Abstract The molecular substrate of resting-state functional connectivity (rs-FC) remains poorly understood. We aimed to elucidate interactions of dopamine D2 receptor (D2R) and serotonin transporter (SERT) availabilities in main dopaminergic and serotonergic projection areas with the default-mode network (DMN) and two other resting-state networks (RSNs), the salience (SN) and sensorimotor networks (SMN). We performed simultaneous PET/fMRI scans in rats using [ 11 C]raclopride and [ 11 C]DASB to image D2R and SERT distributions, showing for the first time direct relationships between rs-FC and molecular properties of the rodent brain. We found negative associations between CPu D2R availability and all RSNs investigated. Strikingly, medial prefrontal SERT correlated both positively with anterior DMN rs-FC and negatively with rs-FC between the other networks, underlining serotonin’s intricate role in this region. By further elucidating the link between molecular brain properties and its network-level function, our data support future diagnostic and therapeutic strategies. Teaser Simultaneous PET/fMRI indicates direct associations between monoaminergic neurotransmission and brain functional networks.

Abstract Psychedelic compounds have attracted increasing interest in recent years due to their therapeutic potential for psychiatric disorders. Methylenedioxymethamphetamine (MDMA) is currently being investigated in clinical trials to treat post-traumatic stress disorder. To understand the acute effects of psychedelic drugs in vivo , functional MR imaging (fMRI) has been widely used in recent years. Notably, fMRI studies have shown that MDMA leads to inhibition of brain activity, challenging earlier hypotheses indicating mainly excitatory effects. However, interpretation of hemodynamic changes induced by psychedelics is challenging because of the potent vascular effects associated with this class of substances. Therefore, this study aimed to investigate the acute effects of MDMA using simultaneous positron emission tomography (PET)/fMRI in rats. For this purpose, hemodynamic changes measured by BOLD-fMRI were related to alterations in glucose utilization and serotonin transporter (SERT) occupancy, investigated using [ 18 F]FDG functional PET (fPET) and [ 11 C]DASB PET. We demonstrate that MDMA induces global hemodynamic decreases accompanied by localized metabolic increases. Elevated metabolism was found primarily in limbic projection areas involved in emotion processing. Concurrent BOLD-fMRI decreases, also found in extracerebral areas, indicate that the BOLD-fMRI reductions observed in the brain are of vascular, non-neuronal origin. We further show that higher SERT occupancy strongly correlates with regional BOLD-fMRI reductions. Therefore, increased serotonin levels induced by SERT blockage may cause a neurovascular uncoupling. Correct understanding of the in vivo mechanism of MDMA not only supports ongoing research but also warrants a reassessment of previous studies on neuronal effects of psychedelics relying on neurovascular coupling.

Abstract During healthy brain aging, different brain regions show anatomical or functional declines at different rates, and some regions may show compensatory increases in functional activity. However, few studies have explored interregional influences of brain activity during the aging process. We proposed a causality analysis framework combining high dimensionality independent component analysis (ICA), Granger causality, and LASSO (least absolute shrinkage and selection operator) regression on longitudinal brain metabolic activity data measured by Fludeoxyglucose positron emission tomography (FDG-PET). We analyzed FDG-PET images from healthy old subjects, who were scanned for at least five sessions with an averaged intersession interval of about one year. The longitudinal data were concatenated across subjects to form a time series, and the first order autoregressive model was used to measure interregional causality among the independent sources of metabolic activity identified using ICA. Several independent sources with reduced metabolic activity in aging, including the anterior temporal lobe and orbital frontal cortex, demonstrated causal influences over many widespread brain regions. On the other hand, the influenced regions were more distributed, and had smaller age related declines or even relatively increased metabolic activity. The current data demonstrated interregional spreads of aging on metabolic activity at the scale of a year, and have identified key brain regions in the aging process that have strong influences over other regions.

Abstract Despite several studies investigating the relationship between blood-oxygen-level-dependent functional MRI (BOLD-fMRI) and neuroelectric activity, our understanding is rather incomplete. For instance, the canonical hemodynamic response function (HRF) is commonly used, regardless of brain region, frequency of electric activity and functional networks. We studied this relationship between BOLD-fMRI and electroencephalography (EEG) signal of the human brain in detail using simultaneous fMRI and EEG in healthy awake human subjects at rest. Signals from EEG sensors were filtered into different frequency bands and reconstructed it in the three-dimensional source space. The correlation of the time courses of the two modalities were quantified on a voxel-by-voxel basis on full-brain level as well as separately for each resting state network, with different temporal shifts and EEG frequency bands. We found highly significant correlations between the BOLD-fMRI signal and simultaneously measured EEG, yet with varying time-lags for different frequency bands and different resting state networks. Additionally, we found significant negative correlations with a much longer delay in the fMRI BOLD signal. The positive correlations were mostly around 6-8 seconds delayed in the BOLD time course while the negative correlations were noticed with a BOLD delay of around 20 to 26 seconds. These positive and negative correlation patterns included the commonly reported alpha and gamma bands but also extend in other frequency bands giving characteristic profiles for different resting state networks. Our results confirm recent works that suggest that the relationship between the two modalities is rather brain region / network-specific than a global function and suggest that applying a global canonical HRF for electrophysiological data is probably insufficient to account for the different spatial and temporal dynamics of different brain networks. Moreover, our results suggest that the HRF also varies in different frequency bands giving way to further studies investigating cross-frequency coupling and its interplay with resting state networks.