Neural connections, providing the substrate for functional networks, exist whether or not they are functionally active at any given moment. However, it is not known to what extent brain regions are continuously interacting when the brain is "at rest." In this work, we identify the major explicit activation networks by carrying out an image-based activation network analysis of thousands of separate activation maps derived from the BrainMap database of functional imaging studies, involving nearly 30,000 human subjects. Independently, we extract the major covarying networks in the resting brain, as imaged with functional magnetic resonance imaging in 36 subjects at rest. The sets of major brain networks, and their decompositions into subnetworks, show close correspondence between the independent analyses of resting and activation brain dynamics. We conclude that the full repertoire of functional networks utilized by the brain in action is continuously and dynamically "active" even when at "rest."

The highly complex structure of the human brain is strongly shaped by genetic influences. Subcortical brain regions form circuits with cortical areas to coordinate movement, learning, memory and motivation, and altered circuits can lead to abnormal behaviour and disease. To investigate how common genetic variants affect the structure of these brain regions, here we conduct genome-wide association studies of the volumes of seven subcortical regions and the intracranial volume derived from magnetic resonance images of 30,717 individuals from 50 cohorts. We identify five novel genetic variants influencing the volumes of the putamen and caudate nucleus. We also find stronger evidence for three loci with previously established influences on hippocampal volume and intracranial volume. These variants show specific volumetric effects on brain structures rather than global effects across structures. The strongest effects were found for the putamen, where a novel intergenic locus with replicable influence on volume (rs945270; P = 1.08 × 10(-33); 0.52% variance explained) showed evidence of altering the expression of the KTN1 gene in both brain and blood tissue. Variants influencing putamen volume clustered near developmental genes that regulate apoptosis, axon guidance and vesicle transport. Identification of these genetic variants provides insight into the causes of variability in human brain development, and may help to determine mechanisms of neuropsychiatric dysfunction.

Paul Thompson and colleagues report a genome-wide association study for hippocampal, intracranial and total brain volume. They identify a locus at 12q24 associated with hippocampal volume and a locus at 12q14 associated with intracranial volume. Identifying genetic variants influencing human brain structures may reveal new biological mechanisms underlying cognition and neuropsychiatric illness. The volume of the hippocampus is a biomarker of incipient Alzheimer's disease1,2 and is reduced in schizophrenia3, major depression4 and mesial temporal lobe epilepsy5. Whereas many brain imaging phenotypes are highly heritable6,7, identifying and replicating genetic influences has been difficult, as small effects and the high costs of magnetic resonance imaging (MRI) have led to underpowered studies. Here we report genome-wide association meta-analyses and replication for mean bilateral hippocampal, total brain and intracranial volumes from a large multinational consortium. The intergenic variant rs7294919 was associated with hippocampal volume (12q24.22; N = 21,151; P = 6.70 × 10−16) and the expression levels of the positional candidate gene TESC in brain tissue. Additionally, rs10784502, located within HMGA2, was associated with intracranial volume (12q14.3; N = 15,782; P = 1.12 × 10−12). We also identified a suggestive association with total brain volume at rs10494373 within DDR2 (1q23.3; N = 6,500; P = 5.81 × 10−7).

Abstract The second iteration of the Autism Brain Imaging Data Exchange (ABIDE II) aims to enhance the scope of brain connectomics research in Autism Spectrum Disorder (ASD). Consistent with the initial ABIDE effort (ABIDE I), that released 1112 datasets in 2012, this new multisite open-data resource is an aggregate of resting state functional magnetic resonance imaging (MRI) and corresponding structural MRI and phenotypic datasets. ABIDE II includes datasets from an additional 487 individuals with ASD and 557 controls previously collected across 16 international institutions. The combination of ABIDE I and ABIDE II provides investigators with 2156 unique cross-sectional datasets allowing selection of samples for discovery and/or replication. This sample size can also facilitate the identification of neurobiological subgroups, as well as preliminary examinations of sex differences in ASD. Additionally, ABIDE II includes a range of psychiatric variables to inform our understanding of the neural correlates of co-occurring psychopathology; 284 diffusion imaging datasets are also included. It is anticipated that these enhancements will contribute to unraveling key sources of ASD heterogeneity.

Autism spectrum disorders (ASD) are a heterogeneous group of neurodevelopmental disorders with a complex inheritance pattern. While many rare variants in synaptic proteins have been identified in patients with ASD, little is known about their effects at the synapse and their interactions with other genetic variations. Here, following the discovery of two de novo SHANK2 deletions by the Autism Genome Project, we identified a novel 421 kb de novo SHANK2 deletion in a patient with autism. We then sequenced SHANK2 in 455 patients with ASD and 431 controls and integrated these results with those reported by Berkel et al. 2010 (n = 396 patients and n = 659 controls). We observed a significant enrichment of variants affecting conserved amino acids in 29 of 851 (3.4%) patients and in 16 of 1,090 (1.5%) controls (P = 0.004, OR = 2.37, 95% CI = 1.23–4.70). In neuronal cell cultures, the variants identified in patients were associated with a reduced synaptic density at dendrites compared to the variants only detected in controls (P = 0.0013). Interestingly, the three patients with de novo SHANK2 deletions also carried inherited CNVs at 15q11–q13 previously associated with neuropsychiatric disorders. In two cases, the nicotinic receptor CHRNA7 was duplicated and in one case the synaptic translation repressor CYFIP1 was deleted. These results strengthen the role of synaptic gene dysfunction in ASD but also highlight the presence of putative modifier genes, which is in keeping with the “multiple hit model” for ASD. A better knowledge of these genetic interactions will be necessary to understand the complex inheritance pattern of ASD.

