Intelligence is highly heritable1 and a major determinant of human health and well-being2. Recent genome-wide meta-analyses have identified 24 genomic loci linked to variation in intelligence3-7, but much about its genetic underpinnings remains to be discovered. Here, we present a large-scale genetic association study of intelligence (n = 269,867), identifying 205 associated genomic loci (190 new) and 1,016 genes (939 new) via positional mapping, expression quantitative trait locus (eQTL) mapping, chromatin interaction mapping, and gene-based association analysis. We find enrichment of genetic effects in conserved and coding regions and associations with 146 nonsynonymous exonic variants. Associated genes are strongly expressed in the brain, specifically in striatal medium spiny neurons and hippocampal pyramidal neurons. Gene set analyses implicate pathways related to nervous system development and synaptic structure. We confirm previous strong genetic correlations with multiple health-related outcomes, and Mendelian randomization analysis results suggest protective effects of intelligence for Alzheimer's disease and ADHD and bidirectional causation with pleiotropic effects for schizophrenia. These results are a major step forward in understanding the neurobiology of cognitive function as well as genetically related neurological and psychiatric disorders.

Major depressive disorder (MDD) is a notably complex illness with a lifetime prevalence of 14%. 1 It is often chronic or recurrent and is thus accompanied by considerable morbidity, excess mortality, substantial costs, and heightened risk of suicide. 2-7 MDD is a major cause of disability worldwide. 8 We conducted a genome-wide association (GWA) meta-analysis in 130,664 MDD cases and 330,470 controls, and identified 44 independent loci that met criteria for statistical significance. We present extensive analyses of these results which provide new insights into the nature of MDD. The genetic findings were associated with clinical features of MDD, and implicated prefrontal and anterior cingulate cortex in the pathophysiology of MDD (regions exhibiting anatomical differences between MDD cases and controls). Genes that are targets of antidepressant medications were strongly enriched for MDD association signals (P=8.5×10 −10 ), suggesting the relevance of these findings for improved pharmacotherapy of MDD. Sets of genes involved in gene splicing and in creating isoforms were also enriched for smaller MDD GWA P-values, and these gene sets have also been implicated in schizophrenia and autism. Genetic risk for MDD was correlated with that for many adult and childhood onset psychiatric disorders. Our analyses suggested important relations of genetic risk for MDD with educational attainment, body mass, and schizophrenia: the genetic basis of lower educational attainment and higher body mass were putatively causal for MDD whereas MDD and schizophrenia reflected a partly shared biological etiology. All humans carry lesser or greater numbers of genetic risk factors for MDD, and a continuous measure of risk underlies the observed clinical phenotype. MDD is not a distinct entity that neatly demarcates normalcy from pathology but rather a useful clinical construct associated with a range of adverse outcomes and the end result of a complex process of intertwined genetic and environmental effects. These findings help refine and define the fundamental basis of MDD.

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 Major depressive disorder (MDD), schizophrenia (SCZ) and bipolar disorder (BP) are common, disabling and heritable psychiatric diseases with a complex overlapping polygenic architecture. Individuals with these disorders, as well as their unaffected relatives, show widespread structural differences in corticostriatal and limbic networks. Structural variation in many of these brain regions is also heritable and polygenic but whether their genetic architecture overlaps with major psychiatric disorders is unknown. We sought to address this issue by examining the impact of polygenic risk of MDD, SCZ, and BP on subcortical brain volumes and white matter (WM) microstructure in a large single sample of neuroimaging data; the UK Biobank Imaging study. The first release of UK Biobank imaging data compromised participants with overlapping genetic data and subcortical volumes (N = 978) and WM measures (N = 816). Our, findings however, indicated no statistically significant associations between either subcortical volumes or WM microstructure, and polygenic risk for MDD, SCZ or BP. In the current study, we found little or no evidence for genetic overlap between major psychiatric disorders and structural brain measures. These findings suggest that subcortical brain volumes and WM microstructure may not be closely linked to the genetic mechanisms of major psychiatric disorders.

Abstract The Trail Making Test is a widely used test of executive function and has been thought to be strongly associated with general cognitive function. We examined the genetic architecture of the trail making test and its shared genetic aetiology with other tests of cognitive function in 23 821 participants from UK Biobank. The SNP-based heritability estimates for trail-making measures were 7.9 % (part A), 22.4 % (part B), and 17.6 % (part B – part A). Significant genetic correlations were identified between trail-making measures and verbal-numerical reasoning (r g > 0.6), general cognitive function (r g > 0.6), processing speed (r g > 0.7), and memory (r g > 0.3). Polygenic profile analysis indicated considerable shared genetic aetiology between trail making, general cognitive function, processing speed, and memory (standardized β between 0.03 and 0.08). These results suggest that trail making is both phenotypically and genetically strongly associated with general cognitive function and processing speed.

