Abstract Adolescent subcortical structural brain development might underlie psychopathological symptoms, which often emerge in adolescence. At the same time, sex differences exist in psychopathology, which might be mirrored in underlying sex differences in structural development. However, previous studies showed inconsistencies in subcortical trajectories and potential sex differences. Therefore, we aimed to investigate the subcortical structural trajectories and their sex differences across adolescence using for the first time a single cohort design, the same quality control procedure, software and a general additive mixed modeling approach. We investigated two large European sites from ages 14 to 24 with 503 participants and 1408 total scans from France and Germany as part of the IMAGEN project including four waves of data acquisition. We found significantly larger volumes in males versus females in both sites and across all seven subcortical regions. Sex differences in age-related trajectories were observed across all regions in both sites. Our findings provide further evidence of sex differences in longitudinal adolescent brain development of subcortical regions and thus might eventually support the relationship of underlying brain development and different adolescent psychopathology in boys and girls.

Abstract The prefrontal cortex (PFC) is a highly variable, evolutionarily expanded brain region that is engaged in multiple cognitive processes. The subregions of the PFC mature relatively late compared with other brain regions, and the maturation times vary between these subregions. Among these, the dorsomedial and dorsolateral prefrontal cortex (dmPFC and dlPFC) share a parallel topographic pattern of functional connectivity, while participating in different types of complex behaviors. However, the developmental trajectories of the two areas remain obscure. In this study, we uncovered differences in the developmental trends of the dmPFC and dlPFC. These differences were mainly caused by structural and functional changes in the medial area of the superior frontal gyrus (SFG). The developmentally different arealization patterns were verified using multiple parcellation approaches with multimodal data, including structural magnetic resonance imaging (sMRI), diffusion MRI (dMRI), resting state functional MRI (rfMRI), and a publicly available transcriptomic dataset. Human brain gene expression data was also used to perform downstream analyses, which could inform us about the potential biological mechanisms underlying the developmentally different arealizations. Furthermore, behavioral analyses hinted at the effects of regionalization on ontogeny. In brief, this study revealed a tendency toward a medial-lateral prefrontal division and can provide a fuller understanding of the potential underlying genetic underpinnings as well as of the potential effects on developmental behavior.

Abstract The amygdala is one of the most widely connected structures in the primate brain and plays a key role in social and emotional behavior. Here, we present the first genome-wide association study (GWAS) of whole-brain resting-state amygdala networks to discern whether connectivity in these networks could serve as an endophenotype for social behavior. Leveraging published resting-state amygdala networks as a priori endophenotypes in a GWAS meta-analysis of two adolescent cohorts, we identified a common polymorphism on chr.8p23.2 (rs10105357 A/G, MAF (G)=0.35) associated with stronger connectivity in the medial amygdala network (beta=0.20, p =2.97×10 −8 ). This network contains regions that support reward processes and affiliative behavior. People carrying two copies of the minor allele for rs10105357 participate in more prosocial behaviors (t=2.644, p =0.008) and have higher CSMD1 expression in the temporal cortex (t=3.281, p=0.002) than people with one or no copy of the allele. In post-mortem brains across the lifespan, we found that CSMD1 expression is relatively high in the amygdala (2.79 fold higher than white matter, p =1.80×10 −29 ), particularly so for nuclei in the medial amygdala, reaching a maximum in later stages of development. Amygdala network endophenotyping has the potential to accelerate genetic discovery in disorders of social function, such as autism, in which CSMD1 may serve as a diagnostic and therapeutic target.

Personality traits have been associated with eating disorders (EDs) and comorbidities. However, it is unclear which personality profiles are premorbid risk rather than diagnostic markers.

Summary Human brain structure changes throughout our lives. Altered brain growth or rates of decline are implicated in a vast range of psychiatric, developmental, and neurodegenerative diseases. Here, we identified common genetic variants that affect rates of brain growth or atrophy, in the first genome-wide association meta-analysis of changes in brain morphology across the lifespan. Longitudinal MRI data from 15,640 individuals were used to compute rates of change for 15 brain structures. The most robustly identified genes GPR139, DACH1 and APOE are associated with metabolic processes. We demonstrate global genetic overlap with depression, schizophrenia, cognitive functioning, insomnia, height, body mass index and smoking. Gene-set findings implicate both early brain development and neurodegenerative processes in the rates of brain changes. Identifying variants involved in structural brain changes may help to determine biological pathways underlying optimal and dysfunctional brain development and ageing.

