Abstract The use of spoken and written language is a capacity that is unique to humans. Individual differences in reading- and language-related skills are influenced by genetic variation, with twin-based heritability estimates of 30-80%, depending on the trait. The relevant genetic architecture is complex, heterogeneous, and multifactorial, and yet to be investigated with well-powered studies. Here, we present a multicohort genome-wide association study (GWAS) of five traits assessed individually using psychometric measures: word reading, nonword reading, spelling, phoneme awareness, and nonword repetition, with total sample sizes ranging from 13,633 to 33,959 participants aged 5-26 years (12,411 to 27,180 for those with European ancestry, defined by principal component analyses). We identified a genome-wide significant association with word reading (rs11208009, p=1.098 × 10 −8 ) independent of known loci associated with intelligence or educational attainment. All five reading-/language-related traits had robust SNP-heritability estimates (0.13–0.26), and genetic correlations between them were modest to high. Using genomic structural equation modelling, we found evidence for a shared genetic factor explaining the majority of variation in word and nonword reading, spelling, and phoneme awareness, which only partially overlapped with genetic variation contributing to nonword repetition, intelligence and educational attainment. A multivariate GWAS was performed to jointly analyse word and nonword reading, spelling, and phoneme awareness, maximizing power for follow-up investigation. Genetic correlation analysis of multivariate GWAS results with neuroimaging traits identified association with cortical surface area of the banks of the left superior temporal sulcus, a brain region with known links to processing of spoken and written language. Analysis of evolutionary annotations on the lineage that led to modern humans showed enriched heritability in regions depleted of Neanderthal variants. Together, these results provide new avenues for deciphering the biological underpinnings of these uniquely human traits.

ABSTRACT Objective Some studies have suggested alterations of structural brain asymmetry in attention-deficit/hyperactivity disorder (ADHD), but findings have been contradictory and based on small samples. Here we performed the largest-ever analysis of brain left-right asymmetry in ADHD, using 39 datasets of the ENIGMA consortium. Methods We analyzed asymmetry of subcortical and cerebral cortical structures in up to 1,978 people with ADHD and unaffected 1,917 controls. Asymmetry Indexes (AIs) were calculated per participant for each bilaterally paired measure, and linear mixed effects modelling was applied separately in children, adolescents, adults, and the total sample, to test exhaustively for potential associations of ADHD with structural brain asymmetries. Results There was no evidence for altered caudate nucleus asymmetry in ADHD, in contrast to prior literature. In children, there was less rightward asymmetry of the total hemispheric surface area compared to controls ( t =2.4, P =0.019). Lower rightward asymmetry of medial orbitofrontal cortex surface area in ADHD ( t =2.4, P =0.007) was similar to a recent finding for autism spectrum disorder. There were also some differences in cortical thickness asymmetry across age groups. In adults with ADHD, globus pallidus asymmetry was altered compared to those without ADHD. However, all effects were small (Cohen’s d from −0.18 to 0.18) and would not survive study-wide correction for multiple testing. Conclusion Prior studies of altered structural brain asymmetry in ADHD were likely underpowered to detect the small effects reported here. Altered structural asymmetry is unlikely to provide a useful biomarker for ADHD, but may provide neurobiological insights into the trait.

Abstract Left-right laterality is an important aspect of human brain organization for which the genetic basis is poorly understood. Using RNA sequencing data we contrasted gene expression in left- and right-sided samples from several structures of the anterior central nervous systems of post mortem human embryos and fetuses. While few individual genes stood out as significantly lateralized, most structures showed evidence of laterality of their overall transcriptomic profiles. These left-right differences showed overlap with age-dependent changes in expression, indicating lateralized maturation rates, but not consistently in left-right orientation over all structures. Brain asymmetry may therefore originate in multiple locations, or if there is a single origin, it is earlier than 5 weeks post conception, with structure-specific lateralized processes already underway by this age. This pattern is broadly consistent with the weak correlations reported between various aspects of adult brain laterality, such as language dominance and handedness.

Left-handedness is a complex trait which might sometimes involve rare, monogenic contributions. Situs inversus (SI) of the visceral organs can occur with Primary Ciliary Dyskinesia (PCD), due to mutations which affect left-right axis formation. Roughly 10% of people with SI and PCD are left-handed, similar to the general population. However, in non-PCD SI, the rate of left-handedness may be elevated. We sequenced the genomes of nine non-PCD SI people who show an elevated rate of left-handedness (five out of nine). We also sequenced six SI people with PCD as positive controls, and fifteen unaffected people as technical controls. Recessive mutations in known PCD genes were found in all positive controls with PCD. Of the nine non-PCD SI cases, two had recessive mutations in known PCD genes, suggesting reduced penetrance for PCD, and one had a recessive mutation in the non-PCD laterality gene PKD1L1. However, six of the nine non-PCD SI cases, including most of the left-handers, had no mutations in likely candidate genes, nor any significant biological pathways affected by their mutations. Therefore we did not identify a molecular link between visceral and brain laterality. While we cannot exclude a monogenic basis for non-PCD SI with left-handedness, multifactorial and non-genetic models must also be considered.

