Abstract Alterations in regional subcortical brain volumes have been widely investigated as part of the efforts of an international consortium, ENIGMA, to determine reliable structural brain signatures for Major Depressive Disorder (MDD). Given that subcortical structures are comprised of distinct subfields, we sought to build significantly from prior work to precisely map localized MDD-related differences in subcortical regions using shape analysis. In this meta-analysis of subcortical shape from the ENIGMA-MDD working group, we compared 1,781 patients with MDD and 2,953 healthy controls (CTL) on individual measures of shape metrics (thickness and surface area) on the surface of seven bilateral subcortical structures: nucleus accumbens, amygdala, caudate, hippocampus, pallidum, putamen, and thalamus. Harmonized data processing and statistical analyses were conducted locally at each site, and findings were aggregated by meta-analysis. Relative to CTL, patients with MDD had lower surface area in the subiculum of the hippocampus, the basolateral amygdala, and the nucleus accumbens shell. Relative to CTL, patients with adolescent-onset MDD (≤ 21 years) had lower thickness and surface area of the subiculum of the hippocampus and the basolateral amygdala. Relative to first-episode MDD, recurrent MDD patients had lower thickness and surface area in the CA1 of the hippocampus and the basolateral amygdala. Our results suggest that previously reported MDD-associated volumetric differences may be localized to specific subfields of these structures that have been shown to be sensitive to the effects of stress, with important implications for mapping treatments to patients based on specific neural targets and key clinical features.

Abstract Executive functioning is a higher-order cognitive process that is thought to depend on a brain network organization facilitating network integration across specialized subnetworks. The frontoparietal network (FPN), a subnetwork that has diverse connections to other brain modules, seems pivotal to this integration, and a more central role of regions in the FPN has been related to better executive functioning. Brain networks can be constructed using different modalities: diffusion MRI (dMRI) can be used to reconstruct structural networks, while resting-state fMRI (rsfMRI) and magnetoencephalography (MEG) yield functional networks. These networks are often studied in a unimodal way, which cannot capture potential complementary or synergistic modal information. The multilayer framework is a relatively new approach that allows for the integration of different modalities into one ‘network of networks’. It has already yielded promising results in the field of neuroscience, having been related to e.g. cognitive dysfunction in Alzheimer’s disease. Multilayer analyses thus have the potential to help us better understand the relation between brain network organization and executive functioning. Here, we hypothesized a positive association between centrality of the FPN and executive functioning, and we expected that multimodal multilayer centrality would supersede unilayer centrality in explaining executive functioning. We used dMRI, rsfMRI, MEG, and neuropsychological data obtained from 33 healthy adults (age range 22-70 years) to construct eight modality-specific unilayer networks (dMRI, fMRI, and six MEG frequency bands), as well as a multilayer network comprising all unilayer networks. Interlayer links in the multilayer network were present only between a node’s counterpart across layers. We then computed and averaged eigenvector centrality of the nodes within the FPN for every uni- and multilayer network and used multiple regression models to examine the relation between uni- or multilayer centrality and executive functioning. We found that higher multilayer FPN centrality, but not unilayer FPN centrality, was related to better executive functioning. To further validate multilayer FPN centrality as a relevant measure, we assessed its relation with age. Network organization has been shown to change across the life span, becoming increasingly efficient up to middle age and regressing to a more segregated topology at higher age. Indeed, the relation between age and multilayer centrality followed an inverted-U shape. These results show the importance of FPN integration for executive functioning as well as the value of a multilayer framework in network analyses of the brain. Multilayer network analysis may particularly advance our understanding of the interplay between different brain network aspects in clinical populations, where network alterations differ across modalities. Highlights: Multimodal neuroimaging and neurophysiology data were collected in healthy adults Multilayer frontoparietal centrality was positively associated with executive functioning Unilayer (unimodal) centralities were not associated with executive functioning There was an inverted-U relationship between multilayer centrality and age

Abstract Results of neuroimaging datasets aggregated from multiple sites may be biased by site- specific profiles in participants’ demographic and clinical characteristics, as well as MRI acquisition protocols and scanning platforms. We compared the impact of four different harmonization methods on results obtained from analyses of cortical thickness data: (1) linear mixed-effects model (LME) that models site-specific random intercepts (LME INT ), (2) LME that models both site-specific random intercepts and age-related random slopes (LME INT+SLP ), (3) ComBat, and (4) ComBat with a generalized additive model (ComBat-GAM). Our test case for comparing harmonization methods was cortical thickness data aggregated from 29 sites, which included 1,343 cases with posttraumatic stress disorder (PTSD) (6.2-81.8 years old) and 2,067 trauma-exposed controls without PTSD (6.3-85.2 years old). We found that, compared to the other data harmonization methods, data processed with ComBat-GAM were more sensitive to the detection of significant case-control differences in regional cortical thickness ( X 2 (3) = 34.339, p < 0.001), and case-control differences in age-related cortical thinning ( X 2 (3) = 15.128, p = 0.002). Specifically, ComBat-GAM led to larger effect size estimates of cortical thickness reductions (corrected p-values < 0.001 ), smaller age-appropriate declines (corrected p-values < 0.001 ), and lower female to male contrast (corrected p-values < 0.001 ) in cases compared to controls relative to other harmonization methods. Harmonization with ComBat-GAM also led to greater estimates of age-related declines in cortical thickness (corrected p-values < 0.001 ) in both cases and controls compared to other harmonization methods. Our results support the use of ComBat-GAM for harmonizing cortical thickness data aggregated from multiple sites and scanners to minimize confounds and increase statistical power.