DNA methylation, which is modulated by both genetic factors and environmental exposures, may offer a unique opportunity to discover novel biomarkers of disease-related brain phenotypes, even when measured in other tissues than brain, such as blood. A few studies of small sample sizes have revealed associations between blood DNA methylation and neuropsychopathology, however, large-scale epigenome-wide association studies (EWAS) are needed to investigate the utility of DNA methylation profiling as a peripheral marker for the brain. Here, in an analysis of eleven international cohorts, totalling 3,337 individuals, we report epigenome-wide meta-analyses of blood DNA methylation with volumes of the hippocampus, thalamus and nucleus accumbens (NAcc) -three subcortical regions selected for their associations with disease and heritability and volumetric variability. Analyses of individual CpGs revealed genome-wide significant associations with hippocampal volume at two loci. No significant associations were found for analyses of thalamus and nucleus accumbens volumes. CpG sites associated with hippocampus volume were significantly enriched within cancer-related genes and within regulatory elements containing the transcriptionally repressive histone H3K27 tri-methylation mark that is vital for stem cell fate specification. Cluster-based analyses revealed additional differentially methylated regions (DMRs) associated with hippocampal volume. DNA methylation at these loci affected expression of proximal genes involved in in learning and memory, stem cell maintenance and differentiation, fatty acid metabolism and type-2 diabetes. These DNA methylation marks, their interaction with genetic variants and their impact on gene expression offer new insights into the relationship between epigenetic variation and brain structure and may provide the basis for biomarker discovery in neurodegeneration and neuropsychiatric conditions.

Abstract Substance use, including cigarettes and cannabis, is associated with poorer sustained attention in late adolescence and early adulthood. Previous studies were predominantly cross-sectional or under- powered and could not indicate if impairment in sustained attention was a consequence of substance- use or a marker of the inclination to engage in such behaviour. This study explored the relationship between sustained attention and substance use across a longitudinal span from ages 14 to 23 in over 1,000 participants. Behaviours and brain connectivity associated with diminished sustained attention at age 14 predicted subsequent increases in cannabis and cigarette smoking, establishing sustained attention as a robust biomarker for vulnerability to substance use. Individual differences in network strength relevant to sustained attention were preserved across developmental stages and sustained attention networks generalized to participants in an external dataset. In summary, brain networks of sustained attention are robust, consistent, and able to predict aspects of later substance use. Teaser A robust brain network for sustained attention at age 14 predicts cigarette and cannabis use from ages 14 to 23.

Genetic factors and socioeconomic (SES) inequalities play a large role in educational attainment, and both have been associated with variations in brain structure and cognition. However, genetics and SES are correlated, and no prior study has assessed their neural associations independently. Here we used polygenic score for educational attainment (EduYears-PGS) as well as SES, in a longitudinal study of 551 adolescents, to tease apart genetic and environmental associations with brain development and cognition. Subjects received a structural MRI scan at ages 14 and 19. At both time-points, they performed three working memory (WM) tasks. SES and EduYears-PGS were correlated (r = 0.27) and had both common and independent associations with brain structure and cognition. Specifically, lower SES was related to less total cortical surface area and lower WM. EduYears-PGS was also related to total cortical surface area, but in addition had a regional association with surface area in the right parietal lobe, a region related to non-verbal cognitive functions, including mathematics, spatial cognition, and WM. SES, but not EduYears-PGS, was related to a change in total cortical surface area from age 14 to 19. This is the first study demonstrating a regional association of EduYears-PGS and the independent prediction of SES on cognitive function and brain development. It suggests that the SES inequalities, in particular parental education, are related to global aspects of cortical development, and exert a persistent influence on brain development during adolescence.Significance statement The influence of socioeconomic (SES) inequalities on brain and cognitive development is a hotly debated topic. However, previous studies have not considered that genetic factors overlap with SES. Here we showed, for the first time, that SES and EduYears-PGS (a score from thousands of genetic markers for educational attainment) have independent associations with both cognition and global cortical surface area in adolescents. EduYears-PGS also had a localized association in the brain: the intraparietal sulcus, a region related to non-verbal intelligence. In contrast, SES had global, but not regional, associations, and these persisted throughout adolescence. This suggests that the influence of SES inequalities is widespread – a result that opposes the current paradigm and can help inform policies in education.

