The dopamine hypothesis of schizophrenia proposes that hyperactivity of dopaminergic transmission is associated with this illness, but direct observation of abnormalities of dopamine function in schizophrenia has remained elusive. We used a newly developed single photon emission computerized tomography method to measure amphetamine-induced dopamine release in the striatum of fifteen patients with schizophrenia and fifteen healthy controls. Amphetamine-induced dopamine release was estimated by the amphetamine-induced reduction in dopamine D2 receptor availability, measured as the binding potential of the specific D2 receptor radiotracer [123I] (S)-(-)-3-iodo-2-hydroxy-6-methoxy-N-[(1-ethyl-2-pyrrolidinyl) methyl]benzamide ([123I]IBZM). The amphetamine-induced decrease in [123I]IBZM binding potential was significantly greater in the schizophrenic group (-19.5 +/- 4.1%) compared with the control group (-7.6 +/- 2.1%). In the schizophrenic group, elevated amphetamine effect on [123I]IBZM binding potential was associated with emergence or worsening of positive psychotic symptoms. This result suggests that psychotic symptoms elicited in this experimental setting in schizophrenic patients are associated with exaggerated stimulation of dopaminergic transmission. Such an observation would be compatible with an abnormal responsiveness of dopaminergic neurons in schizophrenia.

The classical dopamine hypothesis of schizophrenia postulates a hyperactivity of dopaminergic transmission at the D 2 receptor. We measured in vivo occupancy of striatal D 2 receptors by dopamine in 18 untreated patients with schizophrenia and 18 matched controls, by comparing D 2 receptor availability before and during pharmacologically induced acute dopamine depletion. Acute depletion of intrasynaptic dopamine resulted in a larger increase in D 2 receptor availability in patients with schizophrenia (19% ± 11%) compared with control subjects (9% ± 7%, P = 0.003). The increased occupancy of D 2 receptors by dopamine occurred both in first-episode neuroleptic-naive patients and in previously treated chronic patients experiencing an episode of illness exacerbation. In addition, elevated synaptic dopamine was predictive of good treatment response of positive symptoms to antipsychotic drugs. This finding provides direct evidence of increased stimulation of D 2 receptors by dopamine in schizophrenia, consistent with increased phasic activity of dopaminergic neurons.

The authors previously observed an increase in striatal dopamine transmission following amphetamine challenge in 15 untreated patients with schizophrenia compared to 15 matched healthy subjects. The purpose of this study was to replicate this finding in a new cohort of schizophrenic patients and healthy subjects.Fifteen patients with schizophrenia and 15 healthy subjects matched for age, gender, ethnicity, and parental socioeconomic status were recruited for this study. Patients fulfilled DSM-IV criteria for schizophrenia, had no history of alcohol or substance abuse or dependence, and were neuroleptic free for a minimum of 21 days. Amphetamine-induced dopamine release was assessed by the reduction in dopamine D2 receptor availability induced by an acute amphetamine challenge (0.3 mg/kg, intravenous bolus). Reduction in D2 receptor availability was measured with single photon emission computed tomography and the D2 receptor radiotracer [123I]IBZM.No differences were observed between patients with schizophrenia and the comparison group in D2 receptor availability at baseline. Patients with schizophrenia exhibited a significantly larger reduction in D2 receptor availability following acute amphetamine challenge than the comparison group. In this study, the effect size was smaller than in the first study. Excess dopamine release following amphetamine was associated with transient emergence or worsening of positive symptoms.In this new cohort of subjects the authors replicated their initial observation of a dysregulation of striatal dopamine release in schizophrenia.

Studies in nonhuman primates documented that appropriate stimulation of dopamine (DA) D₁ receptors in the dorsolateral prefrontal cortex (DLPFC) is critical for working memory processing. The defective ability of patients with schizophrenia at working memory tasks is a core feature of this illness. It has been postulated that this impairment relates to a deficiency in mesocortical DA function. In this study, D₁ receptor availability was measured with positron emission tomography and the selective D₁ receptor antagonist [¹¹C]NNC 112 in 16 patients with schizophrenia (seven drug-naive and nine drug-free patients) and 16 matched healthy controls. [¹¹C]NNC 112 binding potential (BP) was significantly elevated in the DLPFC of patients with schizophrenia (1.63 ± 0.39 ml/gm) compared with control subjects (1.27 ± 0.44 ml/gm; p = 0.02). In patients with schizophrenia, increased DLPFC [¹¹C]NNC 112 BP was a strong predictor of poor performance at the n-back task, a test of working memory. These findings confirm that alteration of DLPFC D₁ receptor transmission is involved in working memory deficits presented by patients with schizophrenia. Increased D₁ receptor availability observed in patients with schizophrenia might represent a compensatory (but ineffective) upregulation secondary to sustained deficiency in mesocortical DA function.

