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.

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 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.

We organized 10Kin1day, a pop-up scientific event with the goal to bring together neuroimaging groups from around the world to jointly analyze 10,000+ existing MRI connectivity datasets during a 3-day workshop. In this report, we describe the motivation and principles of 10Kin1day, together with a public release of 8,000+ MRI connectome maps of the human brain.

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.

For many traits, males show greater variability than females, with possible implications for understanding sex differences in health and disease. Here, the ENIGMA (Enhancing Neuro Imaging Genetics through Meta-Analysis) Consortium presents the largest-ever mega-analysis of sex differences in variability of brain structure, based on international data spanning nine decades of life. Subcortical volumes, cortical surface area and cortical thickness were assessed in MRI data of 16,683 healthy individuals 1-90 years old (47% females). We observed patterns of greater male than female between-subject variance for all brain measures. This pattern was stable across the lifespan for 50% of the subcortical structures, 70% of the regional area measures, and nearly all regions for thickness. Our findings that these sex differences are present in childhood implicate early life genetic or gene-environment interaction mechanisms. The findings highlight the importance of individual differences within the sexes, that may underpin sex-specific vulnerability to disorders.

Objective: Attention-deficit/hyperactivity disorder (ADHD), autism spectrum disorder (ASD), and obsessive-compulsive disorder (OCD) are common neurodevelopmental disorders that frequently co-occur. We aimed to directly compare all three disorders. The ENIGMA consortium is ideally positioned to investigate structural brain alterations across these disorders. Methods: Structural T1-weighted whole-brain MRI of controls (n=5,827) and patients with ADHD (n=2,271), ASD (n=1,777), and OCD (n=2,323) from 151 cohorts worldwide were analyzed using standardized processing protocols. We examined subcortical volume, cortical thickness and surface area differences within a mega-analytical framework, pooling measures extracted from each cohort. Analyses were performed separately for children, adolescents, and adults using linear mixed-effects models adjusting for age, sex and site (and ICV for subcortical and surface area measures). Results: We found no shared alterations among all three disorders, while shared alterations between any two disorders did not survive multiple comparisons correction. Children with ADHD compared to those with OCD had smaller hippocampal volumes, possibly influenced by IQ. Children and adolescents with ADHD also had smaller ICV than controls and those with OCD or ASD. Adults with ASD showed thicker frontal cortices compared to adult controls and other clinical groups. No OCD-specific alterations across different age-groups and surface area alterations among all disorders in childhood and adulthood were observed. Conclusion: Our findings suggest robust but subtle alterations across different age-groups among ADHD, ASD, and OCD. ADHD-specific ICV and hippocampal alterations in children and adolescents, and ASD-specific cortical thickness alterations in the frontal cortex in adults support previous work emphasizing neurodevelopmental alterations in these disorders.

Abstract Delineating age-related cortical trajectories in healthy individuals is critical given the association of cortical thickness with cognition and behaviour. Previous research has shown that deriving robust estimates of age-related brain morphometric changes requires large-scale studies. In response, we conducted a large-scale analysis of cortical thickness in 17,075 individuals aged 3-90 years by pooling data through the Lifespan Working group of the Enhancing Neuroimaging Genetics through Meta-Analysis (ENIGMA) Consortium. We used fractional polynomial (FP) regression to characterize age-related trajectories in cortical thickness, and we computed normalized growth centiles using the parametric Lambda, Mu, and Sigma (LMS) method. Inter-individual variability was estimated using meta-analysis and one-way analysis of variance. Overall, cortical thickness peaked in childhood and had a steep decrease during the first 2-3 decades of life; thereafter, it showed a gradual monotonic decrease which was steeper in men than in women particularly in middle-life. Notable exceptions to this general pattern were entorhinal, temporopolar and anterior cingulate cortices. Inter-individual 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 reconcile uncertainties about age-related trajectories of cortical thickness; the centile values provide estimates of normative variance in cortical thickness, and may assist in detecting abnormal deviations in cortical thickness, and associated behavioural, cognitive and clinical outcomes.