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).

In a GWAS study of 32,438 adults, the authors discovered five novel loci for intracranial volume and confirmed two known signals. Variants for intracranial volume were also related to childhood and adult cognitive function and to Parkinson's disease, and enriched near genes involved in growth pathways, including PI3K-AKT signaling. Intracranial volume reflects the maximally attained brain size during development, and remains stable with loss of tissue in late life. It is highly heritable, but the underlying genes remain largely undetermined. In a genome-wide association study of 32,438 adults, we discovered five previously unknown loci for intracranial volume and confirmed two known signals. Four of the loci were also associated with adult human stature, but these remained associated with intracranial volume after adjusting for height. We found a high genetic correlation with child head circumference (ρgenetic = 0.748), which indicates a similar genetic background and allowed us to identify four additional loci through meta-analysis (Ncombined = 37,345). Variants for intracranial volume were also related to childhood and adult cognitive function, and Parkinson's disease, and were enriched near genes involved in growth pathways, including PI3K-AKT signaling. These findings identify the biological underpinnings of intracranial volume and their link to physiological and pathological traits.

Subcortical brain structures are integral to motion, consciousness, emotions and learning. We identified common genetic variation related to the volumes of the nucleus accumbens, amygdala, brainstem, caudate nucleus, globus pallidus, putamen and thalamus, using genome-wide association analyses in almost 40,000 individuals from CHARGE, ENIGMA and UK Biobank. We show that variability in subcortical volumes is heritable, and identify 48 significantly associated loci (40 novel at the time of analysis). Annotation of these loci by utilizing gene expression, methylation and neuropathological data identified 199 genes putatively implicated in neurodevelopment, synaptic signaling, axonal transport, apoptosis, inflammation/infection and susceptibility to neurological disorders. This set of genes is significantly enriched for Drosophila orthologs associated with neurodevelopmental phenotypes, suggesting evolutionarily conserved mechanisms. Our findings uncover novel biology and potential drug targets underlying brain development and disease. Genome-wide analysis identifies variants associated with the volume of seven different subcortical brain regions defined by magnetic resonance imaging. Implicated genes are involved in neurodevelopmental and synaptic signaling pathways.

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.

Abstract Alzheimer’s disease (AD) is associated with heterogeneous atrophy patterns. We employed a semi-supervised clustering technique known as Surreal-GAN, through which we identified two dominant dimensions of brain atrophy in symptomatic mild cognitive impairment (MCI) and AD patients: the “diffuse-AD” (R1) dimension shows widespread brain atrophy, and the “MTL-AD” (R2) dimension displays focal medial temporal lobe (MTL) atrophy. Critically, only R2 was associated with widely known sporadic AD genetic risk factors (e.g., APOE ε4 ) in MCI and AD patients at baseline. We then independently detected the presence of the two dimensions in the early stages by deploying the trained model in the general population and two cognitively unimpaired cohorts of asymptomatic participants. In the general population, genome-wide association studies found 77 genes unrelated to APOE differentially associated with R1 and R2. Functional analyses revealed that these genes were overrepresented in differentially expressed gene sets in organs beyond the brain (R1 and R2), including the heart (R1) and the pituitary gland, muscle, and kidney (R2). These genes were enriched in biological pathways implicated in dendritic cells (R2), macrophage functions (R1), and cancer (R1 and R2). Several of them were “druggable genes” for cancer (R1), inflammation (R1), cardiovascular diseases (R1), and diseases of the nervous system (R2). The longitudinal progression showed that APOE ε4 , amyloid, and tau were associated with R2 at early asymptomatic stages, but this longitudinal association occurs only at late symptomatic stages in R1. Our findings deepen our understanding of the multifaceted pathogenesis of AD beyond the brain. In early asymptomatic stages, the two dimensions are associated with diverse pathological mechanisms, including cardiovascular diseases, inflammation, and hormonal dysfunction – driven by genes different from APOE – which may collectively contribute to the early pathogenesis of AD.

Abstract The size of the human head is determined by growth in the first years of life, while the rest of the body typically grows until early adulthood 1 . Such complex developmental processes are regulated by various genes and growth pathways 2 . Rare genetic syndromes have revealed genes that affect head size 3 , but the genetic drivers of variation in head size within the general population remain largely unknown. To elucidate biological pathways underlying the growth of the human head, we performed the largest genome-wide association study on human head size to date (N = 79,107). We identified 67 genetic loci, 50 of which are novel, and found that these loci are preferentially associated with head size and mostly independent from height. In subsequent neuroimaging analyses, the majority of genetic variants demonstrated widespread effects on the brain, whereas the effects of 17 variants could be localized to one or two specific brain regions. Through hypothesis-free approaches, we find a strong overlap of head size variants with both cancer pathways and cancer genes. Gene set analyses showed enrichment for different types of cancer and the p53, Wnt and ErbB signalling pathway. Genes overlapping or close to lead variants – such as TP53 , PTEN and APC – were enriched for genes involved in macrocephaly syndromes (up to 37-fold) and high-fidelity cancer genes (up to 9-fold), whereas this enrichment was not seen for human height variants. This indicates that genes regulating early brain and cranial growth are associated with a propensity to neoplasia later in life, irrespective of height. Our results warrant further investigations of the link between head size and cancer, as well as its clinical implications in the general population.