The profile of brain structural abnormalities in schizophrenia is still not fully understood, despite decades of research using brain scans. To validate a prospective meta-analysis approach to analyzing multicenter neuroimaging data, we analyzed brain MRI scans from 2028 schizophrenia patients and 2540 healthy controls, assessed with standardized methods at 15 centers worldwide. We identified subcortical brain volumes that differentiated patients from controls, and ranked them according to their effect sizes. Compared with healthy controls, patients with schizophrenia had smaller hippocampus (Cohen's d=-0.46), amygdala (d=-0.31), thalamus (d=-0.31), accumbens (d=-0.25) and intracranial volumes (d=-0.12), as well as larger pallidum (d=0.21) and lateral ventricle volumes (d=0.37). Putamen and pallidum volume augmentations were positively associated with duration of illness and hippocampal deficits scaled with the proportion of unmedicated patients. Worldwide cooperative analyses of brain imaging data support a profile of subcortical abnormalities in schizophrenia, which is consistent with that based on traditional meta-analytic approaches. This first ENIGMA Schizophrenia Working Group study validates that collaborative data analyses can readily be used across brain phenotypes and disorders and encourages analysis and data sharing efforts to further our understanding of severe mental illness.

Hippocampal volume is lower than expected in patients with schizophrenia; however, whether this represents a fixed deficit is uncertain. Exercise is a stimulus to hippocampal plasticity.To determine whether hippocampal volume would increase with exercise in humans and whether this effect would be related to improved aerobic fitness.Randomized controlled study.Patients attending a day hospital program or an outpatient clinic.Male patients with chronic schizophrenia and matched healthy subjects.Aerobic exercise training (cycling) and playing table football (control group) for a period of 3 months.Magnetic resonance imaging of the hippocampus. Secondary outcome measures were magnetic resonance spectroscopy, neuropsychological (Rey Auditory Verbal Learning Test, Corsi block-tapping test), and clinical (Positive and Negative Syndrome Scale) features.Following exercise training, relative hippocampal volume increased significantly in patients (12%) and healthy subjects (16%), with no change in the nonexercise group of patients (-1%). Changes in hippocampal volume in the exercise group were correlated with improvements in aerobic fitness measured by change in maximum oxygen consumption (r = 0.71; P = .003). In the schizophrenia exercise group (but not the controls), change in hippocampal volume was associated with a 35% increase in the N-acetylaspartate to creatine ratio in the hippocampus. Finally, improvement in test scores for short-term memory in the combined exercise and nonexercise schizophrenia group was correlated with change in hippocampal volume (r = 0.51; P < .05).These results indicate that in both healthy subjects and patients with schizophrenia hippocampal volume is plastic in response to aerobic exercise.

Considerable uncertainty exists about the defining brain changes associated with bipolar disorder (BD). Understanding and quantifying the sources of uncertainty can help generate novel clinical hypotheses about etiology and assist in the development of biomarkers for indexing disease progression and prognosis. Here we were interested in quantifying case–control differences in intracranial volume (ICV) and each of eight subcortical brain measures: nucleus accumbens, amygdala, caudate, hippocampus, globus pallidus, putamen, thalamus, lateral ventricles. In a large study of 1710 BD patients and 2594 healthy controls, we found consistent volumetric reductions in BD patients for mean hippocampus (Cohen’s d=−0.232; P=3.50 × 10−7) and thalamus (d=−0.148; P=4.27 × 10−3) and enlarged lateral ventricles (d=−0.260; P=3.93 × 10−5) in patients. No significant effect of age at illness onset was detected. Stratifying patients based on clinical subtype (BD type I or type II) revealed that BDI patients had significantly larger lateral ventricles and smaller hippocampus and amygdala than controls. However, when comparing BDI and BDII patients directly, we did not detect any significant differences in brain volume. This likely represents similar etiology between BD subtype classifications. Exploratory analyses revealed significantly larger thalamic volumes in patients taking lithium compared with patients not taking lithium. We detected no significant differences between BDII patients and controls in the largest such comparison to date. Findings in this study should be interpreted with caution and with careful consideration of the limitations inherent to meta-analyzed neuroimaging comparisons.

