Abstract Introduction Cortical thickness (CT) and surface area (SA) are established biomarkers of brain pathology in posttraumatic stress disorder (PTSD). Structural covariance networks (SCN) constructed from CT and SA may represent developmental associations, or unique interactions between brain regions, possibly influenced by a common causal antecedent. The ENIGMA-PGC PTSD Working Group aggregated PTSD and control subjects’ data from 29 cohorts in five countries (n=3439). Methods Using Destrieux Atlas, we built SCNs and compared centrality measures between PTSD subjects and controls. Centrality is a graph theory measure derived using SCN. Results Notable nodes with higher CT-based centrality in PTSD compared to controls were left fusiform gyrus, left superior temporal gyrus, and right inferior temporal gyrus. We found sex-based centrality differences in bilateral frontal lobe regions, left anterior cingulate, left superior occipital cortex and right ventromedial prefrontal cortex (vmPFC). Comorbid PTSD and MDD showed higher CT-based centrality in the right anterior cingulate gyrus, right parahippocampal gyrus and lower SA-based centrality in left insular gyrus. Conclusion Unlike previous studies with smaller sample sizes (≤318), our study found differences in centrality measures using a sample size of 3439 subjects. This is the first cross-sectional study to examine SCN interactions with age, sex, and comorbid MDD. Although limited to group level inferences, centrality measures offer insights into a node’s relationship to the entire functional connectome unlike approaches like seed-based connectivity or independent component analysis. Nodes having higher centrality have greater structural or functional connections, lending them invaluable for translational treatments like neuromodulation.

PTSD and depression commonly co-occur and have been associated with smaller hippocampal volumes compared to healthy and trauma-exposed controls. However, the hippocampus is heterogeneous, with subregions that may be uniquely affected in individuals with PTSD and depression. We used random effects regressions and a harmonized neuroimaging protocol based on FreeSurfer (v6.0) to identify sub-structural hippocampal markers of current PTSD (C-PTSD), depression, and the interaction of these conditions across 31 cohorts worldwide (N=3,115; Mage=38.9, SD=13.9 years). Secondary analyses tested these associations by sex and after modeling the simultaneous effects of remitted PTSD, childhood trauma, mild traumatic brain injury, and alcohol use disorder on hippocampal subfields. A significant negative main effect of depression (n=800, vs. no depression, n=1456) was observed in the hippocampal tail (beta=-0.13) and CA1 (beta=-0.09) after adjusting for covariates and multiple testing (FDR-adjusted p-values (q)=0.028). A main effect of C-PTSD (n=1042, vs. control, n=1359) was not significant, but an interaction between C-PTSD and depression was significant in the CA1 (beta=-0.24, q=0.044). Pairwise comparisons revealed significantly smaller CA1 volumes in individuals with C-PTSD+Depression than controls (beta=-0.12, q=0.012), C-PTSD-only (beta=-0.17, q=0.001), and Depression-only (beta=-0.18, q=0.023). Follow-up analyses revealed sex effects in the hippocampal tail of depressed females, and an interaction effect of C-PTSD and depression in the fimbria of males. Collectively our results suggest that depression is a stronger predictor of hippocampal volumetry than PTSD, particularly in the CA1, and provide compelling evidence of distinct and more pronounced hippocampal phenotypes in comorbid PTSD and depression compared to either condition alone.

A growing number of studies have examined alterations in white matter organization in people with posttraumatic stress disorder (PTSD) using diffusion MRI (dMRI), but the results have been mixed, which may be partially due to relatively small sample sizes among studies. Altered structural connectivity may be both a neurobiological vulnerability for, and a result of, PTSD. In an effort to find reliable effects, we present a multi-cohort analysis of dMRI metrics across 3,049 individuals from 28 cohorts currently participating in the PGC-ENIGMA PTSD working group (a joint partnership between the Psychiatric Genomics Consortium and the Enhancing NeuroImaging Genetics through Meta-Analysis consortium). Comparing regional white matter metrics across the full brain in 1,446 individuals with PTSD and 1,603 controls (2152 males/897 females) between ages 18-83, 92% of whom were trauma-exposed, we report associations between PTSD and disrupted white matter organization measured by lower fractional anisotropy (FA) in the tapetum region of the corpus callosum (Cohens d=-0.12, p=0.0021). The tapetum connects the left and right hippocampus, structures for which structure and function have been consistently implicated in PTSD. Results remained significant/similar after accounting for the effects of multiple potentially confounding variables: childhood trauma exposure, comorbid depression, history of traumatic brain injury, current alcohol abuse or dependence, and current use of psychotropic medications. Our results show that PTSD may be associated with alterations in the broader hippocampal network.

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.

