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.

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.

The regional distribution of white matter (WM) abnormalities in schizophrenia remains poorly understood, and reported disease effects on the brain vary widely between studies. In an effort to identify commonalities across studies, we perform what we believe is the first ever large-scale coordinated study of WM microstructural differences in schizophrenia. Our analysis consisted of 2359 healthy controls and 1963 schizophrenia patients from 29 independent international studies; we harmonized the processing and statistical analyses of diffusion tensor imaging (DTI) data across sites and meta-analyzed effects across studies. Significant reductions in fractional anisotropy (FA) in schizophrenia patients were widespread, and detected in 20 of 25 regions of interest within a WM skeleton representing all major WM fasciculi. Effect sizes varied by region, peaking at (d=0.42) for the entire WM skeleton, driven more by peripheral areas as opposed to the core WM where regions of interest were defined. The anterior corona radiata (d=0.40) and corpus callosum (d=0.39), specifically its body (d=0.39) and genu (d=0.37), showed greatest effects. Significant decreases, to lesser degrees, were observed in almost all regions analyzed. Larger effect sizes were observed for FA than diffusivity measures; significantly higher mean and radial diffusivity was observed for schizophrenia patients compared with controls. No significant effects of age at onset of schizophrenia or medication dosage were detected. As the largest coordinated analysis of WM differences in a psychiatric disorder to date, the present study provides a robust profile of widespread WM abnormalities in schizophrenia patients worldwide. Interactive three-dimensional visualization of the results is available at www.enigma-viewer.org .

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.

For more than a century, it has been uncertain whether or not the major diagnostic categories of psychosis--schizophrenia and bipolar disorder--are distinct disease entities with specific genetic causes and neuroanatomical substrates.To investigate the relationship between genetic risk and structural variation throughout the entire brain in patients and their unaffected relatives sampled from multiply affected families with schizophrenia or bipolar disorder.Analysis of the association between genetic risk and variation in tissue volume on magnetic resonance images.Psychiatric research center.Subjects comprised 25 patients with schizophrenia, 36 of their unaffected first-degree relatives, 37 patients with bipolar 1 disorder who experienced psychotic symptoms during illness exacerbation, and 50 of their unaffected first-degree relatives.We used computational morphometric techniques to map significant associations between a continuous measure of genetic liability for each subject and variation in gray or white matter volume.Genetic risk for schizophrenia was specifically associated with distributed gray matter volume deficits in the bilateral fronto-striato-thalamic and left lateral temporal regions, whereas genetic risk for bipolar disorder was specifically associated with gray matter deficits only in the right anterior cingulate gyrus and ventral striatum. A generic association between genetic risk for both disorders and white matter volume reduction in the left frontal and temporoparietal regions was consistent with left frontotemporal disconnectivity as a genetically controlled brain structural abnormality common to both psychotic disorders.Genetic risks for schizophrenia and bipolar disorder are associated with specific gray matter but generic white matter endophenotypes. Thus, Emil Kraepelin's pivotal distinction was neither wholly right nor wholly wrong: the 2 major psychoses show both distinctive and similar patterns of brain structural abnormality related to variable genetic risk.

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 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 Investigating brain circuitry involved in bipolar disorder (BD) is key to discovering brain biomarkers for genetic and interventional studies of the disorder. Even so, prior research has not provided a fine-scale spatial mapping of brain microstructural differences in BD. In this pilot diffusion MRI dataset, we used BUndle ANalytics (BUAN), a recently developed analytic approach for tractography, to extract, map, and visualize the profile of microstructural abnormalities on a 3D model of fiber tracts in people with BD (N=38) and healthy controls (N=49), and investigate along-tract white matter (WM) microstructural differences between these groups. Using the BUAN pipeline, BD was associated with lower mean Fractional Anisotropy (FA) in fronto-limbic and interhemispheric pathways and higher mean FA in posterior bundles relative to controls. BUAN combines tractography and anatomical information to capture distinct along-tract effects on WM microstructure that may aid in classifying diseases based on anatomical differences.

Abstract Structural neuroimaging data have been used to compute an estimate of the biological age of the brain (brain‐age) which has been associated with other biologically and behaviorally meaningful measures of brain development and aging. The ongoing research interest in brain‐age has highlighted the need for robust and publicly available brain‐age models pre‐trained on data from large samples of healthy individuals. To address this need we have previously released a developmental brain‐age model. Here we expand this work to develop, empirically validate, and disseminate a pre‐trained brain‐age model to cover most of the human lifespan. To achieve this, we selected the best‐performing model after systematically examining the impact of seven site harmonization strategies, age range, and sample size on brain‐age prediction in a discovery sample of brain morphometric measures from 35,683 healthy individuals (age range: 5–90 years; 53.59% female). The pre‐trained models were tested for cross‐dataset generalizability in an independent sample comprising 2101 healthy individuals (age range: 8–80 years; 55.35% female) and for longitudinal consistency in a further sample comprising 377 healthy individuals (age range: 9–25 years; 49.87% female). This empirical examination yielded the following findings: (1) the accuracy of age prediction from morphometry data was higher when no site harmonization was applied; (2) dividing the discovery sample into two age‐bins (5–40 and 40–90 years) provided a better balance between model accuracy and explained age variance than other alternatives; (3) model accuracy for brain‐age prediction plateaued at a sample size exceeding 1600 participants. These findings have been incorporated into CentileBrain ( https://centilebrain.org/#/brainAGE2 ), an open‐science, web‐based platform for individualized neuroimaging metrics.

Multivariate techniques better fit the anatomy of complex neuropsychiatric disorders which are characterized not by alterations in a single region, but rather by variations across distributed brain networks. Here, we used principal component analysis (PCA) to identify patterns of covariance across brain regions and relate them to clinical and demographic variables in a large generalizable dataset of individuals with bipolar disorders and controls. We then compared performance of PCA and clustering on identical sample to identify which methodology was better in capturing links between brain and clinical measures. Using data from the ENIGMA-BD working group, we investigated T1-weighted structural MRI data from 2436 participants with BD and healthy controls, and applied PCA to cortical thickness and surface area measures. We then studied the association of principal components with clinical and demographic variables using mixed regression models. We compared the PCA model with our prior clustering analyses of the same data and also tested it in a replication sample of 327 participants with BD or schizophrenia and healthy controls. The first principal component, which indexed a greater cortical thickness across all 68 cortical regions, was negatively associated with BD, BMI, antipsychotic medications, and age and was positively associated with Li treatment. PCA demonstrated superior goodness of fit to clustering when predicting diagnosis and BMI. Moreover, applying the PCA model to the replication sample yielded significant differences in cortical thickness between healthy controls and individuals with BD or schizophrenia. Cortical thickness in the same widespread regional network as determined by PCA was negatively associated with different clinical and demographic variables, including diagnosis, age, BMI, and treatment with antipsychotic medications or lithium. PCA outperformed clustering and provided an easy-to-use and interpret method to study multivariate associations between brain structure and system-level variables. PRACTITIONER POINTS: In this study of 2770 Individuals, we confirmed that cortical thickness in widespread regional networks as determined by principal component analysis (PCA) was negatively associated with relevant clinical and demographic variables, including diagnosis, age, BMI, and treatment with antipsychotic medications or lithium. Significant associations of many different system-level variables with the same brain network suggest a lack of one-to-one mapping of individual clinical and demographic factors to specific patterns of brain changes. PCA outperformed clustering analysis in the same data set when predicting group or BMI, providing a superior method for studying multivariate associations between brain structure and system-level variables.