Abstract Hemispheric asymmetry is a cardinal feature of human brain organization. Altered brain asymmetry has also been linked to some cognitive and neuropsychiatric disorders. Here the ENIGMA consortium presents the largest ever analysis of cerebral cortical asymmetry and its variability across individuals. Cortical thickness and surface area were assessed in MRI scans of 17,141 healthy individuals from 99 datasets worldwide. Results revealed widespread asymmetries at both hemispheric and regional levels, with a generally thicker cortex but smaller surface area in the left hemisphere relative to the right. Regionally, asymmetries of cortical thickness and/or surface area were found in the inferior frontal gyrus, transverse temporal gyrus, parahippocampal gyrus, and entorhinal cortex. These regions are involved in lateralized functions, including language and visuospatial processing. In addition to population-level asymmetries, variability in brain asymmetry was related to sex, age, and brain size (indexed by intracranial volume). Interestingly, we did not find significant associations between asymmetries and handedness. Finally, with two independent pedigree datasets ( N = 1,443 and 1,113, respectively), we found several asymmetries showing modest but highly reliable heritability. The structural asymmetries identified, and their variabilities and heritability provide a reference resource for future studies on the genetic basis of brain asymmetry and altered laterality in cognitive, neurological, and psychiatric disorders. Significance Statement Left-right asymmetry is a key feature of the human brain's structure and function. It remains unclear which cortical regions are asymmetrical on average in the population, and how biological factors such as age, sex and genetic variation affect these asymmetries. Here we describe by far the largest ever study of cerebral cortical brain asymmetry, based on data from 17,141 participants. We found a global anterior-posterior 'torque' pattern in cortical thickness, together with various regional asymmetries at the population level, which have not been previously described, as well as effects of age, sex, and heritability estimates. From these data, we have created an on-line resource that will serve future studies of human brain anatomy in health and disease.

Abstract We report on MRi-Share, a multi-modal brain MRI database acquired in a unique sample of 1,870 young healthy adults, aged 18 to 35 years, while undergoing university-level education. MRi-Share contains structural (T1 and FLAIR), diffusion (multispectral), susceptibility weighted (SWI), and resting-state functional imaging modalities. Here, we described the contents of these different neuroimaging datasets and the processing pipelines used to derive brain phenotypes, as well as how quality control was assessed. In addition, we present preliminary results on associations of some of these brain image-derived phenotypes at the whole brain level with both age and sex, in the subsample of 1,722 individuals aged less than 26 years. We demonstrate that the post-adolescence period is characterized by changes in both structural and microstructural brain phenotypes. Grey matter cortical thickness, surface area and volume were found to decrease with age, while white matter volume shows increase. Diffusivity, either radial or axial, was found to robustly decrease with age whereas fractional anisotropy only slightly increased. As for the neurite orientation dispersion and densities, both were found to increase with age. The isotropic volume fraction also showed a slight increase with age. These preliminary findings emphasize the complexity of changes in brain structure and function occurring in this critical period at the interface of late maturation and early aging.

Abstract With the advances in diffusion MRI and tractography, numerous atlases of the human pyramidal tract (PyT) have been proposed but the inherent limitation of tractography to resolve crossing bundles within the centrum semiovale have so far prevented the complete description of the most lateral PyT projections. Here, we combined a precise manual positioning of individual subcortical regions of interest along the descending pathway of the PyT with a new bundle-specific tractography algorithm. This later is based on anatomical priors to improve streamlines tracking in crossing areas. We then extracted both left and right PyT in a large cohort of 410 healthy participants and built a population-based atlas of the whole-fanning PyT with a complete description of its most cortico-lateral projections. Clinical applications are envisaged, the whole-fanning PyT atlas being likely a better marker of corticospinal integrity metrics than those currently used within the frame of prediction of post-stroke motor recovery. The present population-based PyT, freely available, provides an interesting tool for clinical applications in order to locate specific PyT damage and its impact to the short and long-term motor recovery after stroke.

