PSILOCYBIN, an indoleamine hallucinogen, produces a psychosis-like syndrome in humans that resembles first episodes of schizophrenia. In healthy human volunteers, the psychotomimetic effects of psilocybin were blocked dose-dependently by the serotonin-2A antagonist ketanserin or the atypical antipsychotic risperidone, but were increased by the dopamine antagonist and typical antipsychotic haloperidol. These data are consistent with animal studies and provide the first evidence in humans that psilocybin-induced psychosis is due to serotonin-2A receptor activation, independently of dopamine stimulation. Thus, serotonin-2A overactivity may be involved in the pathophysiology of schizophrenia and serotonin-2A antagonism may contribute to therapeutic effects of antipsychotics.

Functional imaging of brain electrical activity was performed in nine acute, neuroleptic-naive, first-episode, productive patients with schizophrenia and 36 control subjects. Low-resolution electromagnetic tomography (LORETA, three-dimensional images of cortical current density) was computed from 19-channel electroencephalographic (EEG) activity obtained under resting conditions, separately for the different EEG frequencies. Three patterns of activity were evident in the patients: (1) an anterior, near-bilateral excess of delta frequency activity; (2) an anterior-inferior deficit of theta frequency activity coupled with an anterior-inferior left-sided deficit of alpha-1 and alpha-2 frequency activity; and (3) a posterior-superior right-sided excess of beta-1, beta-2 and beta-3 frequency activity. Patients showed deviations from normal brain activity as evidenced by LORETA along an anterior-left-to-posterior-right spatial axis. The high temporal resolution of EEG makes it possible to specify the deviations not only as excess or deficit, but also as inhibitory, normal and excitatory. The patients showed a dis-coordinated brain functional state consisting of inhibited prefrontal/frontal areas and simultaneously overexcited right parietal areas, while left anterior, left temporal and left central areas lacked normal routine activity. Since all information processing is brain-state dependent, this dis-coordinated state must result in inadequate treatment of (externally or internally generated) information.

Background

 Although recent neuroimaging and therapeutic transcranial magnetic cortex stimulation (TMS) studies suggest imbalance between left and right dorsolateral prefrontal cortex (DLPFC) in major depressive disorder (MDD) the fundamental neuropsychological characterization of left DLPFC hypoactivity and right DLPFC hyperactivity in MDD remains poorly understood. 

Methods

 We used event-related functional magnetic resonance imaging (fMRI) to investigate neural activity in left and right DLPFC related to unattended (unexpected) and attended (expected) judgment of emotions. Participating in the study were 20 medication-free patients with MDD and 30 healthy subjects. 

Results

 The MDD patients showed hypoactivity in the left DLPFC during both unattended and attended emotional judgment and hyperactivity in the right DLPFC during attended emotional judgment. In contrast to healthy subjects, left DLPFC activity during emotional judgment was not parametrically modulated by negative emotional valence and was inversely modulated by positive emotional valence in MDD patients. Hyperactivity in the right DLPFC correlated with depression severity. 

Conclusions

 Results demonstrate that left DLPFC hypoactivity is associated with negative emotional judgment rather than with emotional perception or attention while right DLPFC hyperactivity is linked to attentional modulation. Left–right DLPFC imbalance is characterized in neuropsychological regard, which bridges the gap from resting metabolism and therapeutic repetitive transcranial magnetic stimulation effects to functional neuroanatomy of altered emotional–cognitive interaction in MDD.

Background

 In patients with schizophrenia, deficient generation of mismatch negativity (MMN)—an event-related potential (ERP) indexing auditory sensory ("echoic") memory—and a selective increase of "context dependent" ("BX") errors in the "A-X" version of the Continuous Performance Test (AX-CPT) indicate an impaired ability to form and use transient memory traces. Animal and human studies implicate deficientN-methyl-D-aspartate receptor (NMDAR) functioning in such abnormalities. In this study, effects of the NMDAR antagonists ketamine on MMN generation and AX-CPT performance were investigated in healthy volunteers to test the hypothesis that NMDARs are critically involved in human MMN generation, and to assess the nature of ketamine-induced deficits in AX-CPT performance. 

Methods

 In a single-blind placebo-controlled study, 20 healthy volunteers underwent an infusion with subanesthetic doses of ketamine. The MMN-to-pitch and MMN-to-duration deviants were obtained while subjects performed an AX-CPT. 

