SUMMARY Epilepsy is increasingly conceptualized as a network disorder. In this cross-sectional mega-analysis, we integrated neuroimaging and connectome analysis to identify network associations with atrophy patterns in 1,021 adults with epilepsy compared to 1,564 healthy controls from 19 international sites. In temporal lobe epilepsy, areas of atrophy co-localized with highly interconnected cortical hub regions, whereas idiopathic generalized epilepsy showed preferential subcortical hub involvement. These morphological abnormalities were anchored to the connectivity profiles of distinct disease epicenters, pointing to temporo-limbic cortices in temporal lobe epilepsy and fronto-central cortices in idiopathic generalized epilepsy. Indices of progressive atrophy further revealed a strong influence of connectome architecture on disease progression in temporal lobe, but not idiopathic generalized, epilepsy. Our findings were reproduced across individual sites and single patients, and were robust across different analytical methods. Through worldwide collaboration in ENIGMA-Epilepsy, we provided novel insights into the macroscale features that shape the pathophysiology of common epilepsies.

The progression of Parkinson's disease (PD) is associated with microstructural alterations in neural pathways, contributing to both motor and cognitive decline. However, conflicting findings have emerged due to the use of heterogeneous methods in small studies. Here we performed a large diffusion MRI study in PD, integrating data from 17 cohorts worldwide, to identify stage-specific profiles of white matter differences. Diffusion-weighted MRI data from 1654 participants diagnosed with PD (age: 20–89 years; 33% female) and 885 controls (age: 19–84 years; 47% female) were analyzed using the ENIGMA-DTI protocol to evaluate white matter microstructure. Skeletonized maps of fractional anisotropy (FA) and mean diffusivity (MD) were compared across Hoehn and Yahr (HY) disease groups and controls to reveal the profile of white matter alterations at different stages. We found an enhanced, more widespread pattern of microstructural alterations with each stage of PD, with eventually lower FA and higher MD in almost all regions of interest: Cohen's d effect sizes reached d = −1.01 for FA differences in the fornix at PD HY Stage 4/5. The early PD signature in HY stage 1 included higher FA and lower MD across the entire white matter skeleton, in a direction opposite to that typical of other neurodegenerative diseases. FA and MD were associated with motor and non-motor clinical dysfunction. While overridden by degenerative changes in the later stages of PD, early PD is associated with paradoxically higher FA and lower MD in PD, consistent with early compensatory changes associated with the disorder.

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.

The common human epilepsies are associated with distinct patterns of reduced cortical thickness, detectable on neuroimaging, with important clinical consequences. To explore underlying mechanisms, we layered MRI-based cortical structural maps from a large-scale epilepsy neuroimaging study onto highly spatially-resolved human brain gene expression data, identifying >2,500 genes overexpressed in regions of reduced cortical thickness, compared to relatively-protected regions. The resulting set of differentially-expressed genes shows enrichment for microglial markers, and in particular, activated microglial states. Parallel analyses of cell-specific eQTLs show enrichment in human genetic signatures of epilepsy severity, but not epilepsy causation. Post mortem brain tissue from humans with epilepsy shows excess activated microglia. In an experimental model, depletion of activated microglia prevents cortical thinning, but not the development of chronic seizures. These convergent data strongly implicate activated microglia in cortical thinning, representing a new dimension for concern and disease modification in the epilepsies, potentially distinct from seizure control.

Objective: The intricate neuroanatomical structure of the cerebellum is of longstanding interest in epilepsy, but has been poorly characterized within the current cortico-centric models of this disease. We quantified cross-sectional regional cerebellar lobule volumes using structural MRI in 1,602 adults with epilepsy and 1,022 healthy controls across twenty-two sites from the global ENIGMA-Epilepsy working group. Methods: A state-of-the-art deep learning-based approach was employed that parcellates the cerebellum into 28 neuroanatomical subregions. Linear mixed models compared total and regional cerebellar volume in i) all epilepsies; ii) temporal lobe epilepsy with hippocampal sclerosis (TLE-HS); iii) non-lesional temporal lobe epilepsy (TLE-NL); iv) genetic generalised epilepsy; and (v) extra-temporal focal epilepsy (ETLE). Relationships were examined for cerebellar volume versus age at seizure onset, duration of epilepsy, phenytoin treatment, and cerebral cortical thickness. Results: Across all epilepsies, reduced total cerebellar volume was observed (d=0.42). Maximum volume loss was observed in the corpus medullare (dmax=0.49) and posterior lobe grey matter regions, including bilateral lobules VIIB (dmax= 0.47), Crus I/II (dmax= 0.39), VIIIA (dmax=0.45) and VIIIB (dmax=0.40). Earlier age at seizure onset (ηρ2max=0.05) and longer epilepsy duration (ηρ2max=0.06) correlated with reduced volume in these regions. Findings were most pronounced in TLE-HS and ETLE with distinct neuroanatomical profiles observed in the posterior lobe. Phenytoin treatment was associated with reduced posterior lobe volume. Cerebellum volume correlated with cerebral cortical thinning more strongly in the epilepsy cohort than in controls. Significance: We provide robust evidence of deep cerebellar and posterior lobe subregional grey matter volume loss in patients with chronic epilepsy. Volume loss was maximal for posterior subregions implicated in non-motor functions, relative to motor regions of both the anterior and posterior lobe. Associations between cerebral and cerebellar changes, and variability of neuroanatomical profiles across epilepsy syndromes argue for more precise incorporation of cerebellum subregions into neurobiological models of epilepsy.

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.

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.

Epilepsy is associated with genetic risk factors and cortico-subcortical network alterations, but associations between neurobiological mechanisms and macroscale connectomics remain unclear. This multisite ENIGMA-Epilepsy study examined whole-brain structural covariance networks in patients with epilepsy and related findings to postmortem co-expression patterns of epilepsy risk genes. Brain network analysis included 578 adults with temporal lobe epilepsy (TLE), 288 adults with idiopathic generalized epilepsy (IGE), and 1,328 healthy controls from 18 centres worldwide. Graph theoretical analysis of structural covariance networks revealed increased clustering and path length in orbitofrontal and temporal regions in TLE, suggesting a shift towards network regularization. Conversely, people with IGE showed decreased clustering and path length in fronto-temporo-parietal cortices, indicating a random network configuration. Syndrome-specific topological alterations reflected expression patterns of risk genes for hippocampal sclerosis in TLE and for generalized epilepsy in IGE. These imaging-genetic signatures could guide diagnosis, and ultimately, tailor therapeutic approaches to specific epilepsy syndromes.

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.