Abstract Autism spectrum disorder (ASD) and schizophrenia have been conceived as partly opposing disorders in terms of systemizing versus empathizing cognitive styles, with resemblances to male versus female average sex differences. Left-right asymmetry of the brain is an important aspect of its organization that shows average differences between the sexes, and can be altered in both ASD and schizophrenia. Here we mapped multivariate associations of polygenic risk scores (PRS) for ASD and schizophrenia with asymmetries of regional cerebral cortical surface area, thickness and subcortical volume measures in 32,256 participants from the UK Biobank. PRS for the two disorders were positively correlated (r=0.08, p=7.13×10 −50 ), and both were higher in females compared to males, consistent with biased participation against higher-risk males. Each PRS was associated with multivariate brain asymmetry after adjusting for sex, ASD PRS r=0.03, p=2.17×10 −9 , schizophrenia PRS r=0.04, p=2.61×10 −11 , but the multivariate patterns were mostly distinct for the two PRS, and neither resembled average sex differences. Annotation based on meta-analyzed functional imaging data showed that both PRS were associated with asymmetries of regions important for language and executive functions, consistent with behavioural associations that arose in phenome-wide association analysis. Overall, the results indicate that distinct patterns of subtly altered brain asymmetry may be functionally relevant manifestations of polygenic risk for ASD and schizophrenia, but do not support brain masculinization or feminization in their etiologies.

Abstract Roughly 10% of the human population is left-handed, and this rate is increased in some brain-related disorders. The neuroanatomical correlates of hand preference have remained equivocal. We re-sampled structural brain image data from 28,802 right-handers and 3,062 left-handers (UK Biobank population dataset) to a symmetrical surface template, and mapped asymmetries for each of 8,681 vertices across the cerebral cortex in each individual. Left-handers and right-handers showed average differences of surface area asymmetry within fusiform, anterior insular, anterior-middle-cingulate and precentral cortex. Meta-analyzed functional imaging data implicated these regions in executive functions and language. Polygenic disposition to left-handedness was associated with two of these regional asymmetries, and 18 loci previously linked with left-handedness by genome-wide screening showed associations with one or more of these asymmetries. Implicated genes included six encoding microtubule-related proteins: TUBB, TUBA1B, TUBB3, TUBB4A, MAP2 and NME7 – the latter is mutated in left-right reversal of the visceral organs. There were also two cortical regions where average thickness asymmetry was altered in left-handedness: on the postcentral gyrus and inferior occipital cortex, functionally annotated with hand sensorimotor and visual roles. These cortical thickness asymmetries were not heritable. Heritable surface area asymmetries of language-related regions may link the etiologies of hand preference and language, whereas non-heritable asymmetries of sensorimotor cortex may manifest as consequences of hand preference.

Abstract White matter tracts form the structural basis of large-scale functional networks in the human brain. We applied brain-wide tractography to diffusion images from 30,810 adult participants (UK Biobank), and found significant heritability for 90 regional connectivity measures and 851 tract-wise connectivity measures. Multivariate genome-wide association analyses identified 355 independently associated lead SNPs across the genome, of which 77% had not been previously associated with human brain metrics. Enrichment analyses implicated neurodevelopmental processes including neurogenesis, neural differentiation, neural migration, neural projection guidance, and axon development, as well as prenatal brain expression especially in stem cells, astrocytes, microglia and neurons. We used the multivariate association profiles of lead SNPs to identify 26 genomic loci implicated in structural connectivity between core regions of the left-hemisphere language network, and also identified 6 loci associated with hemispheric left-right asymmetry of structural connectivity. Polygenic scores for schizophrenia, bipolar disorder, autism spectrum disorder, attention-deficit hyperactivity disorder, left-handedness, Alzheimer’s disease, amyotrophic lateral sclerosis, and epilepsy showed significant multivariate associations with structural connectivity, each implicating distinct sets of brain regions with trait-relevant functional profiles. This large-scale mapping study revealed common genetic contributions to the structural connectome of the human brain in the general adult population, highlighting links with polygenic disposition to brain disorders and behavioural traits. One sentence summary Variability in white matter fiber tracts of the human brain is associated with hundreds of newly discovered genomic loci that especially implicate stem, neural and glial cells during prenatal development, and is also associated with polygenic dispositions to various brain disorders and behavioural traits.