A bstract It is increasingly recognized that multiple psychiatric conditions are underpinned by shared neural pathways, affecting similar brain systems. Here, we assessed i) shared dimensions of alterations in cortical morphology across six major psychiatric conditions (autism spectrum disorder, attention deficit/hyperactivity disorder, major depression, obsessive-compulsive disorder, bipolar disorder, schizophrenia) and ii) carried out a multiscale neural contextualization, by cross-referencing shared anomalies against cortical myeloarchitecture and cytoarchitecture, as well as connectome and neurotransmitter organization. Pooling disease-related effects on MRI-based cortical thickness measures across six ENIGMA working groups, including a total of 28,546 participants (12,876 patients and 15,670 controls), we computed a shared disease dimension on cortical morphology using principal component analysis that described a sensory-fugal pattern with paralimbic regions showing the most consistent abnormalities across conditions. The shared disease dimension was closely related to cortical gradients of microstructure and intrinsic connectivity, as well as neurotransmitter systems, specifically serotonin and dopamine. Our findings embed the shared effects of major psychiatric conditions on brain structure in multiple scales of brain organization and may provide novel insights into neural mechanisms into transdiagnostic vulnerability.

ABSTRACT Background Several studies have evaluated whether depressed persons have older appearing brains than their nondepressed peers. However, the estimated neuroimaging-derived “brain age gap” has varied from study to study, likely driven by differences in training and testing sample (size), age range, and used modality/features. To validate our previously developed ENIGMA brain age model and the identified brain age gap, we aim to replicate the presence and effect size estimate previously found in the largest study in depression to date (N=2,126 controls & N=2,675 cases; +1.08 years [SE 0.22], Cohen’s d=0.14, 95% CI: 0.08-0.20), in independent cohorts that were not part of the original study. Methods A previously trained brain age model ( www.photon-ai.com/enigma_brainage ) based on 77 FreeSurfer brain regions of interest was used to obtain unbiased brain age predictions in 751 controls and 766 persons with depression (18-75 years) from 13 new cohorts collected from 20 different scanners. Results Our ENIGMA MDD brain age model generalized reasonably well to controls from the new cohorts (predicted age vs. age: r = 0.73, R 2 =0.47, MAE=7.50 years), although the performance varied from cohort to cohort. In these new cohorts, on average, depressed persons showed a significantly higher brain age gap of +1 year (SE 0.35) (Cohen’s d□=□□.15, 95% CI: 0.05–0.25) compared with controls, highly similar to our previous finding. Conclusions This study further validates our previously developed ENIGMA brain age algorithm. Importantly, we replicated the brain age gap in depression with a comparable effect size. Thus, two large-scale independent mega-analyses across in total 32 cohorts and >3,400 patients and >2,800 controls worldwide show reliable but subtle effects of brain aging in adult depression.

Abstract Numerous brain disorders demonstrate structural brain abnormalities, which are thought to arise from molecular perturbations or connectome miswiring. The unique and shared contributions of these molecular and connectomic vulnerabilities to brain disorders remain unknown, and has yet to be studied in a single multi-disorder framework. Using MRI morphometry from the ENIGMA consortium, we construct maps of cortical abnormalities for thirteen neurodevelopmental, neurological, and psychiatric disorders from N = 21 000 patients and N = 26 000 controls, collected using a harmonized processing protocol. We systematically compare cortical maps to multiple micro-architectural measures, including gene expression, neurotransmitter density, metabolism, and myelination (molecular vulnerability), as well as global connectomic measures including number of connections, centrality, and connection diversity (connectomic vulnerability). We find that regional molecular vulnerability and macroscale brain network architecture interact to drive the spatial patterning of cortical abnormalities in multiple disorders. Local attributes, particularly neurotransmitter receptor profiles, constitute the best predictors of both disorder-specific cortical morphology and cross-disorder similarity. Finally, we find that cross-disorder abnormalities are consistently subtended by a small subset of network epicentres in bilateral sensory-motor, medial temporal lobe, precuneus, and superior parietal cortex. Collectively, our results highlight how local biological attributes and global connectivity jointly shape cross-disorder cortical abnormalities.

