Abstract The use of spoken and written language is a capacity that is unique to humans. Individual differences in reading- and language-related skills are influenced by genetic variation, with twin-based heritability estimates of 30-80%, depending on the trait. The relevant genetic architecture is complex, heterogeneous, and multifactorial, and yet to be investigated with well-powered studies. Here, we present a multicohort genome-wide association study (GWAS) of five traits assessed individually using psychometric measures: word reading, nonword reading, spelling, phoneme awareness, and nonword repetition, with total sample sizes ranging from 13,633 to 33,959 participants aged 5-26 years (12,411 to 27,180 for those with European ancestry, defined by principal component analyses). We identified a genome-wide significant association with word reading (rs11208009, p=1.098 × 10 −8 ) independent of known loci associated with intelligence or educational attainment. All five reading-/language-related traits had robust SNP-heritability estimates (0.13–0.26), and genetic correlations between them were modest to high. Using genomic structural equation modelling, we found evidence for a shared genetic factor explaining the majority of variation in word and nonword reading, spelling, and phoneme awareness, which only partially overlapped with genetic variation contributing to nonword repetition, intelligence and educational attainment. A multivariate GWAS was performed to jointly analyse word and nonword reading, spelling, and phoneme awareness, maximizing power for follow-up investigation. Genetic correlation analysis of multivariate GWAS results with neuroimaging traits identified association with cortical surface area of the banks of the left superior temporal sulcus, a brain region with known links to processing of spoken and written language. Analysis of evolutionary annotations on the lineage that led to modern humans showed enriched heritability in regions depleted of Neanderthal variants. Together, these results provide new avenues for deciphering the biological underpinnings of these uniquely human traits.

ABSTRACT Objective Some studies have suggested alterations of structural brain asymmetry in attention-deficit/hyperactivity disorder (ADHD), but findings have been contradictory and based on small samples. Here we performed the largest-ever analysis of brain left-right asymmetry in ADHD, using 39 datasets of the ENIGMA consortium. Methods We analyzed asymmetry of subcortical and cerebral cortical structures in up to 1,978 people with ADHD and unaffected 1,917 controls. Asymmetry Indexes (AIs) were calculated per participant for each bilaterally paired measure, and linear mixed effects modelling was applied separately in children, adolescents, adults, and the total sample, to test exhaustively for potential associations of ADHD with structural brain asymmetries. Results There was no evidence for altered caudate nucleus asymmetry in ADHD, in contrast to prior literature. In children, there was less rightward asymmetry of the total hemispheric surface area compared to controls ( t =2.4, P =0.019). Lower rightward asymmetry of medial orbitofrontal cortex surface area in ADHD ( t =2.4, P =0.007) was similar to a recent finding for autism spectrum disorder. There were also some differences in cortical thickness asymmetry across age groups. In adults with ADHD, globus pallidus asymmetry was altered compared to those without ADHD. However, all effects were small (Cohen’s d from −0.18 to 0.18) and would not survive study-wide correction for multiple testing. Conclusion Prior studies of altered structural brain asymmetry in ADHD were likely underpowered to detect the small effects reported here. Altered structural asymmetry is unlikely to provide a useful biomarker for ADHD, but may provide neurobiological insights into the trait.

Abstract Mice display a wide repertoire of vocalizations that varies with sex, strain, and context. Especially during social interaction, mice emit sequences of ultrasonic vocalizations (USVs) of high complexity. As animals of both sexes vocalize, a reliable attribution of USVs to their emitter is essential. The state-of-the-art in sound localization for USVs in 2D allows spatial localization at a resolution of multiple centimeters. However, animals interact at closer ranges, e.g. snout-to-snout. Hence, improved algorithms are required to reliably assign USVs. We present a novel algorithm, SLIM (Sound Localization via Intersecting Manifolds), that achieves a 3-fold improvement in accuracy (12-14.3mm) using only 4 microphones and extends to many microphones and localization in 3D. This accuracy allows reliable assignment of 84.3% of all USVs in our dataset. We apply SLIM to courtship interactions between adult C57Bl/6J wildtype mice and those carrying a heterozygous Foxp2 variant (R552H). The improved spatial accuracy reveals detailed vocalization preferences for specific spatial relations between the mice. Specifically, vocalization probability, duration, Wiener entropy, and frequency level differed in particular spatial relations between WT females, Foxp2-R552H and WT males. In conclusion, the improved attribution of vocalizations to their emitters provides a foundation for better understanding social vocal behaviors.

