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.

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.

Abstract Schizophrenia is a biologically complex disorder with multiple regional deficits in cortical brain morphology. In addition, interindividual heterogeneity of cortical morphological metrics is larger in patients with schizophrenia when compared to healthy controls. Exploiting interindividual differences in severity of cortical morphological deficits in patients instead of focusing on group averages may aid in detecting biologically informed homogeneous subgroups. The Person-Based Similarity Index (PBSI) of brain morphology indexes an individual’s morphometric similarity across numerous cortical regions amongst a sample of healthy subjects. We extended the PBSI such that it indexes morphometric similarity of an independent individual (e.g., a patient) with respect to healthy control subjects. By employing a normative modeling approach on longitudinal data, we determined an individual’s degree of morphometric dissimilarity to the norm. We calculated the PBSI for sulcal width (PBSI-SW) in patients with schizophrenia and healthy control subjects (164 patients, 164 healthy controls; 656 MRI scans) and associated it with cognitive performance and cortical sulcation index. A subgroup of patients with markedly deviant PBSI-SW showed extreme deficits in cognitive performance and cortical sulcation. Progressive reduction of PBSI-SW in the schizophrenia group relative to healthy controls was driven by these deviating individuals. By explicitly leveraging interindividual differences in severity of PBSI-SW deficits, neuroimaging-driven subgrouping of patients is feasible. As such, our results pave the way for future applications of morphometric similarity indices for subtyping of clinical populations.

The cerebral cortex underlies our complex cognitive capabilities, yet we know little about the specific genetic loci influencing human cortical structure. To identify genetic variants, including structural variants, impacting cortical structure, we conducted a genome-wide association meta-analysis of brain MRI data from 51,662 individuals. We analysed the surface area and average thickness of the whole cortex and 34 regions with known functional specialisations. We identified 255 nominally significant loci ( P ≤ 5 × 10−8); 199 survived multiple testing correction ( P ≤ 8.3 × 10−10; 187 surface area; 12 thickness). We found significant enrichment for loci influencing total surface area within regulatory elements active during prenatal cortical development, supporting the radial unit hypothesis. Loci impacting regional surface area cluster near genes in Wnt signalling pathways, known to influence progenitor expansion and areal identity. Variation in cortical structure is genetically correlated with cognitive function, Parkinson’s disease, insomnia, depression and ADHD.One Sentence Summary Common genetic variation is associated with inter-individual variation in the structure of the human cortex, both globally and within specific regions, and is shared with genetic risk factors for some neuropsychiatric disorders.

Summary Human brain structure changes throughout our lives. Altered brain growth or rates of decline are implicated in a vast range of psychiatric, developmental, and neurodegenerative diseases. Here, we identified common genetic variants that affect rates of brain growth or atrophy, in the first genome-wide association meta-analysis of changes in brain morphology across the lifespan. Longitudinal MRI data from 15,640 individuals were used to compute rates of change for 15 brain structures. The most robustly identified genes GPR139, DACH1 and APOE are associated with metabolic processes. We demonstrate global genetic overlap with depression, schizophrenia, cognitive functioning, insomnia, height, body mass index and smoking. Gene-set findings implicate both early brain development and neurodegenerative processes in the rates of brain changes. Identifying variants involved in structural brain changes may help to determine biological pathways underlying optimal and dysfunctional brain development and ageing.

Morphometric similarity is a recently developed neuroimaging phenotype of inter-regional connectivity by quantifying the similarity of a region to other regions based on multiple MRI parameters. Altered average morphometric similarity has been reported in psychotic disorders at the group level, with considerable heterogeneity across individuals. We used normative modeling to address cross-sectional and longitudinal inter-individual heterogeneity of morphometric similarity in health and schizophrenia.

Abstract Childhood adversity is one of the strongest predictors of adolescent mental illness. Therefore, it is critical that the mechanisms that aid resilient functioning in individuals exposed to childhood adversity are better understood. Here, we examined whether resilient functioning was related to structural brain network topology. We quantified resilient functioning at the individual level as psychosocial functioning adjusted for the severity of childhood adversity in a large sample of adolescents (N=2406, aged 14-24). Next, we examined nodal degree (the number of connections that brain regions have in a network) using brain-wide cortical thickness measures in a representative subset (N=275) using a sliding window approach. We found that higher resilient functioning was associated with lower nodal degree of multiple regions including the dorsolateral prefrontal cortex, the medial prefrontal cortex, and the posterior superior temporal sulcus ( z > 1.645). During adolescence, decreases in nodal degree are thought to reflect a normative developmental process that is part of the extensive remodelling of structural brain network topology. Prior findings in this sample showed that decreased nodal degree was associated with age, as such our findings of negative associations between nodal degree and resilient functioning may therefore potentially resemble a more mature structural network configuration in individuals with higher resilient functioning.

Abstract Sex differences in development and aging of human sulcal morphology have been understudied. We charted sex differences in trajectories and inter-individual variability of global sulcal depth, width, and length, pial surface area, exposed (hull) gyral surface area, unexposed sulcal surface area, cortical thickness, and cortex volume across the lifespan in a longitudinal sample (700 scans, 194 participants two scans, 104 three scans, age range: 16-70 years) of neurotypical males and females. After adjusting for brain volume, females had thicker cortex and steeper thickness decline until age 40 years; trajectories converged thereafter. Across sexes, sulcal shortening was faster before age 40, while sulcal shallowing and widening were faster thereafter. While hull area remained stable, sulcal surface area declined and was more strongly associated with sulcal shortening than with sulcal shallowing and widening. Males showed greater variability for cortex volume and thickness and lower variability for sulcal width. Across sexes, variability decreased with age for all measures except for cortical volume and thickness. Our findings highlight the association between loss of sulcal area, notably through sulcal shortening, with cortex volume loss. Studying sex differences in lifespan trajectories may improve knowledge of individual differences in brain development and the pathophysiology of neuropsychiatric conditions.

Abstract Scaling between subcomponents of cortical folding and total brain volume (TBV) in healthy individuals (HI) is allometric, i.e. non-linear. It is unclear whether this is also true in individuals with schizophrenia (SZ) or first-episode psychosis (FEP). The current study first confirmed normative allometric scaling norms in HI using discovery and replication samples. Cross-sectional and longitudinal diagnostic differences in folding subcomponents were then assessed using an allometric analytic framework. Structural imaging from a longitudinal (sample 1: HI and SZ, n HI Baseline = 298, n SZ Baseline = 169, n HI Follow-up = 293, n SZ Follow-up = 168, a total of 1087 images, all individuals ≥ 2 images, age 16-69 years) and a cross-sectional sample (sample 2: n HI = 61 and n FEP = 89, age 10-30 years) is leveraged to calculate global folding and its nested subcomponents: sulcation index (SI, total sulcal/cortical hull area) and determinants of sulcal area; sulcal length and sulcal depth. Scaling of the SI, sulcal area, and sulcal length with TBV in SZ and FEP was allometric and did not differ from HI. Longitudinal age trajectories demonstrated steeper loss of SI and sulcal area through adulthood in SZ. Longitudinal allometric analysis revealed that both annual change in SI and sulcal area was significantly stronger related to change in TBV in SZ compared to HI. Our results detail the first evidence of the disproportionate contribution of changes in SI and sulcal area to TBV changes in SZ. Longitudinal allometric analysis of sulcal morphology provides deeper insight into lifespan trajectories of cortical folding in SZ.