The human striatum is functionally organized into limbic, associative, and sensorimotor subdivisions, which process information related to emotional, cognitive, and motor function. Dopamine projections ascending from the midbrain provide important modulatory input to these striatal subregions. The aim of this study was to compare activation of dopamine D 2 receptors after amphetamine administration in the functional subdivisions of the human striatum. D 2 receptor availability (V 3 ″) was measured with positron emission tomography and [ 11 C]raclopride in 14 healthy volunteers under control conditions and after the intravenous administration of amphetamine (0.3 mg/kg). For each condition, [ 11 C]raclopride was administered as a priming bolus followed by constant infusion, and measurements of D 2 receptor availability were obtained under sustained binding equilibrium conditions. Amphetamine induced a significantly larger reduction in D 2 receptor availability (ΔV 3 ″) in limbic (ventral striatum, −15.3 ± 11.8%) and sensorimotor (postcommissural putamen, −16.1 ± 9.6%) regions compared with associative regions (caudate and precommissural putamen, −8.1 ± 7.2%). Results of this region-of-interest analysis were confirmed by a voxel-based analysis. Correction for the partial volume effect showed even greater differences in ΔV 3 ″ between limbic (−17.8 ± 13.8%), sensorimotor (−16.6 ± 9.9%), and associative regions (−7.5 ± 7.5%). The increase in euphoria reported by subjects after amphetamine was associated with larger ΔV 3 ″ in the limbic and sensorimotor regions, but not in the associative regions. These results show significant differences in the dopamine response to amphetamine between the functional subdivisions of the human striatum. The mechanisms potentially accounting for these regional differences in amphetamine-induced dopamine release within the striatum remain to be elucidated, but may be related to the asymmetrical feed-forward influences mediating the integration of limbic, cognitive, and sensorimotor striatal function via dopamine cell territories in the ventral midbrain.

Dopamine transmission in the ventral striatum (VST), a structure which includes the nucleus accumbens, ventral caudate, and ventral putamen, plays a critical role in the pathophysiology of psychotic states and in the reinforcing effects of virtually all drugs of abuse. The aim of this study was to assess the accuracy and precision of measurements of D 2 receptor availability in the VST obtained with positron emission tomography on the high-resolution ECAT EXACT HR+ scanner (Siemens Medical Systems, Knoxville, TN, U.S.A.). A method was developed for identification of the boundaries of the VST on coregistered high-resolution magnetic resonance imaging scans. Specific-to-nonspecific partition coefficient (V 3 ″) and binding potential (BP) of [ 11 C]raclopride were measured twice in 10 subjects, using the bolus plus constant infusion method. [ 11 C]Raclopride V 3 ″ in the VST (1.86 ± 0.29) was significantly lower than in the dorsal caudate (DCA, 2.33 ± 0.28) and dorsal putamen (DPU, 2.99 ± 0.26), an observation consistent with postmortem studies. The reproducibility of V 3 ″ and BP were appropriate and similar in VST (V 3 ″ test–retest variability of 8.2% ± 6.2%, intraclass correlation coefficient = 0.83), DCA (7.7% ± 5.1%, 0.77), DPU (6.0% ± 4.1%, 0.71), and striatum as a whole (6.3% ± 4.1%, 0.78). Partial volume effects analysis revealed that activities in the VST were significantly contaminated by counts spilling over from the adjacent DCA and DPU: 70% ± 5% of the specific binding measured in the VST originated from D 2 receptors located in the VST, whereas 12% ± 3% and 18% ± 3% were contributed by D 2 receptors in the DCA and DPU, respectively. Thus, accuracy of D 2 receptor measurement is improved by correction for partial voluming effects. The demonstration of an appropriate accuracy and precision of D 2 receptor measurement with [ 11 C]raclopride in the VST is the first critical step toward the use of this ligand in the study of synaptic dopamine transmission at D 2 receptors in the VST using endogenous competition techniques.

Context: A long-standing version of the dopamine hypothesis of schizophrenia postulates that hyperactivity of dopaminergic transmission at D 2 receptors in the limbic striatum is associated with the illness and that blockade of mesolimbic D 2 receptors is responsible for the antipsychotic action of D 2 receptor antagonists.Objective: To localize dopaminergic hyperactivity within the striatum in schizophrenia.Design: Case-control study.Setting: Inpatient research unit.Participants: Eighteen untreated patients with schizophrenia and 18 healthy control subjects matched for age, sex, ethnicity, parental socioeconomic status, cigarette smoking, and weight.Main Outcome Measures: Percentage change in dopamine D 2 receptor availability in striatal subregions within each subject measured by positron emission tomography with carbon 11-labeled raclopride before and during pharmacologically induced dopamine depletion.Results: In the associative striatum, acute dopamine depletion resulted in a larger increase in D 2 receptor availability in patients with schizophrenia (mean [SD], 15% [7%]) than in control subjects (10% [7%], P=.045), suggesting higher synaptic dopamine concentration.Within the associative striatum, this effect was most pronounced in the precommissural dorsal caudate (15% [8%] in patients vs 9% [8%] in controls, P =.03).No betweengroup differences were observed in the limbic and sensorimotor striatum.Conclusions: These findings suggest that schizophrenia is associated with elevated dopamine function in associative regions of the striatum.Because the precommissural dorsal caudate processes information from the dorsolateral prefrontal cortex, this observation also suggests that elevated subcortical dopamine function might adversely affect performance of the dorsolateral prefrontal cortex in schizophrenia.On the other hand, the absence of a group difference in the limbic striatum brings into question the therapeutic relevance of the mesolimbic selectivity of second-generation antipsychotic drugs.

