Little is known about the hormonal effects of puberty on the anatomy of the developing human brain. In a voxel-based morphometry study, sex-related differences in gray matter (GM) volume were examined in 46 subjects aged 8–15 years. Males had larger GM volumes in the left amygdala, whereas females had larger right striatal and bilateral hippocampal GM volumes than males. Sexually dimorphic areas were related to Tanner stages (TS) of pubertal development and to circulating level of steroid hormones in a subsample of 30 subjects. Regardless of sex, amygdala and hippocampal volumes varied as a function of TS and were associated with circulating testosterone (TEST) levels. By contrast, striatal GM volumes were unrelated to pubertal development and circulating steroid hormones. Whole-brain regression analyses revealed positive associations between circulating estrogen levels and parahippocampal GM volumes as well as between TEST levels and diencephalic brain structures. In addition, a negative association was found between circulating TEST and left parietal GM volumes. These data suggest that GM development in certain brain regions is associated with sexual maturation and that pubertal hormones might have organizational effects on the developing human brain.

Motivation for goal-directed behaviour largely depends on the expected value of the anticipated reward. The aim of the present study was to examine how different levels of reward value are coded in the brain for two common forms of human reward: money and social approval. To account for gender differences 16 male and 16 female participants performed an incentive delay task expecting to win either money or positive social feedback. fMRI recording during the anticipation phase revealed proportional activation of neural structures constituting the human reward system for increasing levels of reward, independent of incentive type. However, in men activation in the prospect of monetary rewards encompassed a wide network of mesolimbic brain regions compared to only limited activation for social rewards. In contrast, in women, anticipation of either incentive type activated identical brain regions. Our findings represent an important step towards a better understanding of motivated behaviour by taking into account individual differences in reward valuation.

Objective: Neuroimaging studies show structural alterations of various brain regions in children and adults with attention deficit hyperactivity disorder (ADHD), although nonreplications are frequent. The authors sought to identify cortical characteristics related to ADHD using large-scale studies. Methods: Cortical thickness and surface area (based on the Desikan–Killiany atlas) were compared between case subjects with ADHD (N=2,246) and control subjects (N=1,934) for children, adolescents, and adults separately in ENIGMA-ADHD, a consortium of 36 centers. To assess familial effects on cortical measures, case subjects, unaffected siblings, and control subjects in the NeuroIMAGE study (N=506) were compared. Associations of the attention scale from the Child Behavior Checklist with cortical measures were determined in a pediatric population sample (Generation-R, N=2,707). Results: In the ENIGMA-ADHD sample, lower surface area values were found in children with ADHD, mainly in frontal, cingulate, and temporal regions; the largest significant effect was for total surface area (Cohen’s d=−0.21). Fusiform gyrus and temporal pole cortical thickness was also lower in children with ADHD. Neither surface area nor thickness differences were found in the adolescent or adult groups. Familial effects were seen for surface area in several regions. In an overlapping set of regions, surface area, but not thickness, was associated with attention problems in the Generation-R sample. Conclusions: Subtle differences in cortical surface area are widespread in children but not adolescents and adults with ADHD, confirming involvement of the frontal cortex and highlighting regions deserving further attention. Notably, the alterations behave like endophenotypes in families and are linked to ADHD symptoms in the population, extending evidence that ADHD behaves as a continuous trait in the population. Future longitudinal studies should clarify individual lifespan trajectories that lead to nonsignificant findings in adolescent and adult groups despite the presence of an ADHD diagnosis.

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 Theoretical and empirical accounts suggest that adolescence is associated with heightened reward learning and impulsivity. Experimental tasks and computational models that can dissociate reward learning from the tendency to initiate actions impulsively (action initiation bias) are thus critical to characterise the mechanisms that drive developmental differences. However, existing work has rarely quantified both learning ability and action initiation, or it has tested small samples. Here, using computational modelling of a learning task collected from a large sample ( N =742, 9-18 years, 11 countries), we tested differences in reward and punishment learning and action initiation from childhood to adolescence. Computational modelling revealed that whilst punishment learning rates increased with age, reward learning remained stable. In parallel, action initiation biases decreased with age. Results were similar when considering pubertal stage instead of chronological age. We conclude that heightened reward responsivity in adolescence can reflect differences in action initiation rather than enhanced reward learning.

Abstract Hyperscanning studies have begun to unravel the brain mechanisms underlying social interaction, indicating a functional role for interpersonal neural synchronization (INS), yet the mechanisms that drive INS are poorly understood. While interpersonal synchrony is considered a multimodal phenomenon, it is not clear how different biological and behavioral synchrony markers are related to each other. The current study, thus, addresses whether INS is functionally-distinct from synchrony in other systems – specifically the autonomic nervous system (ANS) and motor behavior. To test this, we used a novel methodological approach, based on concurrent functional near-infrared spectroscopy-electrocardiography, recorded while N = 34 mother-child and stranger-child dyads (child mean age 14 years) engaged in cooperative and competitive tasks. Results showed a marked differentiation between neural, ANS and behavioral synchrony. Importantly, only in the neural domain was higher synchrony for mother-child compared to stranger-child dyads observed. Further, ANS and neural synchrony were positively related during competition but not during cooperation. These results suggest that synchrony in different behavioral and biological systems may reflect distinct processes. Mother-child INS may arise due to neural processes related to social affiliation, which go beyond shared arousal and similarities in behavior.

