hippocampal volume, and elevated 11 C-PiB-binding and plasma GFAP concentration with lower APCC scores. Increased glial reactivity might emerge in later stages of preclinical Alzheimer’s disease in parallel with early neurodegenerative changes.

Introduction Modelling of the radioactivity images produced by PET scanners into biologically meaningful quantities, such as binding potential, is a complex multi-stage process involving data retrieval, preprocessing, drawing reference regions, kinetic modelling, and post-processing of parametric images. The process is challenging to automatize mainly because of manual work related to input generation, thus prohibiting large-scale standardized analysis of brain PET data. To resolve this problem, we introduce the Magia pipeline that enables processing of brain PET data with minimal user intervention. We investigated the accuracy of Magia in the automatic brain-PET data processing with four tracers binding to different binding sites: [11C]raclopride, [11C]carfentanil, [11C]MADAM, and [11C]PiB.Materials and methods For each tracer, we processed 30 historical control subjects’ data with manual and automated methods. Five persons manually delineated the reference regions (cerebellar or occipital cortex depending on tracer) for each subject according to written and visual instructions. The automatic reference-region extraction was based on FreeSurfer parcellations. We first assessed inter-operator variance resulting from manual delineation of reference regions. Then we compared the differences between the manually and automatically produced reference regions and the subsequently obtained metrics.Results The manually delineated reference regions were remarkably different from each other. The differences translated into differences in outcome measures (binding potential or SUV-ratio), and the intra-class correlation coefficients were between 47 % and 96 % for the tracers. While the Magia-derived reference regions were topographically very different from the manually defined reference regions, Magia produced outcome measures highly consistent with average of the manually obtained estimates. For [11C]carfentanil and [11C]PiB there was no bias, while for [11C]raclopride and [11C]MADAM Magia produced 3-5 % higher binding potentials as a result of slightly lower time-integrals of reference region time-activity curves.Conclusion Even if Magia produces reference regions that are anatomically different from manually drawn reference regions, the resulting outcome measures are highly similar. Based on these results and considering the high inter-operator variance of the manual method, the high level of standardization and strong scalability of Magia, we conclude that Magia can be reliably used to process brain PET data.