A single dose of psilocybin, a psychedelic and serotonin 2A receptor (5-HT2AR) agonist, may be associated with antidepressant effects. The mechanism behind its antidepressive action is unknown but could be linked to increased synaptogenesis and down-regulation of cerebral 5-HT2AR. Here, we investigate if a single psychedelic dose of psilocybin changes synaptic vesicle protein 2A (SV2A) and 5-HT2AR density in the pig brain. Twenty-four awake pigs received either 0.08 mg/kg psilocybin or saline intravenously. Twelve pigs (n = 6/intervention) were euthanized one day post-injection, while the remaining twelve pigs were euthanized seven days post-injection (n = 6/intervention). We performed autoradiography on hippocampus and prefrontal cortex (PFC) sections with [3H]UCB-J (SV2A), [3H]MDL100907 (5-HT2AR antagonist) and [3H]Cimbi-36 (5-HT2AR agonist). One day post psilocybin injection, we observed 4.42% higher hippocampal SV2A density and lowered hippocampal and PFC 5-HT2AR density (-15.21% to -50.19%). These differences were statistically significant in the hippocampus for all radioligands and in the PFC for [3H]Cimbi-36 only. Seven days post-intervention, there was still significantly higher SV2A density in the hippocampus (+9.24%) and the PFC (+6.10%), whereas there were no longer any differences in 5-HT2AR density. Our findings suggest that psilocybin causes increased persistent synaptogenesis and an acute decrease in 5-HT2AR density, which may play a role in psilocybin's antidepressive effects.

Abstract The traditional design of PET target engagement studies is based on a baseline scan and one or more scans after drug administration. We here evaluate an alternative design in which the drug is administered during an on-going scan (i.e., a displacement study). This approach results both in lower radiation exposure and lower costs. Existing kinetic models assume steady state. This condition is not present during a drug displacement and consequently, our aim here was to develop kinetic models for analysing PET displacement data. We modified existing compartment models to accommodate a time-variant increase in occupancy following the pharmacological in-scan intervention. Since this implies the use of differential equations that cannot be solved analytically, we developed instead one approximate and one numerical solution. Through simulations, we show that if the occupancy is relatively high, it can be estimated without bias and with good accuracy. The models were applied to PET data from six pigs where [ 11 C]UCB-J was displaced by intravenous brivaracetam. The dose-occupancy relationship estimated from these scans showed good agreement with occupancies calculated with Lassen plot applied to baseline-block scans of two pigs. In summary, the proposed models provide a framework to determine target occupancy from a single displacement scan.