Abstract Autism presents with significant phenotypic and neuroanatomical heterogeneity, and neuroimaging studies of the thalamus, globus pallidus and striatum in autism have produced inconsistent and contradictory results. These structures are critical mediators of functions known to be atypical in autism, including sensory gating and motor function. We examined both volumetric and fine-grained localized shape differences in autism using a large ( n =3145, 1045-1318 after strict quality control), cross-sectional dataset of T1-weighted structural MRI scans from 32 sites, including both males and females (assigned-at-birth). We investigated three potentially important sources of neuroanatomical heterogeneity: sex, age, and intelligence quotient (IQ), using a meta-analytic technique after strict quality control to minimize non-biological sources of variation. We observed no volumetric differences in the thalamus, globus pallidus, or striatum in autism. Rather, we identified a variety of localized shape differences in all three structures. Including age, but not sex or IQ, in the statistical model improved the fit for both the pallidum and striatum, but not for the thalamus. Age-centered shape analysis indicated a variety of age-dependent regional differences. Overall, our findings help confirm that the neurodevelopment of the striatum, globus pallidus and thalamus are atypical in autism, in a subtle location-dependent manner that is not reflected in overall structure volumes, and that is highly non-uniform across the lifespan.

Individuals affected by autism spectrum conditions (ASC) are considerably heterogeneous. Novel approaches are needed to parse this heterogeneity to enhance precision in clinical and translational research. Applying a clustering approach taken from genomics and systems biology on two large independent cognitive datasets of adults with and without ASC (n=715; n=251), we find replicable evidence for 5 discrete ASC subgroups that are highly differentiated in item-level performance on an explicit mentalizing task tapping ability to read complex emotion and mental states from the eye region of the face (Reading the Mind in the Eyes Test; RMET). Three subgroups comprising 42-65% of ASC adults show evidence for large impairments (Cohen's d = -1.03 to -11.21), while other subgroups are effectively unimpaired. These findings delineate robust natural subdivisions within the ASC population that may allow for more individualized inferences and accelerate research towards precision medicine goals.

Functional magnetic resonance imaging (fMRI) research is routinely criticized for being statistically underpowered due to characteristically small sample sizes and much larger sample sizes are being increasingly recommended. Additionally, various sources of artifact inherent in fMRI data can have detrimental impact on effect size estimates and statistical power. Here we show how specific removal of non-BOLD artifacts can improve effect size estimation and statistical power in task-fMRI contexts, with particular application to the social-cognitive domain of mentalizing/theory of mind. Non-BOLD variability identification and removal is achieved in a biophysical and statistically principled manner by combining multi-echo fMRI acquisition and independent components analysis (ME-ICA). Group-level effect size estimates on two different mentalizing tasks were enhanced by ME-ICA at a median rate of 24% in regions canonically associated with mentalizing, while much more substantial boosts (40-149%) were observed in non-canonical cerebellar areas. This effect size boosting is primarily a consequence of reduction of non-BOLD noise at the subject-level, which then translates into consequent reductions in between-subject variance at the group-level. Power simulations demonstrate that enhanced effect size enables highly-powered studies at traditional sample sizes. Cerebellar effects observed after applying ME-ICA may be unobservable with conventional imaging at traditional sample sizes. Thus, ME-ICA allows for principled design-agnostic non-BOLD artifact removal that can substantially improve effect size estimates and statistical power in task-fMRI contexts. ME-ICA could help issues regarding statistical power and non-BOLD noise and enable potential for novel discovery of aspects of brain organization that are currently under-appreciated and not well understood.

Excitation-inhibition (E:I) imbalance is theorized as an important pathophysiological mechanism in autism. Autism affects males more than females and sex-related mechanisms (e.g., X-linked genes, androgen hormones) can influence E:I balance. This suggests that E:I imbalance may affect autism differently in males versus females. With a combination of in-silico modeling and in-vivo chemogenetic manipulations in mice, we first show that a time-series metric estimated from fMRI BOLD signal, the Hurst exponent (H), can be an index for underlying change in the synaptic E:I ratio. In autism we find that H is reduced, indicating increased excitation, in the medial prefrontal cortex (MPFC) of autistic males but not females. Increasingly intact MPFC H is also associated with heightened ability to behaviorally camouflage social-communicative difficulties, but only in autistic females. This work suggests that H in BOLD can index synaptic E:I ratio and that E:I imbalance affects autistic males and females differently.### Competing Interest StatementE.T.B. is employed half-time by the University of Cambridge and half-time at GlaxoSmithKline plc (GSK); he holds stock in GSK. All other authors have no conflict of interests to declare.

Many early-onset neurodevelopmental conditions such as autism affect males more frequently than females and affect corresponding domains such as social cognition, social-communication, language, emotion, and reward. Testosterone is well-known for its role as a sex-related biological mechanism and affects these conditions and domains of functioning. Developmentally, testosterone may sex-differentially impact early fetal brain development by influencing early neuronal development and synaptic mechanisms behind cortical circuit formation, particularly for circuits that later develop specialized roles in such cognitive domains. Here we find that variation in fetal testosterone (FT) exerts sex-specific effects on later adolescent functional connectivity between social brain default mode network (DMN) subsystems. Increased FT is associated with dampening of functional connectivity between DMN subsystems in adolescent males, but has no effect in females. To isolate specific prenatal neurobiological mechanisms behind this effect, we examined changes in gene expression identified following a treatment with a potent androgen, dihydrotestosterone (DHT) in an in-vitro model of human neural stem cell (hNSC). We previously showed that DHT-dysregulates genes enriched with known syndromic causes for autism and intellectual disability. DHT dysregulates genes in hNSCs involved in early neurodevelopmental processes such as neurogenesis, cell differentiation, regionalization, and pattern specification. A significant number of these DHT-dysregulated genes shows spatial expression patterns in the adult brain that highly correspond to the spatial layout of the cortical midline DMN subsystem. These DMN-related and DHT-affected genes (e.g., MEF2C) are involved in a number of synaptic processes, many of which impact excitation/inhibition imbalance. Focusing on MEF2C, we find replicable upregulation of expression after DHT treatment as well as dysregulated expression in induced pluripotent stem cells and neurons of individuals with autism. This work highlights sex-specific prenatal androgen influence on social brain DMN circuitry and autism-related mechanisms and suggests that such influence may impact early neurodevelopmental processes (e.g., neurogenesis, cell differentiation) and later developing synaptic processes.

We organized 10Kin1day, a pop-up scientific event with the goal to bring together neuroimaging groups from around the world to jointly analyze 10,000+ existing MRI connectivity datasets during a 3-day workshop. In this report, we describe the motivation and principles of 10Kin1day, together with a public release of 8,000+ MRI connectome maps of the human brain.