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 Age has a major effect on brain volume. However, the normative studies available are constrained by small sample sizes, restricted age coverage and significant methodological variability. These limitations introduce inconsistencies and may obscure or distort the lifespan trajectories of brain morphometry. In response, we capitalised on the resources of the Enhancing Neuroimaging Genetics through Meta-Analysis (ENIGMA) Consortium to examine the age-related morphometric trajectories of the ventricles, the basal ganglia (caudate, putamen, pallidum, and nucleus accumbens), the thalamus, hippocampus and amygdala using magnetic resonance imaging data obtained from 18,605 individuals aged 3-90 years. All subcortical structure volumes were at their maximum early in life; the volume of the basal ganglia showed a gradual monotonic decline thereafter while the volumes of the thalamus, amygdala and the hippocampus remained largely stable (with some degree of decline in thalamus) until the sixth decade of life followed by a steep decline thereafter. The lateral ventricles showed a trajectory of continuous enlargement throughout the lifespan. Significant age-related increase in inter-individual variability was found for the hippocampus and amygdala and the lateral ventricles. These results were robust to potential confounders and could be used to derive risk predictions for the early identification of diverse clinical phenotypes.

Abstract Personality and cognition are heritable mental traits, and their genetic determinants may be distributed across interconnected brain functions. However, previous studies have employed univariate approaches which reduce complex traits to summary measures. We applied the “pleiotropy-informed” multivariate omnibus statistical test (MOSTest) to genome-wide association studies (GWAS) of 35 item and task-level measures of neuroticism and cognition from the UK Biobank (n=336,993). We identified 431 significant genetic loci and found evidence of abundant pleiotropy across personality and cognitive domains. Functional characterisation implicated genes with significant tissue-specific expression in all tested brain tissues and enriched in brain-specific gene-sets. We conditioned independent GWAS of the Big 5 personality traits and cognition on our multivariate findings, which boosted genetic discovery in other personality traits and improved polygenic prediction. These findings advance our understanding of the polygenic architecture of complex mental traits, indicating a prominence of pleiotropic genetic effects across higher-order domains of mental function. Graphical abstract

Abstract Cortical regional identities develop through anterior-posterior (A-P) and dorsal-ventral (D-V) prenatal genomic patterning gradients. Here we find that A-P and D-V genomic patterning of cortical surface area (SA) and thickness (CT) is intact in typically developing and autistic toddlers with good language outcome, but is absent in autistic toddlers with poor early language outcome. Genes driving this effect are prominent in midgestational A-P and D-V gene expression gradients and prenatal cell types driving SA and CT variation (e.g., progenitor cells versus excitatory neurons). These genes are also important for vocal learning, human-specific evolution, and prenatal co-expression networks enriched for high-penetrance autism risk genes. Autism with poor early language outcome may be linked to atypical genomic cortical patterning starting in prenatal periods and which impacts later development of regional functional specialization and circuit formation. One Sentence Summary Genomic patterning of the cortex is atypical in autistic toddlers with poor early language outcome.

The cerebral cortex is organized in cortical layers that differ in their cellular density, composition, and wiring. Cortical laminar architecture is also readily revealed by staining for cytochrome oxidase – the last enzyme in the respiratory electron transport chain located in the inner mitochondrial membrane. It has been hypothesized that a high-density band of cytochrome oxidase in cortical layer IV reflects higher oxygen consumption under baseline (unstimulated) conditions. Here, we tested the above hypothesis using direct measurements of the partial pressure of O 2 (pO 2 ) in cortical tissue by means of 2-photon phosphorescence lifetime microscopy (2PLM). We revisited our previously developed method for extraction of the cerebral metabolic rate of O 2 (CMRO 2 ) based on 2-photon pO 2 measurements around diving arterioles and applied this method to estimate baseline CMRO 2 in awake mice across cortical layers. To our surprise, our results revealed a decrease in baseline CMRO 2 from layer I to layer IV . This decrease of CMRO 2 with cortical depth was paralleled by an increase in tissue oxygenation. Higher baseline oxygenation and cytochrome density in layer IV may serve as an O 2 reserve during surges of neuronal activity or certain metabolically active brain states rather than baseline energy needs. Our study provides the first quantification of microscopically resolved CMRO 2 across cortical layers as a step towards informed interpretation and modeling of cortical-layer-specific Blood Oxygen Level Dependent (BOLD) fMRI signals.

Despite their increasing application, the genetic and environmental etiology of global predicted brain ageing (PBA) indices is unknown. Likewise, the degree to which genetic influences in PBA are longitudinally stable and how PBA changes over time are also unknown. We analyzed data from 734 men from the Vietnam Era Twin Study of Aging with repeated MRI assessments between the ages 52 to 72 years. Biometrical genetic analyses revealed significant and highly correlated estimates of additive genetic heritability ranging from 59% to 75%. Multivariate longitudinal modelling revealed that covariation between PBA at different timepoints could be explained by a single latent factor with 73% heritability. Our results suggest that genetic influences on PBA are detectable in midlife or earlier, are longitudinally very stable, and are largely explained by common genetic influences.

