Abstract BACKGROUND The dopamine system contributes to a multitude of functions ranging from reward and motivation to learning and movement control, making it a key component in goal-directed behavior. Altered dopaminergic function is observed in neurological and psychiatric conditions. Numerous factors have been proposed to influence dopamine function, but due to small sample sizes and heterogeneous data analysis methods in previous studies their specific and joint contributions remain unresolved. METHODS In this cross-sectional register-based study we investigated how age, sex, body mass index (BMI), as well as cerebral hemisphere and regional volume influence striatal type 2 dopamine receptor (D 2 R) availability in the human brain. We analyzed a large historical dataset (n=156, 120 males and 36 females) of [11C]raclopride PET scans performed between 2004 and 2018. RESULTS Striatal D 2 R availability decreased through age for both sexes and was higher in females versus males throughout age. BMI and striatal D 2 R availability were weakly associated. There was no consistent lateralization of striatal D 2 R. The observed effects were independent of regional volumes. These results were validated using two different spatial normalization methods, and the age and sex effects also replicated in an independent sample (n=135). CONCLUSIONS D 2 R density is dependent on age and sex, which may contribute to the vulnerability of neurological and psychiatric conditions involving altering D 2 R expression.

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 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 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.

Alzheimer's disease (AD) results from a neurodegenerative process that starts well before the diagnosis can be made. New prognostic or diagnostic markers enabling early intervention into the disease process would be highly valuable. As life style factors largely modulate the disease risk, we hypothesised that the disease associated DNA methylation signatures are detectable in the peripheral blood of discordant twin pairs. Reduced Representation Bisulfite Sequencing, single cell RNA-sequencing and gene array data were utilised to examine DNA methylation signatures and associated gene expression changes in blood and hippocampus, and targeted bisulfite sequencing in cross cohort validation. Our results reveal that discordant twin pairs have disease associated differences in their peripheral blood epigenomes. A subset of affected genes, e.g. ADARB2 contain differentially methylated sites also in anterior hippocampus. The DNA methylation differences seem to influence gene expression in brain rather than in blood cells. The affected genes are associated with neuronal functions and pathologies. These DNA methylation signatures are valuable disease marker candidates and may provide insights into the molecular mechanisms of pathogenesis.

IMPORTANCE: Moderate-to-vigorous physical activity (MVPA) in old age is an important indicator of good health and functional capacity enabling independent living. OBJECTIVE: To investigate whether physical activity and other health habits at ages 31-48 years predict objectively measured MVPA decades later. DESIGN, SETTING, AND PARTICIPANTS: This prospective twin cohort study in Finland comprised 616 individuals (197 complete twin pairs, including 91 monozygotic pairs, born 1940-1944), who responded to baseline questionnaires in 1975, 1981, and 1990, and participated in accelerometer monitoring at follow-up (mean age, 73 years). EXPOSURES: Primary exposure was long-term leisure-time physical activity, 1975-1990 (LT-mMET index). Covariates were body mass index (BMI), work-related physical activity, smoking, heavy alcohol use and health status in 1990, and socioeconomic status. MAIN OUTCOMES AND MEASURES: Physical activity was measured with a waist-worn triaxial accelerometer (at least 10 hours per day for at least 4 days) to obtain daily mean MVPA values. RESULTS: High baseline LT-mMET index predicted higher amounts of MVPA (increase in R2 of 6.9% after age and sex adjustment, P<.001) at follow-up. After addition of BMI to the regression model, the R2 value of the whole multivariate model was 17.2%, and with further addition of baseline smoking, socioeconomic status, and health status, the R2 increased to 20.3%. In pairwise analyses, differences in MVPA amount were seen only among twin pairs who were discordant at baseline for smoking (n=40 pairs, median follow-up MVPA 25 vs. 35 min, P=.037) or for health status (n=69 pairs, 30 vs. 44 min, P=.014). For smoking, the difference in MVPA also was seen for monozygotic pairs, but for health status, it was seen only for dizygotic pairs. Mediation analysis showed that shared genetic factors explained 82% of the correlation between LT-mMET and MVPA. CONCLUSIONS AND RELEVANCE: Low leisure-time physical activity at younger age, overweight, smoking, low socioeconomic status, and health problems predicted low MVPA in old age in individual-based analyses. However, based on the pairwise analyses and quantitative trait modeling, genetic factors and smoking seem to be important determinants of later-life MVPA.

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.

Abstract Seasonal rhythms influence mood and sociability. The brain μ-opioid receptor (MOR) system modulates a multitude of seasonally varying socioemotional functions, but its seasonal variation remains elusive with no previously reported in vivo evidence. Here, we studied the seasonal effects on brain MOR availability via analysing a dataset (n=204) of [ 11 C]carfentanil positron emission tomography (PET) scans of healthy volunteers. We found that seasonally varying daylength had an inverted U-shaped functional relationship with brain MOR availability. Brain regions sensitive to daylength spanned the socio-emotional brain circuits, where MOR availability formed a spring-like peak. Causal effect of daylength on brain MOR availability was further verified by a post hoc experiment with repeated PET imaging of rats (n=9) under seasonal photoperiodic simulation. Therefore, the in vivo brain MOR availability in normal humans shows significant seasonal variation, which aligns with expected seasonal variation in mood and suicidality.

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.