Abstract This is the first study investigating the genetics of weighted functional brain network graph theory measures from 18,445 participants of the UK Biobank (44-80 years). The eighteen measures studied showed low heritability (mean h 2 SNP =0.12) and were highly genetically correlated. Genome-wide association studies for these measures observed 14 significant variants associated with strength of somatomotor and limbic networks. These intergenic variants were located near the PAX8 gene on chromosome 2. Gene-based analyses identified five significantly associated genes for five of the network measures, which have been implicated in sleep duration, neuronal differentiation/development, cancer, and susceptibility to neurodegenerative diseases. Genetic correlations with other traits were examined and significant correlations were observed with sleep measures and psychiatric symptoms. Further analysis found that somatomotor network strength was phenotypically associated with sleep duration and insomnia. Single nucleotide polymorphism (SNP) and gene level associations with functional network measures were identified, which may help uncover novel biological pathways relevant to human brain functional network integrity and diseases that affect it.

ABSTRACT BACKGROUND Age and sex associated with changes in functional brain network topology and cognition in large population of older adults have been poorly understood. We explored this question further by examining differences in 11 resting-state graph theory measures with respect to age, sex, and their relationships with cognitive performance in 17,127 UK Biobank participants (mean=62.83±7.41 years). METHODS Brain connectivity toolbox was used to derive the graph theory measures that assessed network integration, segregation, and strength. Multiple linear regression was performed the relationship between age, sex, cognition, and network measures. Subsequently, multivariate analysis was done to further examine the joint effect of the network measures on cognitive functions. RESULTS Age was associated with an overall decrease in the effectiveness of network communication (i.e. integration) and loss of functional specialisation (i.e. segregation) of specific brain regions. Sex differences were also observed, with women showing more efficient networks which were less segregated than in men (FDR adjusted p <.05). Age-related changes were also more apparent in men than women, which suggests that men may be more vulnerable to cognitive decline with age. Interestingly, while network segregation and strength of limbic network were only nominally associated with cognitive performance, the network measures collectively were significantly associated with cognition (FDR adjusted p ≤.002). This may imply that individual measures may be inadequate to capture much of the variance in neural activity or its output and need further refinement. CONCLUSION The complexity of the functional brain organisation may be shaped by an individual’s age and sex, which ultimately may influence cognitive performance of older adults. Age and sex stratification may be used to inform clinical neuroscience research to identify older adults at risk of cognitive dysfunction.

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 22,824 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 160 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.

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.

DNA methylation, which is modulated by both genetic factors and environmental exposures, may offer a unique opportunity to discover novel biomarkers of disease-related brain phenotypes, even when measured in other tissues than brain, such as blood. A few studies of small sample sizes have revealed associations between blood DNA methylation and neuropsychopathology, however, large-scale epigenome-wide association studies (EWAS) are needed to investigate the utility of DNA methylation profiling as a peripheral marker for the brain. Here, in an analysis of eleven international cohorts, totalling 3,337 individuals, we report epigenome-wide meta-analyses of blood DNA methylation with volumes of the hippocampus, thalamus and nucleus accumbens (NAcc) -three subcortical regions selected for their associations with disease and heritability and volumetric variability. Analyses of individual CpGs revealed genome-wide significant associations with hippocampal volume at two loci. No significant associations were found for analyses of thalamus and nucleus accumbens volumes. CpG sites associated with hippocampus volume were significantly enriched within cancer-related genes and within regulatory elements containing the transcriptionally repressive histone H3K27 tri-methylation mark that is vital for stem cell fate specification. Cluster-based analyses revealed additional differentially methylated regions (DMRs) associated with hippocampal volume. DNA methylation at these loci affected expression of proximal genes involved in in learning and memory, stem cell maintenance and differentiation, fatty acid metabolism and type-2 diabetes. These DNA methylation marks, their interaction with genetic variants and their impact on gene expression offer new insights into the relationship between epigenetic variation and brain structure and may provide the basis for biomarker discovery in neurodegeneration and neuropsychiatric conditions.

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.

Healthy ageing is accompanied by a constellation of changes in cognitive processes and alterations in functional brain networks. The relationships between brain networks and cognition during ageing in later life are moderated by demographic and environmental factors, such as prior education, in a poorly understood manner. Using multivariate analyses, we identify three latent patterns (or modes) linking resting-state functional connectivity to demographic and cognitive measures in 101 cognitively-normal elders. The first mode (p=0.00043) captures an opposing association between age and core cognitive processes such as attention and processing speed on functional connectivity patterns. The functional subnetwork expressed by this mode links bilateral sensorimotor and visual regions through key areas such as the parietal operculum. A strong, independent association between years of education and functional connectivity loads onto a second mode (p=0.012), characterised by the involvement of key hub-regions. A third mode (p=0.041) captures weak, residual brain-behaviour relations. Our findings suggest that circuits supporting lower-level cognitive processes are most sensitive to the influence of age in healthy older adults. Education, and to a lesser extent, executive functions, load independently onto functional networks - suggesting that the moderating effect of education acts upon networks distinct from those vulnerable with ageing. This has important implications in understanding the contribution of education to cognitive reserve during healthy ageing.

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.

Abstract The critical role of blood lipids in a broad range of health and disease states is well recognised, while an understanding of the complex genetic regulation of lipid homeostasis is emerging. Traditional blood lipids (LDL-C, HDL-C and triglycerides) are known to be substantially regulated by genetic variation. Less well explored is the interplay of genetics and environment within the broader blood lipidome. Here we use the twin model to examine heritability of the plasma lipidome among healthy older aged twins and explore gene expression and epigenetic (DNA methylation) associations of these lipids. Heritability of 209 plasma lipids quantified by liquid chromatography coupled mass spectrometry (LC-MS) was assessed in 75 monozygotic and 55 dizygotic twin pairs enrolled in the Older Australian Twins Study (OATS), aged 69-93 years. Only 27/209 lipids (13.3%) were significantly heritable under the classical ACE twin model ( h 2 = 0.28-0.59). Ceramides (Cer) and triglycerides (TG) were most heritable, while sphingomyelins (SM) and most phospholipids, especially lysophospholipids, were not significantly heritable. Lipid levels correlated with 3731 transcripts. Relative to non-significantly heritable TGs, heritable TGs had a greater number of associations with gene transcripts, which were not directly associated with lipid metabolism, but with immune function, signalling and transcriptional regulation. Genome-wide average DNA methylation (GWAM) levels accounted for a proportion of variability in some non-heritable lipids, especially lysophosphatidylcholine (LPC). We found a complex interplay of genetic and environmental influences on the ageing plasma lipidome, with most of the variation controlled by unique environmental influences.

Subcortical brain structures are integral to motion, consciousness, emotions, and learning. We identified common genetic variation related to the volumes of nucleus accumbens, amygdala, brainstem, caudate nucleus, globus pallidus, putamen, and thalamus, using genome-wide association analyses in over 40,000 individuals from CHARGE, ENIGMA and the UK-Biobank. We show that variability in subcortical volumes is heritable, and identify 25 significantly associated loci (20 novel). Annotation of these loci utilizing gene expression, methylation, and neuropathological data identified 62 candidate genes implicated in neurodevelopment, synaptic signaling, axonal transport, apoptosis, and susceptibility to neurological disorders. This set of genes is significantly enriched for Drosophila orthologs associated with neurodevelopmental phenotypes, suggesting evolutionarily conserved mechanisms. Our findings uncover novel biology and potential drug targets underlying brain development and disease.