ABSTRACT A central goal in neuroscience is the development of a comprehensive mapping between structural and functional brain features. Computational models support in vivo investigation of the mechanisms mediating this relationship but currently lack the requisite biological detail. Here, we characterize human structural brain networks weighted by multiple white matter microstructural features to assess their potential joint utilization in computational models. We report edge-weight-dependent spatial distributions, variance, small-worldness, rich club, hubs, as well as relationships with function, edge length and myelin. Contrasting networks weighted by the total intra-axonal cross-sectional area and myelin content of white matter tracts, we find opposite relationships with functional connectivity, an edge-length-independent inverse relationship with each other, and the lack of a canonical rich club in myelin-weighted networks. When controlling for edge length, tractometry-derived networks weighted by either tensor-based metrics or neurite density show no relationship with whole-brain functional connectivity. We conclude that structure-function brain models are likely to be improved by the co-utilization of structural networks weighted by total intra-axonal cross-sectional area and myelin content. We anticipate that the proposed microstructure-weighted computational modeling approach will support mechanistic understanding of the structure-function relationship of the human brain. AUTHOR SUMMARY For computational network models to provide mechanistic links between brain structure and function, they must be informed by networks in which edge weights quantify structural features relevant to brain function. Here, we characterized several weighted structural networks capturing multiscale features of white matter connectivity. We describe these networks in terms of edge weight distribution, variance and network topology, as well as their relationships with each other, edge length and function. Overall, these findings support the joint use of structural networks weighted by the total intra-axonal cross-sectional area and myelin content of white matter tracts in structure-function models. This thorough characterization serves as a benchmark for future investigations of weighted structural brain networks.

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.

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.

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.