The profile of brain structural abnormalities in schizophrenia is still not fully understood, despite decades of research using brain scans. To validate a prospective meta-analysis approach to analyzing multicenter neuroimaging data, we analyzed brain MRI scans from 2028 schizophrenia patients and 2540 healthy controls, assessed with standardized methods at 15 centers worldwide. We identified subcortical brain volumes that differentiated patients from controls, and ranked them according to their effect sizes. Compared with healthy controls, patients with schizophrenia had smaller hippocampus (Cohen's d=-0.46), amygdala (d=-0.31), thalamus (d=-0.31), accumbens (d=-0.25) and intracranial volumes (d=-0.12), as well as larger pallidum (d=0.21) and lateral ventricle volumes (d=0.37). Putamen and pallidum volume augmentations were positively associated with duration of illness and hippocampal deficits scaled with the proportion of unmedicated patients. Worldwide cooperative analyses of brain imaging data support a profile of subcortical abnormalities in schizophrenia, which is consistent with that based on traditional meta-analytic approaches. This first ENIGMA Schizophrenia Working Group study validates that collaborative data analyses can readily be used across brain phenotypes and disorders and encourages analysis and data sharing efforts to further our understanding of severe mental illness.

The highly complex structure of the human brain is strongly shaped by genetic influences. Subcortical brain regions form circuits with cortical areas to coordinate movement, learning, memory and motivation, and altered circuits can lead to abnormal behaviour and disease. To investigate how common genetic variants affect the structure of these brain regions, here we conduct genome-wide association studies of the volumes of seven subcortical regions and the intracranial volume derived from magnetic resonance images of 30,717 individuals from 50 cohorts. We identify five novel genetic variants influencing the volumes of the putamen and caudate nucleus. We also find stronger evidence for three loci with previously established influences on hippocampal volume and intracranial volume. These variants show specific volumetric effects on brain structures rather than global effects across structures. The strongest effects were found for the putamen, where a novel intergenic locus with replicable influence on volume (rs945270; P = 1.08 × 10(-33); 0.52% variance explained) showed evidence of altering the expression of the KTN1 gene in both brain and blood tissue. Variants influencing putamen volume clustered near developmental genes that regulate apoptosis, axon guidance and vesicle transport. Identification of these genetic variants provides insight into the causes of variability in human brain development, and may help to determine mechanisms of neuropsychiatric dysfunction.

Paul Thompson and colleagues report a genome-wide association study for hippocampal, intracranial and total brain volume. They identify a locus at 12q24 associated with hippocampal volume and a locus at 12q14 associated with intracranial volume. Identifying genetic variants influencing human brain structures may reveal new biological mechanisms underlying cognition and neuropsychiatric illness. The volume of the hippocampus is a biomarker of incipient Alzheimer's disease1,2 and is reduced in schizophrenia3, major depression4 and mesial temporal lobe epilepsy5. Whereas many brain imaging phenotypes are highly heritable6,7, identifying and replicating genetic influences has been difficult, as small effects and the high costs of magnetic resonance imaging (MRI) have led to underpowered studies. Here we report genome-wide association meta-analyses and replication for mean bilateral hippocampal, total brain and intracranial volumes from a large multinational consortium. The intergenic variant rs7294919 was associated with hippocampal volume (12q24.22; N = 21,151; P = 6.70 × 10−16) and the expression levels of the positional candidate gene TESC in brain tissue. Additionally, rs10784502, located within HMGA2, was associated with intracranial volume (12q14.3; N = 15,782; P = 1.12 × 10−12). We also identified a suggestive association with total brain volume at rs10494373 within DDR2 (1q23.3; N = 6,500; P = 5.81 × 10−7).

Considerable uncertainty exists about the defining brain changes associated with bipolar disorder (BD). Understanding and quantifying the sources of uncertainty can help generate novel clinical hypotheses about etiology and assist in the development of biomarkers for indexing disease progression and prognosis. Here we were interested in quantifying case–control differences in intracranial volume (ICV) and each of eight subcortical brain measures: nucleus accumbens, amygdala, caudate, hippocampus, globus pallidus, putamen, thalamus, lateral ventricles. In a large study of 1710 BD patients and 2594 healthy controls, we found consistent volumetric reductions in BD patients for mean hippocampus (Cohen’s d=−0.232; P=3.50 × 10−7) and thalamus (d=−0.148; P=4.27 × 10−3) and enlarged lateral ventricles (d=−0.260; P=3.93 × 10−5) in patients. No significant effect of age at illness onset was detected. Stratifying patients based on clinical subtype (BD type I or type II) revealed that BDI patients had significantly larger lateral ventricles and smaller hippocampus and amygdala than controls. However, when comparing BDI and BDII patients directly, we did not detect any significant differences in brain volume. This likely represents similar etiology between BD subtype classifications. Exploratory analyses revealed significantly larger thalamic volumes in patients taking lithium compared with patients not taking lithium. We detected no significant differences between BDII patients and controls in the largest such comparison to date. Findings in this study should be interpreted with caution and with careful consideration of the limitations inherent to meta-analyzed neuroimaging comparisons.