Abstract Background Infants with Rett syndrome (RTT) may have subtle anomalies in their prelinguistic vocalisations but the detection of these is difficult, since their conspicuous vocalisations are often interspersed with inconspicuous ones. Aims and methods Extending a previous study with predominantly non-parents, the present study sampled parents of children with RTT and aimed to examine their gestalt perception of prelinguistic vocalisations. Methods and procedure Parents (n = 76) of female children with RTT listened to vocalisation recordings from RTT and typically developing (TD) infants, including an inconspicuous vocalisation from a RTT girl. For each recording, parents indicated if the vocalisation was produced by a RTT or a TD child. Results Overall correct to incorrect identification rate was 2:1, which was comparable to that of the previous study. Intriguingly, parents of RTT children seemed to be sensitive to features characterising the vocalisations of RTT infants, which has especially influenced their perception of the inconspicuous vocalisation from a RTT girl. Conclusions and implications These results invite further research on the potential characterising differences between vocalisations from TD infants and infants with divergent neurodevelopment. What this paper adds? Previous studies suggested that parents’ observations of their children’s behaviour are insightful and could aid clinical diagnosis. There is evidence that non-parents also seem to be sensitive to typical versus atypical characteristics in infant development. As normal and divergent developmental behaviours are often overlapping with each other, detecting deviant development is often difficult. For example, atypical vocalisations of infants later diagnosed with Rett syndrome (RTT) are often interspersed with their more typical and inconspicuous vocalisations. Can we learn extras from parents about divergences in prelinguistic vocalisations? The current study extended previous research and focused on the auditory gestalt perception of parents. We found parents of children with RTT were sensitive to the characterising differences between vocalisations from RTT and typically developing (TD) infants. They differentiated RTT vocalisations from TD vocalisations, even the RTT vocalisation was benchmarked as inconspicuous by speech-language experts. The characterising features that point to RTT, which seem to be perceptible to parents, might be more than the conspicuousness that could be readily classified by experts. What we have learned from parents’ perceptions motivates further research on the potential characterising features in prelinguistic vocalisations from different infants, especially in vocalisations that sound inconspicuous to experts and professionals, which may help to refine our understandings of diverse vocalisation patterns on the one hand, and to identify infants with neurodevelopmental divergences on the other hand.

Urbanicity, the impact of living in urban areas, is among the greatest environmental challenges for mental health. While urbanicity might be distinct in different sociocultural conditions and geographic locations, there are likely to exist common features shared in different areas of the globe. Understanding these common and specific relations of urbanicity with human brain and behavior will enable to assess the impact of urbanicity on mental disorders, especially in childhood and adolescence, where prevention and early interventions are likely to be most effective. We constructed from satellite-based remote sensing data a factor for urbanicity that was highly correlated with population density ground data. This factor, 'UrbanSat' was utilized in the Chinese CHIMGEN sample (N=831) and the longitudinal European IMAGEN cohort (N=810) to investigate if exposure to urbanicity during childhood and adolescence is associated with differences in brain structure and function in young adults, and if these changes are linked to behavior. Urbanicity was found negatively correlated with medial prefrontal cortex volume and positively correlated with cerebellar vermis volume in young adults from both China and Europe. We found an increased correlation of urbanicity with functional network connectivity within- and between- brain networks in Chinese compared to European participants. Urbanicity was highly correlated with a measure of perceiving a situation from the perspective of others, as well as symptoms of depression in both datasets. These correlations were mediated by the structural and functional brain changes observed. Susceptibility to urbanicity was greatest in two developmental windows during mid-childhood and adolescence. Using innovative technology, we were able to probe the relationship between urban upbringing with brain change and behavior in different sociocultural conditions and geographic locations. Our findings help to identify shared and distinct determinants of adolescent brain development and mental health in different regions of the world, thus contributing to targeted prevention and early-intervention programs for young people in their unique environment. Our approach may be relevant for public health, policy and urban planning globally.