While dopamine systems have been implicated in the pathophysiology of schizophrenia and psychosis for many years, how dopamine dysfunction generates psychotic symptoms remains unknown. Recent theoretical interest has been directed at relating the known role of midbrain dopamine neurons in reinforcement learning, motivational salience and prediction error to explain the abnormal mental experience of psychosis. However, this theoretical model has yet to be explored empirically. To examine a link between psychotic experience, reward learning and dysfunction of the dopaminergic midbrain and associated target regions, we asked a group of first episode psychosis patients suffering from active positive symptoms and a group of healthy control participants to perform an instrumental reward conditioning experiment. We characterized neural responses using functional magnetic resonance imaging. We observed that patients with psychosis exhibit abnormal physiological responses associated with reward prediction error in the dopaminergic midbrain, striatum and limbic system, and we demonstrated subtle abnormalities in the ability of psychosis patients to discriminate between motivationally salient and neutral stimuli. This study provides the first evidence linking abnormal mesolimbic activity, reward learning and psychosis.

Delusions are maladaptive beliefs about the world. Based upon experimental evidence that prediction error—a mismatch between expectancy and outcome—drives belief formation, this study examined the possibility that delusions form because of disrupted prediction-error processing. We used fMRI to determine prediction-error-related brain responses in 12 healthy subjects and 12 individuals (7 males) with delusional beliefs. Frontal cortex responses in the patient group were suggestive of disrupted prediction-error processing. Furthermore, across subjects, the extent of disruption was significantly related to an individual's propensity to delusion formation. Our results support a neurobiological theory of delusion formation that implicates aberrant prediction-error signalling, disrupted attentional allocation and associative learning in the formation of delusional beliefs.

Despite the high clinical burden little is known about pathophysiology underlying autism spectrum disorder (ASD). Recent resting state functional magnetic resonance imaging (rs-fMRI) studies have found atypical synchronization of brain activity in ASD. However, no consensus has been reached on the nature and clinical relevance of these alterations. Here we address these questions in the most comprehensive, large-scale effort to date comprising evaluation of four large ASD cohorts. We followed a strict exploration and replication procedure to identify core rs-fMRI functional connectivity (degree centrality) alterations associated with ASD as compared to typically developing (TD) controls (ASD: N=841, TD: N=984). We then tested for associations of these imaging phenotypes with clinical and demographic factors such as age, sex, medication status and clinical symptom severity. We find reproducible patterns of ASD-associated functional hyper- and hypo-connectivity with hypo-connectivity being primarily restricted to sensory-motor regions and hyper-connectivity hubs being predominately located in prefrontal and parietal cortices. We establish shifts in between-network connectivity from outside to within the identified regions as a key driver of these abnormalities. The magnitude of these alterations is linked to core ASD symptoms related to communication and social interaction and is not affected by age, sex or medication status. The identified brain functional alterations provide a reproducible pathophysiological phenotype underlying the diagnosis of ASD reconciling previous divergent findings. The large effect sizes in standardized cohorts and the link to clinical symptoms emphasize the importance of the identified imaging alterations as potential treatment and stratification biomarkers for ASD.

Application of metabolic magnetic resonance imaging measures such as cerebral blood flow in translational medicine is limited by the unknown link of observed alterations to specific neurophysiological processes. In particular, the sensitivity of cerebral blood flow to activity changes in specific neurotransmitter systems remains unclear. We address this question by probing cerebral blood flow in healthy volunteers using seven established drugs with known dopaminergic, serotonergic, glutamatergic and GABAergic mechanisms of action. We use a novel framework aimed at disentangling the observed effects to contribution from underlying neurotransmitter systems. We find for all evaluated compounds a reliable spatial link of respective cerebral blood flow changes with underlying neurotransmitter receptor densities corresponding to their primary mechanisms of action. The strength of these associations with receptor density is mediated by respective drug affinities. These findings suggest that cerebral blood flow is a sensitive brain-wide in-vivo assay of metabolic demands across a variety of neurotransmitter systems in humans.