Abstract Cortical asymmetry is a ubiquitous feature of brain organization that is subtly altered in some neurodevelopmental disorders, yet we lack knowledge of how its development proceeds across life in health. Achieving consensus on the precise cortical asymmetries in humans is necessary to uncover the genetic and later influences that shape them, such as age. Here, we delineate population-level asymmetry in cortical thickness and surface area vertex-wise in 7 datasets and chart asymmetry trajectories longitudinally across life (4-89 years; observations = 3937; 70% longitudinal). We find replicable asymmetry interrelationships, heritability maps, and test asymmetry associations in large-scale data. Cortical asymmetry was robust across datasets. Whereas areal asymmetry is predominantly stable across life, thickness asymmetry grows in childhood and peaks in early adulthood. Areal asymmetry correlates phenotypically and genetically in specific regions, and is low-moderately heritable (max h 2 SNP ∼19%). In contrast, thickness asymmetry is globally interrelated across the cortex in a pattern suggesting highly left-lateralized individuals tend towards left-lateralization also in population-level right-asymmetric regions (and vice versa), and exhibits low or absent heritability. We find less areal asymmetry in the most consistently lateralized region in humans associates with subtly lower cognitive ability, and confirm small handedness and sex effects. Results suggest areal asymmetry is developmentally stable and arises in early life through genetic but mainly subject-specific stochastic effects, whereas childhood developmental growth shapes thickness asymmetry and may lead to directional variability of global thickness lateralization in the population.

Abstract Only a small number of studies have assessed structural differences between the two hemispheres during childhood and adolescence. However, the existing findings lack consistency or are restricted to a particular brain region, a specific brain feature, or a relatively narrow age range. Here, we investigated associations between brain asymmetry and age as well as sex in one of the largest pediatric samples to date ( n = 4265), aged 1–18 years, scanned at 69 sites participating in the ENIGMA (Enhancing NeuroImaging Genetics through Meta‐Analysis) consortium. Our study revealed that significant brain asymmetries already exist in childhood, but their magnitude and direction depend on the brain region examined and the morphometric measurement used (cortical volume or thickness, regional surface area, or subcortical volume). With respect to effects of age, some asymmetries became weaker over time while others became stronger; sometimes they even reversed direction. With respect to sex differences, the total number of regions exhibiting significant asymmetries was larger in females than in males, while the total number of measurements indicating significant asymmetries was larger in males (as we obtained more than one measurement per cortical region). The magnitude of the significant asymmetries was also greater in males. However, effect sizes for both age effects and sex differences were small. Taken together, these findings suggest that cerebral asymmetries are an inherent organizational pattern of the brain that manifests early in life. Overall, brain asymmetry appears to be relatively stable throughout childhood and adolescence, with some differential effects in males and females.

A bstract Temporal lobe epilepsy (TLE), a common drug-resistant epilepsy in adults, is primarily a limbic network disorder associated with predominant unilateral hippocampal pathology. Structural MRI has provided an in vivo window into whole-brain grey matter pathology in TLE relative to controls, by either mapping (i) atypical inter-hemispheric asymmetry or (ii) regional atrophy. However, similarities and differences of both atypical asymmetry and regional atrophy measures have not been systematically investigated. Here, we addressed this gap using the multi-site ENIGMA-Epilepsy dataset comprising MRI brain morphological measures in 732 TLE patients and 1,418 healthy controls. We compared spatial distributions of grey matter asymmetry and atrophy in TLE, contextualized their topographies relative to spatial gradients in cortical microstructure and functional connectivity, and examined clinical associations using machine learning. We identified a marked divergence in the spatial distribution of atypical inter-hemispheric asymmetry and regional atrophy mapping. The former revealed a temporo-limbic disease signature while the latter showed diffuse and bilateral patterns. Our findings were robust across individual sites and patients. Cortical atrophy was significantly correlated with disease duration and age at seizure onset, while degrees of asymmetry did not show a significant relationship to these clinical variables. Our findings highlight that the mapping of atypical inter-hemispheric asymmetry and regional atrophy tap into two complementary aspects of TLE-related pathology, with the former revealing primary substrates in ipsilateral limbic circuits and the latter capturing bilateral disease effects. These findings refine our notion of the neuropathology of TLE and may inform future discovery and validation of complementary MRI biomarkers in TLE.