Abstract Roughly 10% of the human population is left-handed, and this rate is increased in some brain-related disorders. The neuroanatomical correlates of hand preference have remained equivocal. We re-sampled structural brain image data from 28,802 right-handers and 3,062 left-handers (UK Biobank population dataset) to a symmetrical surface template, and mapped asymmetries for each of 8,681 vertices across the cerebral cortex in each individual. Left-handers and right-handers showed average differences of surface area asymmetry within fusiform, anterior insular, anterior-middle-cingulate and precentral cortex. Meta-analyzed functional imaging data implicated these regions in executive functions and language. Polygenic disposition to left-handedness was associated with two of these regional asymmetries, and 18 loci previously linked with left-handedness by genome-wide screening showed associations with one or more of these asymmetries. Implicated genes included six encoding microtubule-related proteins: TUBB, TUBA1B, TUBB3, TUBB4A, MAP2 and NME7 – the latter is mutated in left-right reversal of the visceral organs. There were also two cortical regions where average thickness asymmetry was altered in left-handedness: on the postcentral gyrus and inferior occipital cortex, functionally annotated with hand sensorimotor and visual roles. These cortical thickness asymmetries were not heritable. Heritable surface area asymmetries of language-related regions may link the etiologies of hand preference and language, whereas non-heritable asymmetries of sensorimotor cortex may manifest as consequences of hand preference.

Abstract Human brain white matter undergoes a protracted maturation that continues well into adulthood. Recent advances in diffusion-weighted imaging (DWI) methods allow detailed characterizations of the microstructural architecture of white matter, and they are increasingly utilised to study white matter changes during development and ageing. However, relatively little is known about the late maturational changes in the microstructural architecture of white matter during post-adolescence. Here we report on regional changes in white matter volume and microstructure in young adults undergoing university-level education. As part of the MRi-Share multi-modal brain MRI database, multi-shell, high angular resolution DWI data were acquired in a unique sample of 1,713 university students aged 18 to 26. We assessed the age and sex dependence, as well as hemispheric asymmetry of diffusion metrics derived from diffusion tensor imaging (DTI) and neurite orientation dispersion and density imaging (NODDI), in the white matter regions as defined in the John Hopkins University (JHU) white matter labels atlas. We demonstrate that while regional white matter volume is relatively stable over the age range of our sample, the white matter microstructural properties show clear age-related variations. Globally, it is characterised by a robust increase in neurite density index (NDI), and to a lesser extent, orientation dispersion index (ODI). These changes are accompanied by a decrease in diffusivity. In contrast, there is minimal age-related variation in fractional anisotropy. There are regional variations in these microstructural changes: some tracts, most notably cingulum bundles, show a strong age-related increase in NDI coupled with decreases in radial and mean diffusivity, while others, mainly cortico-spinal projection tracts, primarily show an ODI increase and axial diffusivity decrease. These age-related variations are not different between males and females, but males show higher NDI and ODI and lower diffusivity than females across many tracts. We also report a robust hemispheric asymmetry in both the volume and microstructural properties in many regions. These findings emphasise the complexity of changes in white matter structure occurring in this critical period of late maturation in early adulthood.

