Abstract Cortical thickness, surface area and volumes (MRI cortical measures) vary with age and cognitive function, and in neurological and psychiatric diseases. We examined heritability, genetic correlations and genome-wide associations of cortical measures across the whole cortex, and in 34 anatomically predefined regions. Our discovery sample comprised 22,822 individuals from 20 cohorts within the Cohorts for Heart and Aging Research in Genomic Epidemiology (CHARGE) consortium and the United Kingdom Biobank. Significant associations were replicated in the Enhancing Neuroimaging Genetics through Meta-analysis (ENIGMA) consortium, and their biological implications explored using bioinformatic annotation and pathway analyses. We identified genetic heterogeneity between cortical measures and brain regions, and 161 genome-wide significant associations pointing to wnt/β-catenin, TGF-β and sonic hedgehog pathways. There was enrichment for genes involved in anthropometric traits, hindbrain development, vascular and neurodegenerative disease and psychiatric conditions. These data are a rich resource for studies of the biological mechanisms behind cortical development and aging.

Abstract Delineating age-related cortical trajectories in healthy individuals is critical given the association of cortical thickness with cognition and behaviour. Previous research has shown that deriving robust estimates of age-related brain morphometric changes requires large-scale studies. In response, we conducted a large-scale analysis of cortical thickness in 17,075 individuals aged 3-90 years by pooling data through the Lifespan Working group of the Enhancing Neuroimaging Genetics through Meta-Analysis (ENIGMA) Consortium. We used fractional polynomial (FP) regression to characterize age-related trajectories in cortical thickness, and we computed normalized growth centiles using the parametric Lambda, Mu, and Sigma (LMS) method. Inter-individual variability was estimated using meta-analysis and one-way analysis of variance. Overall, cortical thickness peaked in childhood and had a steep decrease during the first 2-3 decades of life; thereafter, it showed a gradual monotonic decrease which was steeper in men than in women particularly in middle-life. Notable exceptions to this general pattern were entorhinal, temporopolar and anterior cingulate cortices. Inter-individual variability was largest in temporal and frontal regions across the lifespan. Age and its FP combinations explained up to 59% variance in cortical thickness. These results reconcile uncertainties about age-related trajectories of cortical thickness; the centile values provide estimates of normative variance in cortical thickness, and may assist in detecting abnormal deviations in cortical thickness, and associated behavioural, cognitive and clinical outcomes.

For many traits, males show greater variability than females, with possible implications for understanding sex differences in health and disease. Here, the ENIGMA (Enhancing Neuro Imaging Genetics through Meta-Analysis) Consortium presents the largest-ever mega-analysis of sex differences in variability of brain structure, based on international data spanning nine decades of life. Subcortical volumes, cortical surface area and cortical thickness were assessed in MRI data of 16,683 healthy individuals 1-90 years old (47% females). We observed patterns of greater male than female between-subject variance for all brain measures. This pattern was stable across the lifespan for 50% of the subcortical structures, 70% of the regional area measures, and nearly all regions for thickness. Our findings that these sex differences are present in childhood implicate early life genetic or gene-environment interaction mechanisms. The findings highlight the importance of individual differences within the sexes, that may underpin sex-specific vulnerability to disorders.

Sex hormones such as estrogen fluctuate across the female lifespan, with high levels during reproductive years and natural decline during the transition to menopause. Women’s exposure to estrogen may influence their heightened risk of Alzheimer’s disease (AD) relative to men, but little is known about how it affects normal brain aging. Recent findings from the UK Biobank demonstrate less apparent brain aging in women with a history of multiple childbirths, highlighting a potential link between sex-hormone exposure and brain aging. We investigated endogenous and exogenous sex-hormone exposure, genetic risk for AD, and neuroimaging-derived biomarkers for brain aging in 16,854 middle to older-aged women. The results showed that as opposed to parity, higher cumulative sex-hormone exposure was associated with more evident brain aging, indicating that i) high levels of cumulative exposure to sex-hormones may have adverse effects on the brain, and ii) beneficial effects of pregnancies on the female brain are not solely attributable to modulations in sex-hormone exposure. In addition, for women using hormonal replacement therapy (HRT), starting treatment earlier was associated with less evident brain aging, but only in women with a genetic risk for AD. Genetic factors may thus contribute to how timing of HRT initiation influences women’s brain aging trajectories.