Objective The assessment of response to lithium maintenance treatment in bipolar disorder (BD) is complicated by variable length of treatment, unpredictable clinical course, and often inconsistent compliance. Prospective and retrospective methods of assessment of lithium response have been proposed in the literature. In this study we report the key phenotypic measures of the “Retrospective Criteria of Long-Term Treatment Response in Research Subjects with Bipolar Disorder” scale currently used in the Consortium on Lithium Genetics (ConLiGen) study. Materials and Methods Twenty-nine ConLiGen sites took part in a two-stage case-vignette rating procedure to examine inter-rater agreement [Kappa (κ)] and reliability [intra-class correlation coefficient (ICC)] of lithium response. Annotated first-round vignettes and rating guidelines were circulated to expert research clinicians for training purposes between the two stages. Further, we analyzed the distributional properties of the treatment response scores available for 1,308 patients using mixture modeling. Results Substantial and moderate agreement was shown across sites in the first and second sets of vignettes (κ = 0.66 and κ = 0.54, respectively), without significant improvement from training. However, definition of response using the A score as a quantitative trait and selecting cases with B criteria of 4 or less showed an improvement between the two stages (ICC1 = 0.71 and ICC2 = 0.75, respectively). Mixture modeling of score distribution indicated three subpopulations (full responders, partial responders, non responders). Conclusions We identified two definitions of lithium response, one dichotomous and the other continuous, with moderate to substantial inter-rater agreement and reliability. Accurate phenotypic measurement of lithium response is crucial for the ongoing ConLiGen pharmacogenomic study.

Lithium is a first-line treatment in bipolar disorder, but individual response is variable. Previous studies have suggested that lithium response is a heritable trait. However, no genetic markers of treatment response have been reproducibly identified.Here, we report the results of a genome-wide association study of lithium response in 2563 patients collected by 22 participating sites from the International Consortium on Lithium Genetics (ConLiGen). Data from common single nucleotide polymorphisms (SNPs) were tested for association with categorical and continuous ratings of lithium response. Lithium response was measured using a well established scale (Alda scale). Genotyped SNPs were used to generate data at more than 6 million sites, using standard genomic imputation methods. Traits were regressed against genotype dosage. Results were combined across two batches by meta-analysis.A single locus of four linked SNPs on chromosome 21 met genome-wide significance criteria for association with lithium response (rs79663003, p=1·37 × 10(-8); rs78015114, p=1·31 × 10(-8); rs74795342, p=3·31 × 10(-9); and rs75222709, p=3·50 × 10(-9)). In an independent, prospective study of 73 patients treated with lithium monotherapy for a period of up to 2 years, carriers of the response-associated alleles had a significantly lower rate of relapse than carriers of the alternate alleles (p=0·03268, hazard ratio 3·8, 95% CI 1·1-13·0).The response-associated region contains two genes for long, non-coding RNAs (lncRNAs), AL157359.3 and AL157359.4. LncRNAs are increasingly appreciated as important regulators of gene expression, particularly in the CNS. Confirmed biomarkers of lithium response would constitute an important step forward in the clinical management of bipolar disorder. Further studies are needed to establish the biological context and potential clinical utility of these findings.Deutsche Forschungsgemeinschaft, National Institute of Mental Health Intramural Research Program.

Abstract This study investigates the functional architecture of working memory (WM) for verbal and tonal information during rehearsal and articulatory suppression. Participants were presented with strings of four sung syllables with the task to remember either the pitches (tonal information) or the syllables (verbal information). Rehearsal of verbal, as well as of tonal information activated a network comprising ventrolateral premotor cortex (encroaching Broca's area), dorsal premotor cortex, the planum temporale, inferior parietal lobe, the anterior insula, subcortical structures (basal ganglia and thalamus), as well as the cerebellum. The topography of activations was virtually identical for the rehearsal of syllables and pitches, showing a remarkable overlap of the WM components for the rehearsal of verbal and tonal information. When the WM task was performed under articulatory suppression, activations in those areas decreased, while additional activations arose in anterior prefrontal areas. These prefrontal areas might contain additional storage components of verbal and tonal WM that are activated when auditory information cannot be rehearsed. As in the rehearsal conditions, the topography of activations under articulatory suppression was nearly identical for the verbal as compared to the tonal task. Results indicate that both the rehearsal of verbal and tonal information, as well as storage of verbal and tonal information relies on strongly overlapping neuronal networks. These networks appear to partly consist of sensorimotor‐related circuits which provide resources for the representation and maintenance of information, and which are remarkably similar for the production of speech and song. Hum Brain Mapp, 2009. © 2008 Wiley‐Liss, Inc.