Abstract Major depressive disorder and neuroticism share a large genetic basis. We sought to determine whether this shared basis could be decomposed to identify genetic factors that are specific to depression. We analysed two sets of summary statistics from genome-wide association studies of depression (from the Psychiatric Genomics Consortium and 23andMe) and compared them to GWAS of neuroticism (from UK Biobank). First, we used a pairwise GWAS analysis to classify variants as associated with only depression, with only neuroticism, or with both. Second, we estimated partial genetic correlations to test whether the depression’s genetic link with other phenotypes was explained by shared overlap with neuroticism. We found evidence that most genetic variants associated with depression are likely to be shared with neuroticism. The overlapping common genetic variance of depression and neuroticism was negatively genetically correlated with cognitive function and positively genetically correlated with several psychiatric disorders. We found that the genetic contributions unique to depression, and not shared with neuroticism, were correlated with inflammation, cardiovascular disease, and sleep patterns. Our findings demonstrate that, while genetic risk factors for depression are largely shared with neuroticism, there are also non-neuroticism related features of depression that may be useful for further patient or phenotypic stratification.

The radial unit hypothesis provides a framework for global (proliferation) and regional (distribution) expansion of the primate cerebral cortex. Using principal component analysis (PCA), we have identified cortical regions with shared variance in their surface area and cortical thickness, respectively, segmented from magnetic resonance images obtained in 23,800 participants. We then carried out meta-analyses of genome-wide association studies of the first two principal components for each phenotype. For surface area (but not cortical thickness), we have detected strong associations between each of the components and single nucleotide polymorphisms in a number of gene loci. The first (global) component was associated mainly with loci on chromosome 17 (9.5e-32 ≤ p ≤ 2.8e-10), including those detected previously as linked with intracranial volume and/or general cognitive function. The second (regional) component captured shared variation in the surface area of the primary and adjacent secondary visual cortices and showed a robust association with polymorphisms in a locus on chromosome 14 containing Disheveled Associated Activator of Morphogenesis 1 ( DAAM1 ; p =2.4e-34). DAAM1 is a key component in the planar-cell-polarity signaling pathway. In follow-up studies, we have focused on the latter finding and established that: (1) DAAM1 is highly expressed between 12th and 22nd post-conception weeks in the human cerebral cortex; (2) genes co-expressed with DAAM1 in the primary visual cortex are enriched in mitochondria-related pathways; and (3) volume of the lateral geniculate nucleus, which projects to regions of the visual cortex staining for cytochrome oxidase (a mitochondrial enzyme), correlates with the surface area of the visual cortex in major-allele homozygotes but not in carriers of the minor allele. Altogether, we speculate that, in concert with thalamocortical input to cortical subplate, DAAM1 enables migration of neurons to cytochrome-oxidase rich regions of the visual cortex, and, in turn, facilitates regional expansion of this set of cortical regions during development.

Gene expression varies across the brain. This spatial patterning denotes specialised support for particular brain functions. However, the way that a given gene9s expression fluctuates across the brain may be governed by general rules that apply to many other genes, too. Quantifying those patterns of spatial covariation would offer insights into the molecular characteristics of brain areas supporting, for example, complex cognitive functions. Here, we use principal component analysis to separate general and unique gene regulatory associations with cortical substrates of cognition. We find that the region-to-region variation in cortical expression profiles of 8235 genes covaries across two major principal components : gene ontology analysis suggests these dimensions are characterised by downregulation and upregulation of cell-signalling/modification and transcription factors. We validate these patterns out-of-sample and across different data processing choices. Brain regions more strongly implicated in general cognitive functioning (g; 3 cohorts, total meta-analytic N = 39,519) tend to be more balanced between downregulation and upregulation of both major components (indicated by regional component scores). We then identify a further 41 genes as candidate cortical spatial correlates of g, beyond the patterning of the two major components (absolute standardized beta range = 0.15 to 0.53). Many of the genes have been previously associated with clinical neurodegenerative and psychiatric disorders, or with other health-related phenotypes. The results provide insights into the cortical organisation of gene expression and its association with individual differences in cognitive functioning.

Background: Major Depressive Disorder (MDD) is a clinically heterogeneous psychiatric disorder with a polygenic architecture. Genome-wide association studies have identified a number of risk-associated variants across the genome, and growing evidence of NETRIN1 pathway involvement. Stratifying disease risk by genetic variation within the NETRIN1 pathway may provide an important route for identification of disease mechanisms by focusing on a specific process excluding heterogeneous risk-associated variation in other pathways. Here, we sought to investigate whether MDD polygenic risk scores derived from the NETRIN1 signaling pathway (NETRIN1-PRS) and the whole genome excluding NETRIN1 pathway genes (genomic-PRS) were associated with white matter integrity. Methods: We used two diffusion tensor imaging measures, fractional anisotropy (FA) and mean diffusivity (MD), in the most up-to-date UK Biobank neuroimaging data release (FA: N = 6,401; MD: N = 6,390). Results: We found significantly lower FA in the superior longitudinal fasciculus (β = -0.035, pcorrected = 0.029) and significantly higher MD in a global measure of thalamic radiations (β = 0.029, pcorrected = 0.021), as well as higher MD in the superior (β = 0.034, pcorrected = 0.039) and inferior (β = 0.029, pcorrected = 0.043) longitudinal fasciculus and in the anterior (β = 0.025, pcorrected = 0.046) and superior (β = 0.027, pcorrected = 0.043) thalamic radiation associated with NETRIN1-PRS. Genomic-PRS was also associated with lower FA and higher MD in several tracts. Conclusions: Our findings indicate that variation in the NETRIN1 signaling pathway may confer risk for MDD through effects on thalamic radiation white matter microstructure.