BackgroundChildhood maltreatment represents a strong risk factor for the development of depression and posttraumatic stress disorder (PTSD) in later life. In the present study, we investigated the neurobiological underpinnings of this association. Since both depression and PTSD have been associated with increased amygdala responsiveness to negative stimuli as well as reduced hippocampal gray matter volume, we speculated that childhood maltreatment results in similar functional and structural alterations in previously maltreated but healthy adults.MethodsOne hundred forty-eight healthy subjects were enrolled via public notices and newspaper announcements and were carefully screened for psychiatric disorders. Amygdala responsiveness was measured by means of functional magnetic resonance imaging and an emotional face-matching paradigm particularly designed to activate the amygdala in response to threat-related faces. Voxel-based morphometry was used to study morphological alterations. Childhood maltreatment was assessed by the 25-item Childhood Trauma Questionnaire (CTQ).ResultsWe observed a strong association of CTQ scores with amygdala responsiveness to threat-related facial expressions. The morphometric analysis yielded reduced gray matter volumes in the hippocampus, insula, orbitofrontal cortex, anterior cingulate gyrus, and caudate in subjects with high CTQ scores. Both of these associations were not influenced by trait anxiety, depression level, age, intelligence, education, or more recent stressful life events.ConclusionsChildhood maltreatment is associated with remarkable functional and structural changes even decades later in adulthood. These changes strongly resemble findings described in depression and PTSD. Therefore, the present results might suggest that limbic hyperresponsiveness and reduced hippocampal volumes could be mediators between the experiences of adversities during childhood and the development of emotional disorders. Childhood maltreatment represents a strong risk factor for the development of depression and posttraumatic stress disorder (PTSD) in later life. In the present study, we investigated the neurobiological underpinnings of this association. Since both depression and PTSD have been associated with increased amygdala responsiveness to negative stimuli as well as reduced hippocampal gray matter volume, we speculated that childhood maltreatment results in similar functional and structural alterations in previously maltreated but healthy adults. One hundred forty-eight healthy subjects were enrolled via public notices and newspaper announcements and were carefully screened for psychiatric disorders. Amygdala responsiveness was measured by means of functional magnetic resonance imaging and an emotional face-matching paradigm particularly designed to activate the amygdala in response to threat-related faces. Voxel-based morphometry was used to study morphological alterations. Childhood maltreatment was assessed by the 25-item Childhood Trauma Questionnaire (CTQ). We observed a strong association of CTQ scores with amygdala responsiveness to threat-related facial expressions. The morphometric analysis yielded reduced gray matter volumes in the hippocampus, insula, orbitofrontal cortex, anterior cingulate gyrus, and caudate in subjects with high CTQ scores. Both of these associations were not influenced by trait anxiety, depression level, age, intelligence, education, or more recent stressful life events. Childhood maltreatment is associated with remarkable functional and structural changes even decades later in adulthood. These changes strongly resemble findings described in depression and PTSD. Therefore, the present results might suggest that limbic hyperresponsiveness and reduced hippocampal volumes could be mediators between the experiences of adversities during childhood and the development of emotional disorders.

Despite decades of research, the pathophysiology of bipolar disorder (BD) is still not well understood. Structural brain differences have been associated with BD, but results from neuroimaging studies have been inconsistent. To address this, we performed the largest study to date of cortical gray matter thickness and surface area measures from brain magnetic resonance imaging scans of 6503 individuals including 1837 unrelated adults with BD and 2582 unrelated healthy controls for group differences while also examining the effects of commonly prescribed medications, age of illness onset, history of psychosis, mood state, age and sex differences on cortical regions. In BD, cortical gray matter was thinner in frontal, temporal and parietal regions of both brain hemispheres. BD had the strongest effects on left pars opercularis (Cohen’s d=−0.293; P=1.71 × 10−21), left fusiform gyrus (d=−0.288; P=8.25 × 10−21) and left rostral middle frontal cortex (d=−0.276; P=2.99 × 10−19). Longer duration of illness (after accounting for age at the time of scanning) was associated with reduced cortical thickness in frontal, medial parietal and occipital regions. We found that several commonly prescribed medications, including lithium, antiepileptic and antipsychotic treatment showed significant associations with cortical thickness and surface area, even after accounting for patients who received multiple medications. We found evidence of reduced cortical surface area associated with a history of psychosis but no associations with mood state at the time of scanning. Our analysis revealed previously undetected associations and provides an extensive analysis of potential confounding variables in neuroimaging studies of BD.