Abstract We herein propose an atlas of 32 sentence-related areas based on a 3-step method combining the analysis of activation and asymmetry during multiple language tasks with hierarchical clustering of resting-state connectivity and graph analyses. 144 healthy right-handers performed fMRI runs based on language production, reading and listening, both with sentences and lists of over-learned words. Sentence minus word-list BOLD contrast and left-minus-right BOLD asymmetry for each task were computed in pairs of homotopic regions of interest (hROIs) from the AICHA atlas. Thirty-two hROIs were identified that were conjointly activated and leftward asymmetrical in each of the 3 language contrasts. Analysis of resting- state temporal correlations of BOLD variations between these 32 hROIs allowed the segregation of a core network, SENT_CORE including 18 hROIs. Resting-state graph analysis applied to SENT_CORE hROIs revealed that the pars triangularis of the inferior frontal gyrus and the superior temporal sulcus were hubs based on their degree centrality, betweenness, and participation values, corresponding to epicentres of sentence processing. Positive correlations between DC and BOLD activation values for SENT_CORE hROIs were observed across individuals and across regions regardless of the task: the more a SENT_CORE area is connected at rest the stronger it is activated during sentence processing. DC measurements in SENT_CORE may thus be a valuable index for the evaluation of inter-individual variations in language areas functional activity in relation to anatomical or clinical patterns in large populations. SENSAAS (SENtence Supramodal Areas AtlaS), comprising the 32 supramodal sentence areas, including SENT-CORE network, can be downloaded at http://www.gin.cnrs.fr/en/tools/ .

ABSTRACT The cortical ribbon changes throughout a person’s lifespan, with the most significant changes occurring during crucial development and aging periods. Changes during adulthood are rarely investigated due to the scarcity of neuroimaging data during this period. After childhood, the brain loses gray matter, which is evidenced by an apparent reduction in cortical thickness (CT); one factor of this thinning process is intense ongoing intracortical myelination (MYEL). Here, we report age-related changes in CT, MYEL, and their ratio in 447 participants aged 18 to 57 years (BIL&GIN cohort). We propose the CT/MYEL ratio to be a multimodal cortical maturation index (MATUR) capable of reflecting 1) stages during which CT and MYEL patterns diverge and 2) the regional differences in cortical maturation that occur in adulthood. Age mainly decreased CT in all cortical regions, with larger reductions occurring in the bilateral insular lobes, temporal and frontal poles, and cingulate cortices. Age led to a linear increase in MYEL in the entire cortex and larger increases in the primary motor, auditory, and visual cortices. The effects of age on the MATUR index were characterized by both linear and quadratic components. The linear component mimicked the pattern found in CT, with 1) a robust amplification of the global and regional effects of age on CT and 2) evidence of new bilateral linear decreases in the frontal and cortical cortices. Most importantly, age exhibited additional large quadratic effects on the MATUR index in the bilateral frontal (more prominent in the right hemisphere), parietal, temporal, and cingulate regions that were not highlighted by the CT metric. Thus, the MATUR index was more sensitive to age-related cortical structural changes during adulthood than was either CT or MYEL alone. As evidenced by the large quadratic component of the effect of age, the newly proposed maturation index dramatically improved the characterization of the regional cortical territories, uncovering the latest brain maturation steps that occur before stabilization and deterioration occur in mid- and late adulthood.

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.

Over the past 25 years, neuroimaging has become a ubiquitous tool in basic research and clinical studies of the human brain. However, there are no reference standards against which to anchor measures of individual differences in brain morphology, in contrast to growth charts for traits such as height and weight. Here, we built an interactive online resource (www.brainchart.io) to quantify individual differences in brain structure from any current or future magnetic resonance imaging (MRI) study, against models of expected age-related trends. With the goal of basing these on the largest and most inclusive dataset, we aggregated MRI data spanning 115 days post-conception through 100 postnatal years, totaling 122,123 scans from 100,071 individuals in over 100 studies across 6 continents. When quantified as centile scores relative to the reference models, individual differences show high validity with non-MRI brain growth estimates and high stability across longitudinal assessment. Centile scores helped identify previously unreported brain developmental milestones and demonstrated increased genetic heritability compared to non-centiled MRI phenotypes. Crucially for the study of brain disorders, centile scores provide a standardised and interpretable measure of deviation that reveals new patterns of neuroanatomical differences across neurological and psychiatric disorders emerging during development and ageing. In sum, brain charts for the human lifespan are an essential first step towards robust, standardised quantification of individual variation and for characterizing deviation from age-related trends. Our global collaborative study provides such an anchorpoint for basic neuroimaging research and will facilitate implementation of research-based standards in clinical studies.