Abstract White matter tracts form the structural basis of large-scale functional networks in the human brain. We applied brain-wide tractography to diffusion images from 30,810 adult participants (UK Biobank), and found significant heritability for 90 regional connectivity measures and 851 tract-wise connectivity measures. Multivariate genome-wide association analyses identified 355 independently associated lead SNPs across the genome, of which 77% had not been previously associated with human brain metrics. Enrichment analyses implicated neurodevelopmental processes including neurogenesis, neural differentiation, neural migration, neural projection guidance, and axon development, as well as prenatal brain expression especially in stem cells, astrocytes, microglia and neurons. We used the multivariate association profiles of lead SNPs to identify 26 genomic loci implicated in structural connectivity between core regions of the left-hemisphere language network, and also identified 6 loci associated with hemispheric left-right asymmetry of structural connectivity. Polygenic scores for schizophrenia, bipolar disorder, autism spectrum disorder, attention-deficit hyperactivity disorder, left-handedness, Alzheimer’s disease, amyotrophic lateral sclerosis, and epilepsy showed significant multivariate associations with structural connectivity, each implicating distinct sets of brain regions with trait-relevant functional profiles. This large-scale mapping study revealed common genetic contributions to the structural connectome of the human brain in the general adult population, highlighting links with polygenic disposition to brain disorders and behavioural traits. One sentence summary Variability in white matter fiber tracts of the human brain is associated with hundreds of newly discovered genomic loci that especially implicate stem, neural and glial cells during prenatal development, and is also associated with polygenic dispositions to various brain disorders and behavioural traits.

The topological differentiation of sensorimotor and association cortical regions along a sensorimotor-association (S-A) axis has undergone profound evolutionary change along the mammalian lineage. In humans, patterns of gene expression, microstructure, and functional connectivity have been shown to vary systematically along such S-A axis. Despite robust spatial relationships between these different neurobiological traits, whether common genetic pressures shape the S-A axis across traits remains poorly understood. In this study, we exploit observed pervasive inter-individual variation in the S-A axis to capture its genetic architecture and to study shared common genetic sources of structure-function relationships. To do so, we applied a structural equation modeling framework, which reduced the issue of measurement error heterogeneity across the cortex and its impact on structure-function relationship estimates. We then used genetic relatedness across pairs of twins and removed intra-individual differences to focus on the reliable inter-individual differences along the S-A functional axis. Notwithstanding robust spatial relationships and highly heritable inter-individual differences in S-A axis microstructure and functional organisation, and contrary to group-level findings, our results indicate distinct genetic effects across the different S-A axis properties. Together, our observations challenge the notion of a common genetic cause for the association between S-A axis structural and functional properties. Our approach highlights the diversity of genetic origins of brain features that co-vary along the S-A axis, which is key to interrogating inter-individual variability in brain organisation and its consequences on cognition.

Abstract Roughly 10% of the human population is left-handed, and this rate is increased in some brain-related disorders. The neuroanatomical correlates of hand preference have remained equivocal. We re-sampled structural brain image data from 28,802 right-handers and 3,062 left-handers (UK Biobank population dataset) to a symmetrical surface template, and mapped asymmetries for each of 8,681 vertices across the cerebral cortex in each individual. Left-handers and right-handers showed average differences of surface area asymmetry within fusiform, anterior insular, anterior-middle-cingulate and precentral cortex. Meta-analyzed functional imaging data implicated these regions in executive functions and language. Polygenic disposition to left-handedness was associated with two of these regional asymmetries, and 18 loci previously linked with left-handedness by genome-wide screening showed associations with one or more of these asymmetries. Implicated genes included six encoding microtubule-related proteins: TUBB, TUBA1B, TUBB3, TUBB4A, MAP2 and NME7 – the latter is mutated in left-right reversal of the visceral organs. There were also two cortical regions where average thickness asymmetry was altered in left-handedness: on the postcentral gyrus and inferior occipital cortex, functionally annotated with hand sensorimotor and visual roles. These cortical thickness asymmetries were not heritable. Heritable surface area asymmetries of language-related regions may link the etiologies of hand preference and language, whereas non-heritable asymmetries of sensorimotor cortex may manifest as consequences of hand preference.