Alterations in white matter (WM) microstructure have been implicated in the pathophysiology of major depressive disorder (MDD). However, previous findings have been inconsistent, partially due to low statistical power and the heterogeneity of depression. In the largest multi-site study to date, we examined WM anisotropy and diffusivity in 1305 MDD patients and 1602 healthy controls (age range 12–88 years) from 20 samples worldwide, which included both adults and adolescents, within the MDD Working Group of the Enhancing Neuroimaging Genetics through Meta-Analysis (ENIGMA) consortium. Processing of diffusion tensor imaging (DTI) data and statistical analyses were harmonized across sites and effects were meta-analyzed across studies. We observed subtle, but widespread, lower fractional anisotropy (FA) in adult MDD patients compared with controls in 16 out of 25 WM tracts of interest (Cohen’s d between 0.12 and 0.26). The largest differences were observed in the corpus callosum and corona radiata. Widespread higher radial diffusivity (RD) was also observed (all Cohen’s d between 0.12 and 0.18). Findings appeared to be driven by patients with recurrent MDD and an adult age of onset of depression. White matter microstructural differences in a smaller sample of adolescent MDD patients and controls did not survive correction for multiple testing. In this coordinated and harmonized multisite DTI study, we showed subtle, but widespread differences in WM microstructure in adult MDD, which may suggest structural disconnectivity in MDD.

Electroconvulsive therapy (ECT) is one of the most effective treatments for severe depression. However, biomarkers that accurately predict a response to ECT remain unidentified.To investigate whether certain factors identified by structural magnetic resonance imaging (MRI) techniques are able to predict ECT response.In this nonrandomized prospective study, gray matter structure was assessed twice at approximately 6 weeks apart using 3-T MRI and voxel-based morphometry. Patients were recruited through the inpatient service of the Department of Psychiatry, University of Muenster, from March 11, 2010, to March 27, 2015. Two patient groups with acute major depressive disorder were included. One group received an ECT series in addition to antidepressants (n = 24); a comparison sample was treated solely with antidepressants (n = 23). Both groups were compared with a sample of healthy control participants (n = 21).Binary pattern classification was used to predict ECT response by structural MRI that was performed before treatment. In addition, univariate analysis was conducted to predict reduction of the Hamilton Depression Rating Scale score by pretreatment gray matter volumes and to investigate ECT-related structural changes.One participant in the ECT sample was excluded from the analysis, leaving 67 participants (27 men and 40 women; mean [SD] age, 43.7 [10.6] years). The binary pattern classification yielded a successful prediction of ECT response, with accuracy rates of 78.3% (18 of 23 patients in the ECT sample) and sensitivity rates of 100% (13 of 13 who responded to ECT). Furthermore, a support vector regression yielded a significant prediction of relative reduction in the Hamilton Depression Rating Scale score. The principal findings of the univariate model indicated a positive association between pretreatment subgenual cingulate volume and individual ECT response (Montreal Neurological Institute [MNI] coordinates x = 8, y = 21, z = -18; Z score, 4.00; P < .001; peak voxel r = 0.73). Furthermore, the analysis of treatment effects revealed a increase in hippocampal volume in the ECT sample (MNI coordinates x = -28, y = -9, z = -18; Z score, 7.81; P < .001) that was missing in the medication-only sample.A relatively small degree of structural impairment in the subgenual cingulate cortex before therapy seems to be associated with successful treatment with ECT. In the future, neuroimaging techniques could prove to be promising tools for predicting the individual therapeutic effectiveness of ECT.

