Abstract Changes in distribution of associated molecular targets have been reported across several neuropsychiatric disorders. However, the high-resolution topology of most proteins is unknown and simultaneous in vivo measurement in multi-receptor systems is complicated. To account for the missing proteomic information, mRNA transcripts are typically used as a surrogate. Nonetheless, post-transcriptional and post-translational processes might cause the discrepancy between the final distribution of proteins and gene expression patterns. Therefore, this study aims to investigate ex vivo links between mRNA expression and corresponding receptor density in the human cerebral cortex. To this end, autoradiography data on the density of 15 different receptors in 38 brain regions were correlated with the expression patterns of 50 associated genes derived from microarray data (mA), RNA sequencing data (RNA-Seq) provided by the Allen Human Brain Atlas and predicted mRNA expression patterns (pred-mRNA). Spearman’s rank correlation was used to evaluate the possible links between proteomic data and mRNA expression patterns. Correlations between mRNA and protein density varied greatly between targets: Positive associations were found for e.g. the serotonin 1A (pred-mRNA: r s = 0.708; mA: r s = 0.601) or kainate receptor (pred-mRNA: r s = 0.655; mA: r s = 0.601; RNA-Seq: r s = 0.575), while most of the investigated target receptors showed low or negative correlations. The high variability in the correspondence of mRNA expression and receptor warrants caution when inferring the topology of molecular targets in the brain from transcriptome data. This highlights the longstanding value of molecular imaging data and the need for comprehensive proteomic data.

ABSTRACT Purpose In the human brain endogenous dopamine release is commonly assessed by the PET competition model. Although thoroughly validated, cognitive processing yields low signal changes and the assessment of several task conditions requires repeated scanning. Using the framework of functional PET imaging we introduce a novel approach which leverages the incorporation of the radioligand 6-[ 18 F]FDOPA into the dynamic fast-acting regulation of the corresponding enzyme activities by neuronal firing and neurotransmitter release. We demonstrate the feasibility of the approach by the assessment of widely described sex differences in dopamine neurotransmission. Methods Reward and punishment processing was behaviorally investigated in 36 healthy participants, where 16 underwent fPET and fMRI while performing the monetary incentive delay task. 6-[ 18 F]FDOPA was applied as bolus+infusion during a single 50 min PET acquisition. Task-specific changes in dopamine synthesis were identified with the general linear model and quantified with the Gjedde-Patlak plot. Results Monetary gain induced 78% increase in nucleus accumbens dopamine synthesis vs. 49% for loss in men. Interestingly, the opposite was discovered in women (gain: 51%, loss: 78%). Behavioral modeling revealed direct associations of task-specific dopamine synthesis with reward sensitivity in men (rho = −0.7) and with punishment sensitivity in women (rho = 0.89). As expected, fMRI showed robust task-specific neuronal activation but no sex difference. Conclusions Our findings provide a dopaminergic basis for well-known behavioral differences in reward and punishment processing between women and men. This has important implications in psychiatric conditions showing sex-specific prevalence rates, altered reward processing and dopamine signaling. The high temporal resolution and pronounced magnitude of task-specific changes make fPET a promising tool to investigate functional neurotransmitter dynamics during cognitive or emotional processing in various brain disorders.

The availability of extensive transcriptome data of the human brain has greatly expanded the possibilities to study the molecular differentiation of brain regions. A previously proposed method enabled the spatially comprehensive prediction of gene expression in the brain based on discrete microarray data. The resulting data was employed in the current work in order to derive a parcellation of the human cerebral cortex. To this end, the transcriptome dataset comprising normalized expression of 18,686 genes was used for agglomerative hierarchical clustering with Pearson correlation distance and average linkage. The optimal number of clusters indicated by the Bayesian Information Criterion was k=33. The transcriptome based parcellation was able to reproduce several well-established boundaries between cortical regions, such as primary sensory and motor areas, while revealing novel insights into their hierarchical organization.

Zusammenfassung Die Verbindungen zwischen Mykotoxinen, Serotonin und psychischen Erkrankungen, insbesondere Psychosen, und wie Umwelt- und Stoffwechselfaktoren zur Stressbewältigung beitragen, sollen in unserem Beitrag aufgezeigt werden. Zunächst wird auf die Organismus-Pilz-Interaktion eingegangen: Pilze interagieren mit anderen eukaryoten Organismen auf einem Spektrum von Parasitismus, Kommensalismus bis hin zum Mutualismus, was man als Symbiose bezeichnen könnte. Ihre Metaboliten können toxisch sein und das Serotoninsystem beeinflussen, welches eine wichtige Rolle in der menschlichen Homöostase, Immunabwehr und psychischen Gesundheit spielt. Eine möglicherweise zentrale Rolle kommt hier dem Tryptophanstoffwechsel zu: Tryptophan (Trp) ist eine essenzielle Aminosäure, die zu Serotonin und Melatonin umgewandelt wird, den Botenstoffen zentraler Transmittersysteme des Menschen. Stress und Mykotoxine beeinflussen diesen Stoffwechselweg und können den Serotoninspiegel verändern, was wiederum das Risiko für Stimmungs- und Angststörungen erhöht. Chronischer Stress kann über Beeinträchtigung des Trp-Haushaltes zum Anfallen von neurotoxischen Abbauprodukten führen sowie die Verfügbarkeit von Serotonin reduzieren, was zu kognitiven Einschränkungen führen kann. Enge Verbindungen von Mykotoxinen und Stresszuständen können auf verschiedenen Ebenen, von molekularer Interaktion bis zum Einfluss auf das soziale Verhalten des Wirtes, dargestellt werden: Mykotoxine wie Aflatoxine und Ochratoxine fördern oxidativen Stress und Entzündungen, was die kognitive Leistung beeinträchtigen und das Risiko für neurodegenerative Erkrankungen durch Blut-Hirn-Schrankenstörungen erhöhen könnte. Am Beispiel der Ergotalkaloide werden, ausgehend vom historischen Ergotismus, Parallelen aufgezeigt: Ergotalkaloide, produziert durch den Mutterkornpilz, sind für ihre neurotoxische Wirkung bekannt und können Psychosen und Durchblutungsstörungen verursachen. Durch die heutigen Lebensmittelkontrollen werden die Belastungen mit Mykotoxinen möglichst gering gehalten. Dennoch kann es durch Interaktion von Lebensmittelzusätzen, wie Aspartam, zu toxischen Interaktionen mit Mykotoxinen kommen, wenn sie gemeinsam aufgenommen werden. Die Prävention wird in der vorliegenden Literatur als wichtiger Faktor betont: Eine stressreduzierende Lebensweise, eine gesunde Ernährung und eine saubere Wohnumgebung seien essenziell, um die potenziell negativen Effekte von Mykotoxinen zu minimieren und psychische Stabilität zu fördern.