Subcortical structures, which include the basal ganglia and parts of the limbic system, have key roles in learning, motor control and emotion, but also contribute to higher-order executive functions. Prior studies have reported volumetric alterations in subcortical regions in schizophrenia. Reported results have sometimes been heterogeneous, and few large-scale investigations have been conducted. Moreover, few large-scale studies have assessed asymmetries of subcortical volumes in schizophrenia. Here, as a work completely independent of a study performed by the ENIGMA consortium, we conducted a large-scale multisite study of subcortical volumetric differences between patients with schizophrenia and controls. We also explored the laterality of subcortical regions to identify characteristic similarities and differences between them. T1-weighted images from 1680 healthy individuals and 884 patients with schizophrenia, obtained with 15 imaging protocols at 11 sites, were processed with FreeSurfer. Group differences were calculated for each protocol and meta-analyzed. Compared with controls, patients with schizophrenia demonstrated smaller bilateral hippocampus, amygdala, thalamus and accumbens volumes as well as intracranial volume, but larger bilateral caudate, putamen, pallidum and lateral ventricle volumes. We replicated the rank order of effect sizes for subcortical volumetric changes in schizophrenia reported by the ENIGMA consortium. Further, we revealed leftward asymmetry for thalamus, lateral ventricle, caudate and putamen volumes, and rightward asymmetry for amygdala and hippocampal volumes in both controls and patients with schizophrenia. Also, we demonstrated a schizophrenia-specific leftward asymmetry for pallidum volume. These findings suggest the possibility of aberrant laterality in neural pathways and connectivity patterns related to the pallidum in schizophrenia.

Compelling evidence in Caucasian populations suggests a role for copy-number variations (CNVs) in autism spectrum disorder (ASD) and schizophrenia (SCZ). We analyzed 1,108 ASD cases, 2,458 SCZ cases, and 2,095 controls in a Japanese population and confirmed an increased burden of rare exonic CNVs in both disorders. Clinically significant (or pathogenic) CNVs, including those at 29 loci common to both disorders, were found in about 8% of ASD and SCZ cases, which was significantly higher than in controls. Phenotypic analysis revealed an association between clinically significant CNVs and intellectual disability. Gene set analysis showed significant overlap of biological pathways in both disorders including oxidative stress response, lipid metabolism/modification, and genomic integrity. Finally, based on bioinformatics analysis, we identified multiple disease-relevant genes in eight well-known ASD/SCZ-associated CNV loci (e.g., 22q11.2, 3q29). Our findings suggest an etiological overlap of ASD and SCZ and provide biological insights into these disorders.

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.

Abstract We analysed the genomic architecture of neuroanatomical diversity using magnetic resonance imaging and single nucleotide polymorphism (SNP) data from >26,000 individuals from the UK Biobank project and 5 other projects that had previously participated in the ENIGMA consortium. Our results confirm the polygenic architecture of neuroanatomical diversity, with SNPs capturing from 40% to 54% of regional brain volume variance. Chromosomal length correlated with the amount of phenotypic variance captured, r∼0.64 on average, suggesting that at a global scale causal variants are homogeneously distributed across the genome. At a local scale, SNPs within genes (∼51%) captured ∼1.5 times more genetic variance than the rest; and SNPs with low minor allele frequency (MAF) captured less variance than the rest: the 40% of SNPs with MAF<5% captured <1/4th of the genetic variance. We also observed extensive pleiotropy across regions, with an average genetic correlation of r G ∼0.45. Genetic correlations were similar to phenotypic and environmental correlations, however, genetic correlations were often larger than phenotypic correlations for the left/right volumes of the same region. The heritability of differences in left/right volumes was generally not statistically significant, suggesting an important influence of environmental causes in the variability of brain asymmetry. Our code is available at https://github.com/neuroanatomy/genomic-architecture .

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.