Abstract Major depressive disorder (MDD) is associated with an increased risk of brain atrophy, aging-related diseases, and mortality. We examined potential advanced brain aging in adult MDD patients, and whether this process is associated with clinical characteristics in a large multicenter international dataset. We performed a mega-analysis by pooling brain measures derived from T1-weighted MRI scans from 19 samples worldwide. Healthy brain aging was estimated by predicting chronological age (18–75 years) from 7 subcortical volumes, 34 cortical thickness and 34 surface area, lateral ventricles and total intracranial volume measures separately in 952 male and 1236 female controls from the ENIGMA MDD working group. The learned model coefficients were applied to 927 male controls and 986 depressed males, and 1199 female controls and 1689 depressed females to obtain independent unbiased brain-based age predictions. The difference between predicted “brain age” and chronological age was calculated to indicate brain-predicted age difference (brain-PAD). On average, MDD patients showed a higher brain-PAD of +1.08 (SE 0.22) years (Cohen’s d = 0.14, 95% CI: 0.08–0.20) compared with controls. However, this difference did not seem to be driven by specific clinical characteristics (recurrent status, remission status, antidepressant medication use, age of onset, or symptom severity). This highly powered collaborative effort showed subtle patterns of age-related structural brain abnormalities in MDD. Substantial within-group variance and overlap between groups were observed. Longitudinal studies of MDD and somatic health outcomes are needed to further assess the clinical value of these brain-PAD estimates.

Delineating the association of age and cortical thickness in healthy individuals is critical given the association of cortical thickness with cognition and behavior. Previous research has shown that robust estimates of the association between age and brain morphometry require large-scale studies. In response, we used cross-sectional data from 17,075 individuals aged 3-90 years from the Enhancing Neuroimaging Genetics through Meta-Analysis (ENIGMA) Consortium to infer age-related changes in cortical thickness. We used fractional polynomial (FP) regression to quantify the association between age and cortical thickness, and we computed normalized growth centiles using the parametric Lambda, Mu, and Sigma method. Interindividual variability was estimated using meta-analysis and one-way analysis of variance. For most regions, their highest cortical thickness value was observed in childhood. Age and cortical thickness showed a negative association; the slope was steeper up to the third decade of life and more gradual thereafter; notable exceptions to this general pattern were entorhinal, temporopolar, and anterior cingulate cortices. Interindividual 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 may form the basis of further investigation on normative deviation in cortical thickness and its significance for behavioral and cognitive outcomes.

Importance

 Large-scale neuroimaging studies have revealed group differences in cortical thickness across many psychiatric disorders. The underlying neurobiology behind these differences is not well understood. 

Objective

 To determine neurobiologic correlates of group differences in cortical thickness between cases and controls in 6 disorders: attention-deficit/hyperactivity disorder (ADHD), autism spectrum disorder (ASD), bipolar disorder (BD), major depressive disorder (MDD), obsessive-compulsive disorder (OCD), and schizophrenia. 

Design, Setting, and Participants

 Profiles of group differences in cortical thickness between cases and controls were generated using T1-weighted magnetic resonance images. Similarity between interregional profiles of cell-specific gene expression and those in the group differences in cortical thickness were investigated in each disorder. Next, principal component analysis was used to reveal a shared profile of group difference in thickness across the disorders. Analysis for gene coexpression, clustering, and enrichment for genes associated with these disorders were conducted. Data analysis was conducted between June and December 2019. The analysis included 145 cohorts across 6 psychiatric disorders drawn from the ENIGMA consortium. The numbers of cases and controls in each of the 6 disorders were as follows: ADHD: 1814 and 1602; ASD: 1748 and 1770; BD: 1547 and 3405; MDD: 2658 and 3572; OCD: 2266 and 2007; and schizophrenia: 2688 and 3244. 

Main Outcomes and Measures

 Interregional profiles of group difference in cortical thickness between cases and controls. 

Results

 A total of 12 721 cases and 15 600 controls, ranging from ages 2 to 89 years, were included in this study. Interregional profiles of group differences in cortical thickness for each of the 6 psychiatric disorders were associated with profiles of gene expression specific to pyramidal (CA1) cells, astrocytes (except for BD), and microglia (except for OCD); collectively, gene-expression profiles of the 3 cell types explain between 25% and 54% of variance in interregional profiles of group differences in cortical thickness. Principal component analysis revealed a shared profile of difference in cortical thickness across the 6 disorders (48% variance explained); interregional profile of this principal component 1 was associated with that of the pyramidal-cell gene expression (explaining 56% of interregional variation). Coexpression analyses of these genes revealed 2 clusters: (1) a prenatal cluster enriched with genes involved in neurodevelopmental (axon guidance) processes and (2) a postnatal cluster enriched with genes involved in synaptic activity and plasticity-related processes. These clusters were enriched with genes associated with all 6 psychiatric disorders. 

Conclusions and Relevance

 In this study, shared neurobiologic processes were associated with differences in cortical thickness across multiple psychiatric disorders. These processes implicate a common role of prenatal development and postnatal functioning of the cerebral cortex in these disorders.

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.