MU-opioid receptor modulation of brain resting-state functional connectivity

Abstract

MU-opioid receptors (MORs) are a class of brain opioid receptors, activated by endogenous or exogenous opioids and controlling for example emotions, feelings of pleasure, pain relief and also addiction. However, it is still unknown how MORs affect the interaction between brain regions and neural circuits. In this study we examined how the level of endogenous opioids and amount of MORs, measured using positron emission tomography (PET) and the tracer 11C-carfentanil, affect resting-state functional connectivity, measured using functional magnetic resonance imaging (fMRI), between brain regions of healthy subjects. The amygdala is known to be central in emotion processing and control and to have a relatively high MOR concentration, so we used the amygdala as the seed region and investigated how amygdala MOR levels are correlated with the amygdala's whole-brain functional connectivity. Three different amygdala seed regions on both brain hemispheres were used. Functional connectivity values were obtained by calculating Pearson's correlation between the fMRI time series of the seed region and all other brain regions. The level of MOR modulation on functional connectivity was assessed by calculating Pearson's correlation between the seed region's MOR level and functional connectivity across subjects. We found strong correlation between amygdala MOR binding potential for 11C-carfentanil and functional connectivity in several regions belonging to the limbic system or involved in social cognition. To our knowledge, this work is the first study directly investigating the connection between MOR binding potential and resting-state functional connectivity. Our results confirm that MORs are involved in modulating functional connectivity. Meaningful connections between the amygdala and several brain regions were found so our results also confirm that our novel PET-fMRI fusion imaging and analysis approaches work and that work on this topic can be continued and further expanded.

MYY-opioidireseptorit (MOR) ovat aivojen opioidireseptoreita, jotka aktivoituvat endo- tai eksogeenisten opioidien toimesta ja jotka säätelevät esimerkiksi emootioita, mielihyvän tunteita, kivunlievitystä sekä riippuvuutta. On kuitenkin yhä epäselvää, miten MOR:t vaikuttavat aivoalueiden väliseen vuorovaikutukseen. Tässä työssä tutkittiin sitä, miten endogeenisten opioidien taso ja MOR:en määrä, positroniemissiotomografialla (PET) ja 11C-karfentaniili-merkkiaineella mitattuna, vaikuttavat lepotilassa ja funktionaalisella magneettikuvantamisella (fMRI) mitattuun toiminnalliseen konnektiviteettiin aivoalueiden välillä terveillä koehenkilöillä. Mantelitumakkeen tiedetään olevan olennainen tunteiden käsittelyssä ja säätelyssä, ja sillä on suhteellisen korkea MOR-konsentraatio, joten tässä työssä sitä käytettiin siemenalueena ja tutkittiin, miten sen MOR-taso korreloi sen toiminnallisen konnektiviteetin kanssa. Työssä käytettiin kolmea eri mantelitumakkeen siemenaluetta kummallakin aivopuoliskolla. Toiminnallisen konnektiviteetin arvot saatiin Pearsonin korrelaatiokertoimina siemenalueen ja kaikkien muiden aivoalueiden fMRI-aikasarjojen välillä. MOR:en vaikutusta toiminnalliseen konnektiviteettiin arvioitiin laskemalla Pearsonin korrelaatiokerroin koehenkilöiden siemenalueen MOR-tason ja toiminnallisen konnektiviteetin välillä. Havaittiin voimakas korrelaatio mantelitumakkeen MOR:en sitoutumispotentiaalin ja toiminnallisen konnektiviteetin välillä useilla limbiseen järjestelmään ja sosiaaliseen ymmärrykseen liittyvillä alueilla. Tämä on tietojen mukaan ensimmäinen tutkimus, jossa tutkitaan suoraan MOR:en sitoutumispotentiaalin ja lepotilan toiminnallisen konnektiviteetin välistä yhteyttä. Tulokset vahvistavat, että MOR:t ovat yhteydessä toiminnallisen konnektiviteetin säätelyyn. Työssä löydetyt mielekkäät yhteydet mantelitumakkeen ja eri aivoalueiden välillä vahvistavat myös sen, että työssä käytetty PET-fMRI fuusiokuvantaminen sekä muut menetelmät toimivat ja että työtä aihepiirin parissa voidaan jatkaa ja laajentaa.