Importance

 The structural abnormalities in the brain that accurately differentiate unipolar depression (UD) and bipolar depression (BD) remain unidentified. 

Objectives

 First, to investigate and compare morphometric changes in UD and BD, and to replicate the findings at 2 independent neuroimaging sites; second, to differentiate UD and BD using multivariate pattern classification techniques. 

Design, Setting, and Participants

 In a 2-center cross-sectional study, structural gray matter data were obtained at 2 independent sites (Pittsburgh, Pennsylvania, and Münster, Germany) using 3-T magnetic resonance imaging. Voxel-based morphometry was used to compare local gray and white matter volumes, and a novel pattern classification approach was used to discriminate between UD and BD, while training the classifier at one imaging site and testing in an independent sample at the other site. The Pittsburgh sample of participants was recruited from the Western Psychiatric Institute and Clinic at the University of Pittsburgh from 2008 to 2012. The Münster sample was recruited from the Department of Psychiatry at the University of Münster from 2010 to 2012. Equally divided between the 2 sites were 58 currently depressed patients with bipolar I disorder, 58 age- and sex-matched unipolar depressed patients, and 58 matched healthy controls. 

Main Outcomes and Measures

 Magnetic resonance imaging was used to detect structural differences between groups. Morphometric analyses were applied using voxel-based morphometry. Pattern classification techniques were used for a multivariate approach. 

Results

 At both sites, individuals with BD showed reduced gray matter volumes in the hippocampal formation and the amygdala relative to individuals with UD (Montreal Neurological Institute coordinates x = −22, y = −1, z = 20;k = 1938 voxels;t = 4.75), whereas individuals with UD showed reduced gray matter volumes in the anterior cingulate gyrus compared with individuals with BD (Montreal Neurological Institute coordinates x = −8, y = 32, z = 3;k = 979 voxels;t = 6.37; all correctedP < .05). Reductions in white matter volume within the cerebellum and hippocampus were found in individuals with BD. Pattern classification yielded up to 79.3% accuracy (P < .001) by differentiating the 2 depressed groups, training and testing the classifier at one site, and up to 69.0% accuracy (P < .001), training the classifier at one imaging site (Pittsburgh) and testing it at the other independent sample (Münster). Medication load did not alter the pattern of results. 

Conclusions and Relevance

 Individuals with UD and those with BD are differentiated by structural abnormalities in neural regions supporting emotion processing. Neuroimaging and multivariate pattern classification techniques are promising tools to differentiate UD from BD and show promise as future diagnostic aids.

Major depression has been repeatedly associated with amygdala hyper‐responsiveness to negative (but not positive) facial expressions at early, automatic stages of emotion processing using subliminally presented stimuli. However, it is not clear whether this “limbic bias” is a correlate of depression or represents a vulnerability marker preceding the onset of the disease. Because childhood maltreatment is a potent risk factor for the development of major depression in later life, we explored whether childhood maltreatment is associated with amygdalar emotion processing bias in maltreated but healthy subjects. Amygdala responsiveness to subliminally presented sad and happy faces was measured by means of fMRI at 3 T in N = 150 healthy subjects carefully screened for psychiatric disorders. Childhood maltreatment was assessed by the 25‐item childhood trauma questionnaire (CTQ). A strong association of CTQ‐scores with amygdala responsiveness to sad, but not happy facial expressions emerged. This result was further qualified by an interaction of emotional valence and CTQ‐scores and was not confounded by trait anxiety, current depression level, age, gender, intelligence, education level, and more recent stressful life‐events. Childhood maltreatment is apparently associated with detectable changes in amygdala function during early stages of emotion processing which resemble findings described in major depression. Limbic hyper‐responsiveness to negative facial cues could be a consequence of the experience of maltreatment during childhood increasing the risk of depression in later life. Limitation: the present association of limbic bias and maltreatment was demonstrated in the absence of psychopathological abnormalities, thereby limiting strong conclusions. Hum Brain Mapp 34:2899–2909, 2013. © 2012 Wiley Periodicals, Inc.

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 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 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 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.