Abstract Introduction Cortical thickness (CT) and surface area (SA) are established biomarkers of brain pathology in posttraumatic stress disorder (PTSD). Structural covariance networks (SCN) constructed from CT and SA may represent developmental associations, or unique interactions between brain regions, possibly influenced by a common causal antecedent. The ENIGMA-PGC PTSD Working Group aggregated PTSD and control subjects’ data from 29 cohorts in five countries (n=3439). Methods Using Destrieux Atlas, we built SCNs and compared centrality measures between PTSD subjects and controls. Centrality is a graph theory measure derived using SCN. Results Notable nodes with higher CT-based centrality in PTSD compared to controls were left fusiform gyrus, left superior temporal gyrus, and right inferior temporal gyrus. We found sex-based centrality differences in bilateral frontal lobe regions, left anterior cingulate, left superior occipital cortex and right ventromedial prefrontal cortex (vmPFC). Comorbid PTSD and MDD showed higher CT-based centrality in the right anterior cingulate gyrus, right parahippocampal gyrus and lower SA-based centrality in left insular gyrus. Conclusion Unlike previous studies with smaller sample sizes (≤318), our study found differences in centrality measures using a sample size of 3439 subjects. This is the first cross-sectional study to examine SCN interactions with age, sex, and comorbid MDD. Although limited to group level inferences, centrality measures offer insights into a node’s relationship to the entire functional connectome unlike approaches like seed-based connectivity or independent component analysis. Nodes having higher centrality have greater structural or functional connections, lending them invaluable for translational treatments like neuromodulation.

Abstract Age has a major effect on brain volume. However, the normative studies available are constrained by small sample sizes, restricted age coverage and significant methodological variability. These limitations introduce inconsistencies and may obscure or distort the lifespan trajectories of brain morphometry. In response, we capitalised on the resources of the Enhancing Neuroimaging Genetics through Meta-Analysis (ENIGMA) Consortium to examine the age-related morphometric trajectories of the ventricles, the basal ganglia (caudate, putamen, pallidum, and nucleus accumbens), the thalamus, hippocampus and amygdala using magnetic resonance imaging data obtained from 18,605 individuals aged 3-90 years. All subcortical structure volumes were at their maximum early in life; the volume of the basal ganglia showed a gradual monotonic decline thereafter while the volumes of the thalamus, amygdala and the hippocampus remained largely stable (with some degree of decline in thalamus) until the sixth decade of life followed by a steep decline thereafter. The lateral ventricles showed a trajectory of continuous enlargement throughout the lifespan. Significant age-related increase in inter-individual variability was found for the hippocampus and amygdala and the lateral ventricles. These results were robust to potential confounders and could be used to derive risk predictions for the early identification of diverse clinical phenotypes.

Abstract Social anxiety disorder (SAD) has been associated with alterations in amygdala and hippocampal volume but there is mixed evidence for the direction of volumetric alterations. Additionally, little is known about the involvement of the distinct subfields in the pathophysiology of SAD. Volumetric data from a large multi-centre sample of 107 adult individuals with SAD and 140 healthy controls (HCs) was segmented using FreeSurfer to produce 9 amygdala and 12 hippocampal subfield volumes. Volumes were compared between groups using linear mixed-effects models adjusted for age, age-squared, sex, site and whole amygdala and hippocampal volumes. Subgroup analyses examined subfield volumes in relation to comorbid anxiety disorder, and comorbid major depressive disorder (MDD), psychotropic medication status, and symptom severity. In the full sample, SAD was associated with smaller amygdala volumes in the basal ( d=- 0.32, p FDR =0.022), accessory basal ( d=- 0.42, p FDR =0.005) and corticoamygdaloid transition area ( d=- 0.37, p FDR =0.014), and larger hippocampal volume in the CA3 ( d= 0.34, p FDR =0.024), CA4 ( d= 0.44, p FDR =0.007), dentate gyrus ( d= 0.35, p FDR =0.022) and molecular layer ( d= 0.28, p FDR = 0.033), compared to HCs. SAD without comorbid anxiety, in addition, demonstrated smaller lateral amygdala ( d=- 0.30, p FDR =0.037) and hippocampal amygdala transition area ( d=- 0.33, p FDR =0.027) relative to HCs. In SAD without comorbid MDD, only the smaller accessory basal amygdala remained significant ( d=- 0.41, p FDR =0.017). No association was found between subfield volume and medication status or symptom severity. In conclusion, we observed distinct patterns of volumetric differences across specific amygdala and hippocampal subfields, regions that are associated with sensory information processing, threat evaluation and fear generalization. These findings suggest a possible disruption in information flow between the amygdala and hippocampal formation for fear processing in SAD.

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.