Abstract There is genetic overlap between many measures of literacy, language and phonological working memory (PWM) though our knowledge of multivariate genetic architectures is incomplete. Here, we directly modeled genetic trait interrelationships in unrelated UK youth (8-13 years, N=6,453), as captured by genome-wide relationship matrices, using novel structural equation modeling techniques. We identified, besides shared genetic factors across different domains (explaining 91-97% genetic variance in literacy-related measures such as passage reading fluency, spelling, phonemic awareness, 44% in oral language and 53% in PWM), evidence for distinct cognitive abilities; trait-specific genetic influences ranged between 47% for PWM to 56% for oral language. Among reading fluency measures (non-word, word and passage reading), single-word reading was genetically most diverse. Multivariate genetic and residual covariance patterns showed concordant effect directionality, except for near-zero residual correlations between oral language and literacy-related abilities. These findings suggest differences in etiological mechanisms and trait modifiability even among genetically highly correlated skills.

Abstract The expansion of the cerebral cortex is one of the most distinctive changes in the evolution of the human brain. Cortical expansion and related increases in cortical folding may have contributed to emergence of our capacities for high-order cognitive abilities. Molecular analysis of humans, archaic hominins, and non-human primates has allowed identification of chromosomal regions showing evolutionary changes at different points of our phylogenetic history. In this study, we assessed the contributions of genomic annotations spanning 30 million years to human sulcal morphology measured via MRI in more than 18,000 participants from the UK Biobank. We found that variation within brain-expressed human gained enhancers, regulatory genetic elements that emerged since our last common ancestor with Old World monkeys, explained more trait heritability than expected for the left and right calloso-marginal posterior fissures and the right central sulcus. Intriguingly, these are sulci that have been previously linked to the evolution of locomotion in primates and later on bipedalism in our hominin ancestors.

Abstract Whereas large-scale statistical analyses can robustly identify disease-gene relationships, they do not accurately capture genotype-phenotype correlations or disease mechanisms. We use multiple lines of independent evidence to show that different variant types in a single gene, SATB1 , cause clinically overlapping but distinct neurodevelopmental disorders. Clinical evaluation of 42 individuals carrying SATB1 variants identified overt genotype-phenotype relationships, associated with different pathophysiological mechanisms, established by functional assays. Missense variants in the CUT1 and CUT2 DNA-binding domains result in stronger chromatin binding, increased transcriptional repression and a severe phenotype. Contrastingly, variants predicted to result in haploinsufficiency are associated with a milder clinical presentation. A similarly mild phenotype is observed for individuals with premature protein truncating variants that escape nonsense-mediated decay and encode truncated proteins, which are transcriptionally active but mislocalized in the cell. Our results suggest that in-depth mutation-specific genotype-phenotype studies are essential to capture full disease complexity and to explain phenotypic variability.

Abstract Handedness is a manifestation of brain hemispheric specialization. Left-handedness occurs at increased rates in neurodevelopmental disorders. Genome-wide association studies have identified common genetic effects on handedness or brain asymmetry, which mostly involve variants outside protein-coding regions and may affect gene expression. Implicated genes include several that encode tubulins (microtubule components) or microtubule-associated proteins. Here we examined whether left-handedness is also influenced by rare coding variants (frequencies ≤ 1%), using exome data from 38,043 left-handed and 313,271 right-handed individuals (UK Biobank). The beta-tubulin gene TUBB4B showed exome-wide significant association, with a rate of rare coding variants 2.7 times higher in left-handers (0.076%) than right-handers (0.028%). The TUBB4B variants were mostly heterozygous missense changes, but included two frameshifts found only in left-handers. Other TUBB4B variants have been linked to sensorineural and/or ciliopathic disorders, but not the variants found here. Among genes previously implicated in autism or schizophrenia by exome screening, DSCAM and FOXP1 showed evidence for rare coding variant association with left-handedness. The exome-wide heritability of left-handedness due to rare coding variants was 0.91%. This study revealed a role for rare, protein-altering variants in left-handedness, providing further evidence for the involvement of microtubules and disorder-relevant genes.