Abstract Elucidating the neural basis of social behavior is a long-standing challenge in neuroscience. Such endeavors are driven by attempts to extend the isolated perspective on the human brain by considering interacting persons’ brain activities, but a theoretical and computational framework for this purpose is still in its infancy. Here, we posit a comprehensive framework based on bipartite graphs for interbrain networks and address whether they provide meaningful insights into the neural underpinnings of social interactions. First, we show that the nodal density of such graphs exhibits nonrandom properties. While the current analyses mostly rely on global metrics, we encode the regions’ roles via matrix decomposition to obtain an interpretable network representation yielding both global and local insights. With Bayesian modeling, we reveal how synchrony patterns seeded in specific brain regions contribute to global effects. Beyond inferential inquiries, we demonstrate that graph representations can be used to predict individual social characteristics, outperforming functional connectivity estimators for this purpose. In the future, this may provide a means of characterizing individual variations in social behavior or identifying biomarkers for social interaction and disorders.

Abstract DNA methylation profiles of aggressive behavior may capture lifetime cumulative effects of genetic, stochastic, and environmental influences associated with aggression. Here, we report the first large meta-analysis of epigenome-wide association studies (EWAS) of aggressive behavior (N=15,324 participants). In peripheral blood samples of 14,434 participants from 18 cohorts with mean ages ranging from 7 to 68 years, 13 methylation sites were significantly associated with aggression (alpha=1.2×10 −7 ; Bonferroni correction). In cord blood samples of 2,425 children from five cohorts with aggression assessed at mean ages ranging from 4 to 7 years, 83% of these sites showed the same direction of association with childhood aggression ( r =0.74, p=0.006) but no epigenome-wide significant sites were found. Top-sites (48 at a false discovery rate of 5% in the peripherl blood meta-analysis or in a combined meta-analysis of peripheral blood and cord blood) have been associated with chemical exposures, smoking, cognition, metabolic traits, and genetic variation (mQTLs). Three genes whose expression levels were associated with top-sites were previously linked to schizophrenia and general risk tolerance. At six CpGs, DNA methylation variation in blood mirrors variation in the brain. On average 44% (range=3-82%) of the aggression–methylation association was explained by current and former smoking and BMI. These findings point at loci that are sensitive to chemical exposures with potential implications for neuronal functions. We hope these results to be a starting point for studies leading to applications as peripheral biomarkers and to reveal causal relationships with aggression and related traits.

BackgroundConduct disorder is associated with the highest burden of any mental disorder in childhood, yet its neurobiology remains unclear. Inconsistent findings limit our understanding of the role of brain structure alterations in conduct disorder. This study aims to identify the most robust and replicable brain structural correlates of conduct disorder.MethodsThe ENIGMA-Antisocial Behavior Working Group performed a coordinated analysis of structural MRI data from 15 international cohorts. Eligibility criteria were a mean sample age of 18 years or less, with data available on sex, age, and diagnosis of conduct disorder, and at least ten participants with conduct disorder and ten typically developing participants. 3D T1-weighted MRI brain scans of all participants were pre-processed using ENIGMA-standardised protocols. We assessed group differences in cortical thickness, surface area, and subcortical volumes using general linear models, adjusting for age, sex, and total intracranial volume. Group-by-sex and group-by-age interactions, and DSM-subtype comparisons (childhood-onset vs adolescent-onset, and low vs high levels of callous-unemotional traits) were investigated. People with lived experience of conduct disorder were not involved in this study.FindingsWe collated individual participant data from 1185 young people with conduct disorder (339 [28·6%] female and 846 [71·4%] male) and 1253 typically developing young people (446 [35·6%] female and 807 [64·4%] male), with a mean age of 13·5 years (SD 3·0; range 7–21). Information on race and ethnicity was not available. Relative to typically developing young people, the conduct disorder group had lower surface area in 26 cortical regions and lower total surface area (Cohen's d 0·09–0·26). Cortical thickness differed in the caudal anterior cingulate cortex (d 0·16) and the banks of the superior temporal sulcus (d –0·13). The conduct disorder group also had smaller amygdala (d 0·13), nucleus accumbens (d 0·11), thalamus (d 0·14), and hippocampus (d 0·12) volumes. Most differences remained significant after adjusting for ADHD comorbidity or intelligence quotient. No group-by-sex or group-by-age interactions were detected. Few differences were found between DSM-defined conduct disorder subtypes. However, individuals with high callous-unemotional traits showed more widespread differences compared with controls than those with low callous-unemotional traits.InterpretationOur findings provide robust evidence of subtle yet widespread brain structural alterations in conduct disorder across subtypes and sexes, mostly in surface area. These findings provide further evidence that brain alterations might contribute to conduct disorder. Greater consideration of this under-recognised disorder is needed in research and clinical practice.FundingAcademy of Medical Sciences and Economic and Social Research Council.

Abstract Humans synchronize with one another to foster successful interactions. Here, we use a multimodal data fusion approach with the aim of elucidating the neurobiological mechanisms by which interpersonal neural synchronization (INS) occurs. Our meta-analysis of 22 functional magnetic resonance imaging and 69 near-infrared spectroscopy hyperscanning experiments (740 and 3,721 subjects) revealed robust brain-regional correlates of INS in the right temporoparietal junction and left ventral prefrontal cortex. Integrating this meta-analytic information with public databases, biobehavioral and brain-functional association analyses suggested that INS involves sensory-integrative hubs with functional connections to mentalizing and attention networks. On the molecular and genetic levels, we found INS to be associated with GABAergic neurotransmission and layer IV/V neuronal circuits, protracted developmental gene expression patterns, and disorders of neurodevelopment. Although limited by the indirect nature of phenotypic-molecular association analyses, our findings generate new testable hypotheses on the neurobiological basis of INS.