A decrease in dopamine type 2 receptors (D2) and mesolimbic dopamine transmission predisposes animals to consume alcohol. This study measured D2 receptors and dopamine transmission in human alcohol-dependent (AD) subjects using positron emission tomography (PET) and [11C]raclopride.Fifteen AD and 15 healthy control (HC) subjects were scanned before and after a psychostimulant challenge (amphetamine .3 mg/kg intravenous). The outcome measures for baseline D2 receptor availability were binding potential (BP) and the equilibrium partition coefficient (V3''). Amphetamine-induced [11C]raclopride displacement was measured as the difference in V3'' between the two scans.[11C]raclopride BP was significantly reduced by 16.6% in the limbic striatum, 19.2% in the associative striatum, and 21.3% in the sensorimotor striatum in AD subjects compared with HC. The alcohol-dependent subjects showed a blunting of amphetamine-induced dopamine release in the limbic striatum: [11C]raclopride displacement was -5.2% +/- 3.6% in AD subjects compared with -13.0% +/- 8.8% in HC. However, no significant difference in [11C]raclopride displacement was seen in the associative (-4.6% +/- 5.8% in AD subjects vs. -6.7 +/- 5.4% in HC) and sensorimotor (-12.3% +/- 7.3% in AD subjects vs. -13.7 +/- 7.5% in HC) subdivisions of the striatum between the two groups.Alcohol dependence was associated with a decrease in D2 receptors in each striatal subdivision, whereas amphetamine-induced dopamine release was reduced in the limbic striatum only.

Objective:Alterations in cortical benzodiazepine receptor density have been described in postmortem and in vivo studies of alcoholic subjects. The authors attempted to replicate these findings using single photon emission computed tomography and the benzodiazepine receptor radiotracer [123I]iomazenil. Method:They measured the distribution volume of benzodiazepine receptors in 11 recently detoxified patients with type II alcoholism and 11 healthy comparison subjects. The tracer was given as a bolus followed by a continuous infusion to achieve sustained binding equilibrium at the benzodiazepine receptors. Data were analyzed by using a region of interest method (regions of interest were identified on coregistered magnetic resonance imaging scans) and by a pixel-by-pixel method (distribution volume maps were analyzed with statistical parametric mapping for between-group differences).Results:The region of interest analysis revealed that alcoholic patients had significantly lower benzodiazepine distribution volume than comparison subjects in the frontal, anterior cingulate, and cerebellar cortices. Statistical parametric mapping revealed two large excursions in which the distribution volume in alcoholic patients was significantly lower than in comparison subjects: the anterior cingulate, extending into the right middle frontal gyrus, and the left occipital cortex. Conclusions:Benzodiazepine receptor distribution volume is significantly lower in several cortical regions and the cerebellum in alcoholic subjects than in healthy comparison subjects. These results are consistent with previous reports and might indicate either a toxic effect of alcoholism on benzodiazepine receptors or a vulnerability factor for developing alcoholism. Am J Psychiatry 1998; 155: 1550-1555

[(11)C]-(+)-PHNO is a D3 preferring PET radioligand which has recently opened the possibility of imaging D3 receptors in the human brain in vivo. This imaging tool allows characterisation of the distribution of D3 receptors in vivo and further investigation of their functional role. The specific [(11)C]-(+)-PHNO signal is a mixture of D3 and D2 components with the relative magnitude of each component determined by the regional receptor densities. An accurate and reproducible delineation of regions of interest (ROI) is therefore important for optimal analysis of human PET data. We present a set of anatomical guidelines for the delineation of D3 relevant ROIs including substantia nigra, hypothalamus, ventral pallidum/substantia innominata, ventral striatum, globus pallidus and thalamus. Delineation of these structures using this approach allowed for high intra- and inter-operator reproducibility. Subsequently we used a selective D3 antagonist to dissect the total [(11)C]-(+)-PHNO signal in each region into its D3 and D2 components and estimated the regional fraction of the D3 signal (f(PHNO)(D3)). In descending order of magnitude the following results for the f(PHNO)(D3) were obtained: hypothalamus=100%, substantia nigra=100%, ventral pallidum/substantia innominata=75%, globus pallidus=65%, thalamus=43%, ventral striatum=26% and precommissural-ventral putamen=6%. An automated approach for the delineation of these anatomical regions of interest was also developed and investigated in terms of its reproducibility and accuracy.