Schizophrenia (SCZ) and bipolar disorder (BD) are highly heritable disorders that share a significant proportion of common risk variation. Understanding the genetic factors underlying the specific symptoms of these disorders will be crucial for improving diagnosis, intervention and treatment. In case-control data consisting of 53,555 cases (20,129 BD, 33,426 SCZ) and 54,065 controls, we identified 114 genome-wide significant loci (GWS) when comparing all cases to controls, of which 41 represented novel findings. Two genome-wide significant loci were identified when comparing SCZ to BD and a third was found when directly incorporating functional information. Regional joint association identified a genomic region of overlapping association in BD and SCZ with disease-independent causal variants indicating a fourth region contributing to differences between these disorders. Regional SNP-heritability analyses demonstrated that the estimated heritability of BD based on the SCZ GWS regions was significantly higher than that based on the average genomic region (91 regions, p = 1.2x10-6) while the inverse was not significant (19 regions, p=0.89). Using our BD and SCZ GWAS we calculated polygenic risk scores and identified several significant correlations with: 1) SCZ subphenotypes: negative symptoms (SCZ, p=3.6x10-6) and manic symptoms (BD, p=2x10-5), 2) BD subphenotypes: psychotic features (SCZ p=1.2x10-10, BD p=5.3x10-5) and age of onset (SCZ p=7.9x10-4). Finally, we show that psychotic features in BD has significant SNP-heritability (h2snp=0.15, SE=0.06), and a significant genetic correlation with SCZ (rg=0.34) in addition there is a significant sign test result between SCZ GWAS and a GWAS of BD cases contrasting those with and without psychotic features (p=0.0038, one-side binomial test). For the first time, we have identified specific loci pointing to a potential role of 4 genes (DARS2, ARFGEF2, DCAKD and GATAD2A) that distinguish between BD and SCZ, providing an opportunity to understand the biology contributing to clinical differences of these disorders. Our results provide the best evidence so far of genomic components distinguishing between BD and SCZ that contribute directly to specific symptom dimensions.

Background: Schizophrenia (SZ) and bipolar disorders (BD) share substantial neurodevelopmental components affecting brain maturation and architecture. This necessitates a dynamic lifespan perspective in which brain aberrations are inferred from deviations from expected lifespan trajectories. We applied machine learning to diffusion tensor imaging (DTI) indices of white matter structure and organization to estimate and compare brain age between patients with SZ, BD, and healthy controls across 10 cohorts. Methods: We trained six cross-validated models using different combinations of DTI data from 927 healthy controls (HC, 18-94 years), and applied the models to the test sets including 648 SZ (18-66 years) patients, 185 BD patients (18-64 years), and 990 HC (17-68 years), estimating brain age for each participant. Group differences were assessed using linear models, accounting for age, sex, and scanner. A meta-analytic framework was applied to assess the heterogeneity and generalizability of the results. Results: 10-fold cross-validation revealed high accuracy for all models. Compared to controls, the model including all feature sets significantly over-estimated the age of patients with SZ (d=-.29) and BD (d=.18), with similar effects for the other models. The meta-analysis converged on the same findings. Fractional anisotropy (FA) based models showed larger group differences than the models based on other DTI-derived metrics. Conclusions: Brain age prediction based on DTI provides informative and robust proxies for brain white matter integrity. Our results further suggest that white matter aberrations in SZ and BD primarily consist of anatomically distributed deviations from expected lifespan trajectories that generalize across cohorts and scanners.### Competing Interest StatementHugdahl owns shares in NordicNeuroLab, Inc, which produced add-on hardware for acquisition of data at the Bergen site.

The radial unit hypothesis provides a framework for global (proliferation) and regional (distribution) expansion of the primate cerebral cortex. Using principal component analysis (PCA), we have identified cortical regions with shared variance in their surface area and cortical thickness, respectively, segmented from magnetic resonance images obtained in 23,800 participants. We then carried out meta-analyses of genome-wide association studies of the first two principal components for each phenotype. For surface area (but not cortical thickness), we have detected strong associations between each of the components and single nucleotide polymorphisms in a number of gene loci. The first (global) component was associated mainly with loci on chromosome 17 (9.5e-32 ≤ p ≤ 2.8e-10), including those detected previously as linked with intracranial volume and/or general cognitive function. The second (regional) component captured shared variation in the surface area of the primary and adjacent secondary visual cortices and showed a robust association with polymorphisms in a locus on chromosome 14 containing Disheveled Associated Activator of Morphogenesis 1 ( DAAM1 ; p =2.4e-34). DAAM1 is a key component in the planar-cell-polarity signaling pathway. In follow-up studies, we have focused on the latter finding and established that: (1) DAAM1 is highly expressed between 12th and 22nd post-conception weeks in the human cerebral cortex; (2) genes co-expressed with DAAM1 in the primary visual cortex are enriched in mitochondria-related pathways; and (3) volume of the lateral geniculate nucleus, which projects to regions of the visual cortex staining for cytochrome oxidase (a mitochondrial enzyme), correlates with the surface area of the visual cortex in major-allele homozygotes but not in carriers of the minor allele. Altogether, we speculate that, in concert with thalamocortical input to cortical subplate, DAAM1 enables migration of neurons to cytochrome-oxidase rich regions of the visual cortex, and, in turn, facilitates regional expansion of this set of cortical regions during development.