ABSTRACT During late childhood behavioral changes, such as increased risk-taking and emotional reactivity, have been associated with the maturation of cortico-subcortical circuits. Understanding microstructural changes in subcortical regions may aid our understanding of how individual differences in these behaviors emerge. Restriction spectrum imaging (RSI) is a framework for modelling diffusion-weighted imaging that decomposes the diffusion signal from a voxel into hindered and restricted compartments. This yields greater specificity than conventional methods of characterizing intracellular diffusion. Using RSI, we modelled voxelwise restricted isotropic, N0, and anisotropic, ND, diffusion across the brain and measured cross-sectional and longitudinal age associations in a large sample (n=8,039) from the Adolescent Brain and Cognitive Development (ABCD) study aged 9-13 years. Older participants had higher N0 and ND across subcortical regions. The largest associations for N0 were within the basal ganglia and for ND within the ventral diencephalon. Importantly, age associations varied with respect to the internal cytoarchitecture within subcortical structures, for example age associations differed across thalamic nuclei. This suggests that developmental effects may map onto specific cell populations or circuits and highlights the utility of voxelwise compared to ROI-wise analyses. Future analyses will aim to understand the relevance of this subcortical microstructural developmental for behavioral outcomes.

Interhemispheric functional connectivity abnormalities are often reported in autism and it is thus not surprising that structural defects of the corpus callosum (CC) are consistently found using both traditional MRI and DTI techniques. Past DTI studies however, have subdivided the CC into 2 or 3 segments without regard for where fibers may project to within the cortex, thus placing limitations on our ability to understand the nature, timing and neurobehavioral impact of early CC abnormalities in autism. Leveraging a unique cohort of 97 toddlers (68 autism; 29 typical) we utilized a novel technique that identified seven CC tracts according to their cortical projections. Results revealed that younger (<2.5 years old), but not older toddlers with autism exhibited abnormally low mean, radial, and axial diffusivity values in the CC tracts connecting the occipital lobes and the temporal lobes. Fractional anisotropy and the cross sectional area of the temporal CC tract were significantly larger in young toddlers with autism. These findings indicate that water diffusion is more restricted and unidirectional in the temporal CC tract of young toddlers who develop autism. Such results may be explained by a potential overabundance of small caliber axons generated by excessive prenatal neural proliferation as proposed by previous genetic, animal model, and postmortem studies of autism. Furthermore, early diffusion measures in the temporal CC tract of the young toddlers were correlated with outcome measures of autism severity at later ages. These findings regarding the potential nature, timing, and location of early CC abnormalities in autism add to accumulating evidence, which suggests that altered inter-hemispheric connectivity, particularly across the temporal lobes, is a hallmark of the disorder.

Introduction: The thickness of the cerebral cortical sheet and its surface area are highly heritable traits thought to have largely distinct polygenic architectures. Despite large-scale efforts, the majority of their genetic determinants remains unknown. Our ability to identify causal genetic variants can be improved by employing better delineated, less noisy brain measures that better map onto the biology we seek to understand. Such measures may have fewer variants but with larger effects, i.e. lower polygenicity and higher discoverability. Methods: Using Gaussian mixture modeling, we estimated the number of causal variants shared between mean cortical thickness and total surface area. We further determined the polygenicity and discoverability of regional cortical measures from five often-employed parcellation schemes. We made use of UK Biobank data from 31,312 healthy White European individuals (mean age 55.5, standard deviation (SD) 7.4, 52.1% female). Results: Contrary to previous reports, we found large genetic overlap between total surface area and mean thickness, sharing 4427 out of 7150 causal variants. Regional surface area was more discoverable (p=4.1x10-6) and less polygenic (p=.007) than regional thickness measures. We further found that genetically-informed and less granular parcellation schemes had highest discoverability, with no differences in polygenicity. Conclusions: These findings may serve as a roadmap for improved future GWAS studies; Knowledge of which measures or parcellations are most discoverable, as well as the genetic overlap between these measures, may be used to boost identification of genetic predictors and thereby gain a better understanding of brain morphology.

Pathological changes in Alzheimer's disease (AD) begin decades before dementia onset. Because locus coeruleus tau pathology is the earliest occurring AD pathology, targeting indicators of locus coeruleus (dys)function may improve midlife screening for earlier identification of AD risk. Pupillary responses during cognitive tasks are driven by the locus coeruleus and index cognitive effort. Several findings suggest task-associated pupillary response as an early marker of AD risk. Requiring greater effort suggests being closer to one's compensatory capacity, and adults with mild cognitive impairment (MCI) have greater pupil dilation during digit span tasks than cognitively normal individuals, despite equivalent task performance. Higher AD polygenic risk scores (AD-PRSs) are associated with increased odds of MCI and tau positivity. We hypothesized that AD-PRSs would be associated with pupillary responses in cognitively normal middle-aged adults. We demonstrated that pupillary responses during digit span tasks were heritable (h2=.30-.36) in 1119 men ages 56-66. We then examined associations between AD-PRSs and pupillary responses in a cognitively normal subset who all had comparable span capacities (n=539). Higher AD-PRSs were associated with greater pupil dilation/effort in a high (9-digit recall) cognitive load condition; Cohen's d=.36 for the upper versus lower quartile of the AD-PRS distribution. Results held up after controlling for APOE genotype. The results support pupillary response -- and by inference, locus coeruleus dysfunction -- as a genetically-mediated biomarker of early MCI/AD risk. In some studies, cognition predicted disease progression earlier than biomarkers. Pupillary responses might improve screening and early identification of genetically at-risk individuals even before cognitive performance declines.