Genetic influences on central sulcus morphology: A machine learning approach using twin study data.

The human brain's cortical folding plays a crucial role in neurodevelopment and cognition. In this study, we analyzed multiple features describing cerebral sulcal morphology, investigated their genetic correlations, and explored the typical patterns of the central sulcus. The genetic and morphological factors underlying sulcal shape variations remain poorly understood. In order to address this issue, for the sake of simplicity, one can focus on the central Rolandic scissure. The reasons for choosing this specific sulcus are that it is a primary fold appearing as early as 20 weeks of gestational Age, meaning that in cases of early disturbance during gestation or perinatal period, it potentially has long-lasting developmental alterations. Moreover, the morphology of the central sulcus has been associated with neurological and neurodevelopmental disorders, including stroke, cerebral palsy, and amyotrophic lateral sclerosis (ALS). Since 1995 scientists have tried to morphologically classify the central sulcus, the Hand Motor Cortex (HMC) precisely, following the Yousry et Al. model which defined the “omega” and “epsilon” shapes. The recent Caulo et al. study and Wu et Al. point out three new morphological variants of the HMC: medially asymmetric epsilon (mae), laterally asymmetric epsilon (lae), and null (n). The aim of my thesis work study was to validate Caulo et al. morphological classification of the HMC in the ABCD population group (between 9 and 10 years of age) using MR Imaging data, expanding the pool of subjects. We manually classified a subset of 1193 individuals including right and left-handers. The central sulcus was then automatically segmented using BrainVISA, providing a standardized sulcal identification across all subjects. Since the sample size of the “omega” and “epsilon” categories was remarkably higher, we focused on these two shapes. For the automatic classification of the 10,000 remnant subjects a Random Forest model has been used. The most frequent shape in both hemispheres is the "⍵" category. The second most common shape is "ε". The "n”, "mae" and “lae” categories are less frequent. These findings suggest a predominant central sulcus morphology across individuals. In addition, in our study, we used the SOLAR-Eclipse tool to estimate the heritability of central sulcus shapes and were able to assess the genetic architecture of the central sulcus. We tested the heritability of sulcal width, length, depth and surface area for the central sulcus and total cortical surface and thickening average. We found that cortical surface average exhibits the highest heritability. The lowest significant estimate was observed for the central sulcus length parameter. We also analyzed the sulcal-based heritability finding significant heritability estimates across multiple sulcal regions. We found that the morphology of the central sulcus, particularly in the right hemisphere, has a modest but significant genetic basis. The tight coupling of brain structure and genetics may contribute to the genetic liability for diseases that affect the integrity of the cortex.

Il folding corticale umano svolge un ruolo cruciale nel neurosviluppo e nel processo cognitivo. In questo studio, abbiamo analizzato diverse caratteristiche dei solchi cerebrali che ne descrivono la morfologia, investigato le loro correlazioni genetiche ed esplorato pattern tipici del solco centrale. I fattori genetici e morfologici alla base delle variazioni nella forma dei solchi rimangono poco conosciuti. Al fine di affrontare tale problematica, per semplicità ci si è concentrati sulla scissura centrale di Rolando. La scelta di questo solco si deve al fatto che esso compare già intorno alla 20ª settimana di età gestazionale; ciò significa che, in caso di alterazioni precoci durante la gestazione o nel periodo perinatale, esso può presentare anomalie di sviluppo di lunga durata. Inoltre, la morfologia della scissura centrale è stata associata a disturbi neurologici e del neurosviluppo, tra cui ictus, paralisi cerebrale e sclerosi laterale amiotrofica (SLA). Dal 1995, si è tentato di classificare morfologicamente il solco centrale, in particolare la Corteccia Motoria della Mano (HMC), seguendo il modello di Yousry et al., che ha definito la forma “omega” (Ω) e la forma “epsilon” (ε). Studi recenti di Caulo et al. e Wu et al. hanno identificato tre nuove varianti morfologiche della HMC: epsilon medialmente asimmetrica (mae), epsilon lateralmente asimmetrica (lae) e nulla (n). L'obiettivo del mio studio di tesi è stato quello di validare la classificazione morfologica di Caulo et al. applicandola alla popolazione dello studio ABCD (bambini di età compresa tra i 9 e i 10 anni), utilizzando dati di risonanza magnetica, ampliando così il campione di riferimento. Abbiamo classificato manualmente un sottoinsieme di 1193 individui, includendo sia destrimani che mancini. Successivamente, la scissura centrale è stata segmentata automaticamente tramite il software BrainVISA, garantendo un’identificazione standardizzata del solco in tutti i soggetti. Poiché le categorie morfologiche più frequenti erano quelle a forma di "omega" e "epsilon", ci siamo concentrati su queste due. Per la classificazione automatica dei restanti 10.000 soggetti è stato utilizzato un modello Random Forest. La forma più frequente in entrambi gli emisferi è risultata essere la categoria "⍵", seguita dalla "ε". Le varianti "n", "mae" e “lae” sono meno comuni. Questi risultati suggeriscono la predominanza di specifiche configurazioni morfologiche del solco centrale tra gli individui. In più, nel nostro studio, abbiamo utilizzato SOLAR-Eclipse per stimare l’ereditabilità delle diverse forme del solco centrale, analizzando l'architettura genetica di tale struttura. Abbiamo testato l’ereditabilità di parametri come larghezza, lunghezza, profondità ed area superficiale del solco centrale, nonché la superficie totale della corteccia ed il suo spessore medio. I risultati hanno evidenziato che la superficie corticale media presenta il valore di ereditabilità più elevato, mentre il parametro con la stima più bassa è risultato essere la lunghezza della scissura centrale. L’analisi dell’ereditabilità basata sui solchi ha mostrato valori significativi in più regioni solcali, con la larghezza e l’area superficiale solcale che presentano una maggiore ereditabilità. Abbiamo trovato che la morfologia del solco centrale, in particolare nell'emisfero destro, ha una base genetica modesta ma significativa. La stretta correlazione tra struttura cerebrale e fattori genetici potrebbe contribuire alla suscettibilità genetica per patologie che compromettono l'integrità della corteccia.