Results

 Ketamine significantly decreased the peak amplitudes of the MMN-to-pitch and MMN-to-duration deviants by 27% and 21%, respectively. It induced performance deficits in the AX-CPT characterized by decreased hit rates and specific increases of errors (BX errors), reflecting a failure to form and use transient memory traces of task relevant information. 

Conclusions

 The NMDARs are critically involved in human MMN generation. Deficient MMN in schizophrenia thus suggests deficits in NMDAR-related neurotransmission.N-methyl-D-aspartate receptor dysfunction may also contribute to the impairment of patients with schizophrenia in forming and using transient memory traces in more complex tasks, such as the AX-CPT. Thus, NMDAR-related dysfunction may underlie deficits in transient memory at different levels of information processing in schizophrenia.

Schizophrenia is a major psychiatric disease, which affects the centre of the personality, with severe problems of perception, cognition as well as affective and social behaviour. In cerebrospinal fluid of drug-free schizophrenic patients, a significant decrease in the level of total glutathione (GSH) by 27% (P<0.05) was observed as compared to controls, in keeping with the reported reduced level of its metabolite gamma-glutamylglutamine. With a new non-invasive proton magnetic resonance spectroscopy methodology, GSH level in medial prefrontal cortex of schizophrenic patients was found to be 52% (P = 0.0012) lower than in controls. GSH plays a fundamental role in protecting cells from damage by reactive oxygen species generated among others by the metabolism of dopamine. A deficit in GSH would lead to degenerative processes in the surrounding of dopaminergic terminals resulting in loss of connectivity. GSH also potentiates the N-methyl-D-aspartate (NMDA) receptor response to glutamate, an effect presumably reduced by a GSH deficit, leading to a situation similar to the application of phencyclidine (PCP). Thus, a GSH hypothesis might integrate many established biological aspects of schizophrenia.

Until recently, racemic ketamine (S-ketamine/R-ketamine=50:50) has been used to study NMDA receptor hypofunction in relation to pathophysiological models of schizophrenia. Ketamine given to normal humans in subanesthetic doses produces a model psychosis including both positive and negative symptoms of schizophrenia. More recently it has been shown that at subanesthetic doses the pure (S)- and (R)-ketamine enantiomeres interact differently with the NMDA and sigma receptor sites in human brain. It was found that (S)-ketamine binds with a 3–4 time higher affinity to the PCP binding site of the NMDA receptor than (R)-ketamine, and that at these concentrations (R)-ketamine interacts also weakly with the sigma receptor sites, where (S)-ketamine binds only negligibly. To further investigate the role of NMDA-receptor mediated neurotransmission in schizophrenic psychosis, the effects of pure (S)- and (R)-ketamine enantiomeres on brain energy metabolism in normal humans using positron emission tomography and [18F]fluorodeoxyglucose (FDG) are reported here. Psychotomimetic doses of (S)-ketamine increased cerebral metabolic rates of glucose (CMRglu) markedly in the frontal cortex including the anterior cingulate, parietal and left sensorimotor cortex, and in the thalamus. The metabolic changes in the frontal and left temporal cortex correlated with ego-disintegration and hallucinatory phenomena. Equimolar doses of (R)-ketamine tended to decrease CMRglu across brain regions and significantly suppressed CMRglu in the temporomedial cortex and left insula. (R)-ketamine did not produce psychotic symptoms, but a state of relaxation. The (S)-ketamine-induced metabolic hyperfrontality appears to parallel similar metabolic findings in acute psychotic schizophrenic patients and encourages further investigations of glutamatergic disturbances in schizophrenia.

Studies using functional magnetic resonance imaging (fMRI) show predominant negative blood oxygenation level-dependent (BOLD) responses (NBRs) in regions of the default-mode network such as the pregenual anterior cingulate cortex, the ventromedial prefrontal cortex, and the posterior cingulate cortex. Patients with major depressive disorder (MDD) show emotional–cognitive disturbances, which have been associated with alterations within the default-mode network. However, it remains unclear whether these default-mode network alterations are related to abnormalities in NBRs. We therefore investigated neural activity in the default-mode network during different emotional tasks in patients with MDD in an event-related fMRI design. MDD patients showed significantly reduced NBRs in several regions of the default-mode network. Decreased NBRs in MDD patients correlated with depression severity and feelings of hopelessness. In sum, our findings demonstrate that default-mode network NBRs are reduced in MDD and modulate these patients' abnormally negative emotions.