Progressive functional decline in the epilepsies is largely unexplained. We formed the ENIGMA-Epilepsy consortium to understand factors that influence brain measures in epilepsy, pooling data from 24 research centres in 14 countries across Europe, North and South America, Asia, and Australia. Structural brain measures were extracted from MRI brain scans across 2149 individuals with epilepsy, divided into four epilepsy subgroups including idiopathic generalized epilepsies (n =367), mesial temporal lobe epilepsies with hippocampal sclerosis (MTLE; left, n = 415; right, n = 339), and all other epilepsies in aggregate (n = 1026), and compared to 1727 matched healthy controls. We ranked brain structures in order of greatest differences between patients and controls, by meta-analysing effect sizes across 16 subcortical and 68 cortical brain regions. We also tested effects of duration of disease, age at onset, and age-by-diagnosis interactions on structural measures. We observed widespread patterns of altered subcortical volume and reduced cortical grey matter thickness. Compared to controls, all epilepsy groups showed lower volume in the right thalamus (Cohen's d = -0.24 to -0.73; P < 1.49 × 10-4), and lower thickness in the precentral gyri bilaterally (d = -0.34 to -0.52; P < 4.31 × 10-6). Both MTLE subgroups showed profound volume reduction in the ipsilateral hippocampus (d = -1.73 to -1.91, P < 1.4 × 10-19), and lower thickness in extrahippocampal cortical regions, including the precentral and paracentral gyri, compared to controls (d = -0.36 to -0.52; P < 1.49 × 10-4). Thickness differences of the ipsilateral temporopolar, parahippocampal, entorhinal, and fusiform gyri, contralateral pars triangularis, and bilateral precuneus, superior frontal and caudal middle frontal gyri were observed in left, but not right, MTLE (d = -0.29 to -0.54; P < 1.49 × 10-4). Contrastingly, thickness differences of the ipsilateral pars opercularis, and contralateral transverse temporal gyrus, were observed in right, but not left, MTLE (d = -0.27 to -0.51; P < 1.49 × 10-4). Lower subcortical volume and cortical thickness associated with a longer duration of epilepsy in the all-epilepsies, all-other-epilepsies, and right MTLE groups (beta, b < -0.0018; P < 1.49 × 10-4). In the largest neuroimaging study of epilepsy to date, we provide information on the common epilepsies that could not be realistically acquired in any other way. Our study provides a robust ranking of brain measures that can be further targeted for study in genetic and neuropathological studies. This worldwide initiative identifies patterns of shared grey matter reduction across epilepsy syndromes, and distinctive abnormalities between epilepsy syndromes, which inform our understanding of epilepsy as a network disorder, and indicate that certain epilepsy syndromes involve more widespread structural compromise than previously assumed.

Recent advancements in transcriptomics and proteomics have opened the possibility for spatially resolved molecular characterization of tissue architecture with the promise of enabling a deeper understanding of tissue biology in either homeostasis or disease. The wealth of data generated by these technologies has recently driven the development of computational pipelines that, nevertheless, have the requirement of coding fluency to be applied. To remove this hurdle, we present SPEX (Spatial Expression Explorer), a comprehensive image analysis software implemented as a userfriendly web-based application with modules that can be put together by the user as pipelines conveniently through a graphical user interface. SPEX’s infrastructure allows for streamlined access to open source image data management systems and analysis modules for cell segmentation, cell phenotyping, cell-cell co-occurrence and spatially informed omics analyses. We demonstrate SPEX’s ability to facilitate the discovery of biological insights in spatially resolved omics datasets from healthy tissue to tumor samples.

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 common human epilepsies are associated with distinct patterns of reduced cortical thickness, detectable on neuroimaging, with important clinical consequences. To explore underlying mechanisms, we layered MRI-based cortical structural maps from a large-scale epilepsy neuroimaging study onto highly spatially-resolved human brain gene expression data, identifying >2,500 genes overexpressed in regions of reduced cortical thickness, compared to relatively-protected regions. The resulting set of differentially-expressed genes shows enrichment for microglial markers, and in particular, activated microglial states. Parallel analyses of cell-specific eQTLs show enrichment in human genetic signatures of epilepsy severity, but not epilepsy causation. Post mortem brain tissue from humans with epilepsy shows excess activated microglia. In an experimental model, depletion of activated microglia prevents cortical thinning, but not the development of chronic seizures. These convergent data strongly implicate activated microglia in cortical thinning, representing a new dimension for concern and disease modification in the epilepsies, potentially distinct from seizure control.

Structural brain changes along the lineage that led to modern Homo sapiens have contributed to our unique cognitive and social abilities. However, the evolutionarily relevant molecular variants impacting key aspects of neuroanatomy are largely unknown. Here, we integrate evolutionary annotations of the genome at diverse timescales with common variant associations from large-scale neuroimaging genetic screens in living humans, to reveal how selective pressures have shaped neocortical surface area. We show that variation within human gained enhancers active in the developing brain is associated with global surface area as well as that of specific regions. Moreover, we find evidence of recent polygenic selection over the past 2,000 years influencing surface area of multiple cortical regions, including those involved in spoken language and visual processing.