Abstract The mechanisms by which noninvasive vagal nerve stimulation (nVNS) affect central and peripheral neural circuits that subserve pain and autonomic physiology are not clear, and thus remain an area of intense investigation. Effects of nVNS vs sham stimulation on subject responses to five noxious thermal stimuli (applied to left lower extremity), were measured in 30 healthy subjects (n=15 sham and n=15 nVNS), with fMRI and physiological galvanic skin response (GSR). With repeated noxious thermal stimuli a group × time analysis showed a significantly ( p < .001) decreased response with nVNS in bilateral primary and secondary somatosensory cortices (SI and SII), left dorsoposterior insular cortex, bilateral paracentral lobule, bilateral medial dorsal thalamus, right anterior cingulate cortex, and right orbitofrontal cortex. A group × time × GSR analysis showed a significantly decreased response in nVNS group ( p < .0005) in bilaterally in SI, lower and mid medullary brainstem, and inferior occipital cortex. Finally, nVNS treatment showed decreased activity in pronociceptive brainstem nuclei (e.g. the reticular nucleus and rostral ventromedial medulla) and key autonomic integration nuclei (e.g. the rostroventrolateral medulla, nucleus ambiguous, and dorsal motor nucleus of the vagus nerve). In aggregate, noninvasive vagal nerve stimulation reduced the physiological response to noxious thermal stimuli and impacted neural circuits important for pain processing and autonomic output.

Abstract Background Current clinical assessments of Posttraumatic stress disorder (PTSD) rely solely on subjective symptoms and experiences reported by the patient, rather than objective biomarkers of the illness. Recent advances in data-driven computational approaches have been helpful in devising tools to objectively diagnose psychiatric disorders. Here we aimed to classify individuals with PTSD versus controls using heterogeneous brain datasets from the ENIGMA-PGC PTSD Working group. Methods We analyzed brain MRI data from 3,527 structural-MRI; 2,502 resting state-fMRI; and 1,953 diffusion-MRI. First, we identified the brain features that best distinguish individuals with PTSD from controls (TEHC and HC) using traditional machine learning methods. Second, we assessed the utility of the denoising variational autoencoder (DVAE) and evaluated its classification performance. Third, we assessed the generalizability and reproducibility of both models using leave-one-site-out cross-validation procedure for each modality. Results We found lower performance in classifying PTSD vs. controls with data from over 20 sites (60% test AUC for s-MRI, 59% for rs-fMRI and 56% for d-MRI), as compared to other studies run on single-site data. The performance increased when classifying PTSD from HC without trauma history across all three modalities (75% AUC). The classification performance remained intact when applying the DVAE framework, which reduced the number of features. Finally, we found that the DVAE framework achieved better generalization to unseen datasets compared with the traditional machine learning frameworks, albeit performance was slightly above chance. Conclusion Our findings highlight the promise offered by machine learning methods for the diagnosis of patients with PTSD. The utility of brain biomarkers across three MRI modalities and the contribution of DVAE models for improving generalizability offers new insights into neural mechanisms involved in PTSD. Significance ⍰ Classifying PTSD from trauma-unexposed healthy controls (HC) using three imaging modalities performed well (∼75% AUC), but performance suffered markedly when classifying PTSD from trauma-exposed healthy controls (TEHC) using three imaging modalities (∼60% AUC). ⍰ Using deep learning for feature reduction (denoising variational auto-encoder; DVAE) dramatically reduced the number of features with no concomitant performance degradation. ⍰ Utilizing denoising variational autoencoder (DVAE) models improves generalizability across heterogeneous multi-site data compared with the traditional machine learning frameworks

Abstract Across vertebrate species, sleep consists of repeating cycles of NREM followed by REM. However, the respective functions of NREM and REM states, as well as their stereotypic cycling pattern, are not well understood. Here, using a simplified biophysical network model, we show that NREM and REM sleep can play differential and critical roles in memory consolidation primarily regulated, based on state-specific changes in cholinergic signaling. Within this network, decreasing and increasing muscarinic acetylcholine (ACh) signaling during bouts of NREM and REM, respectively, differentially alter neuronal excitability and excitatory/inhibitory (E/I) balance. Learning was modeled in the network as increased firing in a subpopulation of excitatory neurons in the network (engram neurons) during a high-ACh wake-like stated. During subsequent NREM, ACh-regulated current (m-current) causes deactivation of inhibitory neurons, leading to network-wide disinhibition and bursts of synchronized activity led by firing in engram neurons. Together, these features strengthen connections from the original engram neurons to less-active excitatory network neurons, which become incorporated into the memory engram. In contrast, when m-current is blocked during subsequent REM, an increase in network inhibition suppresses firing in all but the most-active excitatory neurons, leading to competitive elimination of newly-recruited neurons from the memory trace. We find that an iterative sequence of state-specific activations during NREM/REM cycling is essential for memory storage in the network, serving a critical role during simultaneous consolidation of multiple memories. When sleep cycles were reversed (i.e., REM followed by NREM), or one longer cycle was substituted for multiple shorter cycles, neither of two memories is successfully consolidated. Together these results provide a mechanistic, testable hypothesis for the respective roles of both NREM and REM sleep, and their universal timing, in memory consolidation.