Abstract Mechanisms underpinning age-related variations in cortical thickness in the human brain remain poorly understood. We investigated whether inter-regional age-related variations in cortical thinning (in a multicohort neuroimaging dataset from the ENIGMA Lifespan Working Group totalling 14,248 individuals, aged 4-89 years) depended on cell-specific marker gene expression levels. We found differences amidst early-life (<20 years), mid-life (20-60 years), and late-life (>60 years) in the patterns of association between inter-regional profiles of cortical thickness and expression profiles of marker genes for CA1 and S1 pyramidal cells, astrocytes, and microglia. Gene ontology and enrichment analyses indicated that each of the three life-stages was associated with different biological processes and cellular components: synaptic modeling in early life, neurotransmission in mid-life, and neurodegeneration in late-life. These findings provide mechanistic insights into age-related cortical thinning during typical development and aging.

Abstract Corticostriatal projections form the input level of a circuitry that connects the cerebral cortex, basal ganglia, and thalamus. Three distinct, functional subcircuits exist according to the tripartite model: Sensorimotor cortices projecting mainly to the dorsolateral striatum; associative cortices projecting to the dorsomedial striatum and limbic cortices projecting to the ventral striatum. However, there is to date no atlas that allows researchers to label cortical projection areas belonging to each of these subcircuits separately. To address this research gap, the aim of this study was threefold: First, to systematically review anatomical tracing studies that focused on corticostriatal projections in non-human primates, and to classify their findings according to the tripartite model. Second, to develop an atlas of the human cerebral cortex based on this classification. Third, to test the hypothesis that labels in this atlas show structural connectivity with specific striatal subregions in humans using diffusion-based tractography in a sample of 24 healthy participants. In total, 98 studies met the inclusion criteria for our systematic review. Information about projections from the cortex to the striatum was systematically extracted by Brodmann area, and cortical areas were classified by their dominant efferent projections. Taking known homological and functional similarities and differences between non-human primate and human cortical regions into account, a new human corticostriatal projection (CSP) atlas was developed. Using human diffusion-based tractography analyses, we found that the limbic and sensorimotor atlas labels showed preferential structural connectivity with the ventral and dorsolateral striatum, respectively. However, the pattern of structural connectivity for the associative label showed the greatest degree of overlap with other labels. We provide this new atlas as a freely available tool for neuroimaging studies, where it allows for the first-time delineation of anatomically informed regions-of-interest to study functional subcircuits within the corticostriatal circuitry. This tool will enable specific investigations of subcircuits involved in the pathogenesis of neuropsychiatric illness such as schizophrenia and bipolar disorders. Highlights - Systematic review of anatomical projections from the cerebral cortex to the striatum in non-human primates. - Development of a novel cortical atlas for use in neuroimaging studies focusing on the corticostriatal brain circuitry. - Tractography in human diffusion-weighted imaging data to test if associative, limbic, and sensorimotor cortical atlas labels show preferential connectivity to regions within the striatum.

White matter abnormalities are well-established in adult patients with psychosis. Yet less is known about changes in early onset psychosis (EOP) during adolescence, especially whether antipsychotic medication might impact white matter microstructure in this sensitive phase. Here, we utilized Magnetic Resonance Imaging (MRI) in unmedicated and medicated adolescent EOP patients in comparison to healthy controls to examine the impact of antipsychotic medication status on indices of white matter microstructure. Twenty-two EOP patients (11 unmedicated) and 33 healthy controls, aged between 12-18 years, underwent 3T diffusion-weighted MRI. Using Tract-based Spatial Statistics, we calculate case-control differences in scalar diffusion measures, i.e. fractional anisotropy (FA), axial diffusion (AD) and radial diffusion (RD), and investigated their association with antipsychotic medication. We found significantly lower mean FA and AD in largely overlapping areas, particularly in left anterior corona radiata (ACR), in EOP patients relative to healthy controls. Mean FA in the left ACR was significantly associated with antipsychotic medication status (t = 2.991, p = 0.008, R2 = 0.298), showing higher FA values in medicated compared to unmedicated EOP patients. The present study is the first to link antipsychotic medication status to altered regional FA in the left ACR, a region being discussed to contribute to the etiology of psychosis. Yet, further work with larger samples is needed to draw firm conclusions about putatively enhancing effects of antipsychotic medication on white matter microstructure early in the disease process.