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 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.

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 Background The number of words children produce (expressive vocabulary) and understand (receptive vocabulary) changes rapidly during early development, partially due to genetic factors, although mechanisms are not well understood. Here, we performed a meta-genome-wide association study within the EAGLE consortium and investigated polygenic overlap with later-life traits, including Attention-Deficit/Hyperactivity Disorder (ADHD) and cognition. Methods We studied 37,913 parent-reported vocabulary size measures (English, Dutch, Danish) for 17,298 children of European descent. Meta-analyses were performed for early-phase expressive (infancy, 15-18 months), late-phase expressive (toddlerhood, 24-38 months) and late-phase receptive (toddlerhood, 24-38 months) vocabulary. Subsequently, we estimated Single-Nucleotide Polymorphism heritability (SNP-h 2 ), genetic correlations (r g ) and modelled underlying genetic factor structures with multivariate models. Results Contributions of common genetic variation to early-life vocabulary were modest (SNP-h 2 : 0.08(SE=0.01) to 0.24(SE=0.03)) and multi-factorial. Genetic overlap between infant expressive and toddler receptive vocabulary was near zero (r g =0.07(SE=0.10)), although both measures were genetically related to toddler expressive vocabulary (r g =0.69(SE=0.14) and r g =0.67(SE=0.16), respectively). Consistently, polygenic association patterns with later-life traits differed: Genetic links with cognition emerged only in toddlerhood (e.g. toddler receptive vocabulary and intelligence: r g =0.36(SE=0.12)), despite comparable study power for infant measures. Furthermore, increased polygenic ADHD risk was associated with larger infant expressive vocabulary (r g =0.23(SE=0.08)), as confirmed by ADHD-symptom-based follow-up analyses in the Avon Longitudinal Study of Parents and Children (ALSPAC-r g =0.54(SE=0.26)). Genetic relationships with toddler receptive vocabulary were, however, opposite (ALSPAC-r g =-0.74(SE=0.23)), highlighting developmental changes in genetic architectures. Conclusions Multiple genetic components contribute to early-life vocabulary development, shaping polygenic association patterns with later-life ADHD symptoms and cognition.