Empirical evidence increasingly supports the hypothesis that patterns of intrinsic functional connectivity (iFC) are sculpted by a history of evoked coactivation within distinct neuronal networks. This, together with evidence of strong correspondence among the networks defined by iFC and those delineated using a variety of other neuroimaging techniques, suggests a fundamental brain architecture detectable across multiple functional and structural imaging modalities. Here, we leverage this insight to examine the functional organization of the human insula. We parcellated the insula on the basis of three distinct neuroimaging modalities — task-evoked coactivation, intrinsic (i.e., task-independent) functional connectivity, and gray matter structural covariance. Clustering of these three different covariance-based measures revealed a convergent elemental organization of the insula that likely reflects a fundamental brain architecture governing both brain structure and function at multiple spatial scales. While not constrained to be hierarchical, our parcellation revealed a pseudo-hierarchical, multiscale organization that was consistent with previous clustering and meta-analytic studies of the insula. Finally, meta-analytic examination of the cognitive and behavioral domains associated with each of the insular clusters obtained elucidated the broad functional dissociations likely underlying the topography observed. To facilitate future investigations of insula function across healthy and pathological states, the insular parcels have been made freely available for download via http://fcon_1000.projects.nitrc.org, along with the analytic scripts used to perform the parcellations.

Abstract Females with autism spectrum disorder have been reported to exhibit fewer and less severe restricted and repetitive behaviors and interests compared to males. This difference might indicate sex specific alterations of brain networks involved in autism symptom domains, especially within cortico-striatal and sensory integration networks. This study used a well-controlled twin design to examine sex differences in brain anatomy in relation to repetitive behaviors. In 75 twin pairs (n=150, 62 females, 88 males) enriched for autism spectrum disorder (n=32), and other neurodevelopmental disorders (n =32), we explored the association of restricted and repetitive behaviors and interests – operationalized by the Autism Diagnostic Interview-Revised (C domain) and the Social Responsiveness Scale-2 (Restricted Interests and Repetitive Behavior subscale), with cortical volume, surface area and thickness of neocortical, sub-cortical and cerebellar networks. Cotwin control analyses revealed within-pair associations between RRBI symptoms and the right intraparietal sulcus and right orbital gyrus in females only. These findings endorse the importance of investigating sex differences in the neurobiology of autism symptoms, and indicate different etiological pathways underlying restricted and repetitive behaviors and interests in females and males.

Abstract Cerebellar volume abnormalities have been often suggested as a possible endophenotype for autism spectrum disorder (ASD). We aimed at objectifying this possible alteration by performing a systematic meta-analysis of the literature, and an analysis of the Autism Brain Imaging Data Exchange (ABIDE) cohort. Our meta-analysis sought to determine a combined effect size of ASD diagnosis on different measures of the cerebellar anatomy, as well as the effect of possible factors of variability across studies. We then analysed the cerebellar volume of 328 patients and 353 controls from the ABIDE project. The meta-analysis of the literature suggested a weak but significant association between ASD diagnosis and increased cerebellar volume (p=0.049, uncorrected), but the analysis of ABIDE did not show any relationship. The studies in the literature were generally underpowered, however, the number of statistically significant findings was larger than expected. Although we could not provide a conclusive explanation for this excess of significant findings, our analyses would suggest publication bias as a possible reason. Finally, age, sex and IQ were important sources of cerebellar volume variability, however, independent of autism diagnosis.

Abstract We analysed the genomic architecture of neuroanatomical diversity using magnetic resonance imaging and single nucleotide polymorphism (SNP) data from >26,000 individuals from the UK Biobank project and 5 other projects that had previously participated in the ENIGMA consortium. Our results confirm the polygenic architecture of neuroanatomical diversity, with SNPs capturing from 40% to 54% of regional brain volume variance. Chromosomal length correlated with the amount of phenotypic variance captured, r∼0.64 on average, suggesting that at a global scale causal variants are homogeneously distributed across the genome. At a local scale, SNPs within genes (∼51%) captured ∼1.5 times more genetic variance than the rest; and SNPs with low minor allele frequency (MAF) captured less variance than the rest: the 40% of SNPs with MAF<5% captured <1/4th of the genetic variance. We also observed extensive pleiotropy across regions, with an average genetic correlation of r G ∼0.45. Genetic correlations were similar to phenotypic and environmental correlations, however, genetic correlations were often larger than phenotypic correlations for the left/right volumes of the same region. The heritability of differences in left/right volumes was generally not statistically significant, suggesting an important influence of environmental causes in the variability of brain asymmetry. Our code is available at https://github.com/neuroanatomy/genomic-architecture .