The mammalian cerebral cortex supports cognitive functions such as sensorimotor integration, memory, and social behaviors. Normal brain function relies on a diverse set of differentiated cell types, including neurons, glia, and vasculature. Here, we have used large-scale single-cell RNA sequencing (RNA-seq) to classify cells in the mouse somatosensory cortex and hippocampal CA1 region. We found 47 molecularly distinct subclasses, comprising all known major cell types in the cortex. We identified numerous marker genes, which allowed alignment with known cell types, morphology, and location. We found a layer I interneuron expressing Pax6 and a distinct postmitotic oligodendrocyte subclass marked by Itpr2. Across the diversity of cortical cell types, transcription factors formed a complex, layered regulatory code, suggesting a mechanism for the maintenance of adult cell type identity.

The vast diversity of GABAergic interneurons is believed to endow hippocampal microcircuits with the required flexibility for memory encoding and retrieval. However, dissection of the functional roles of defined interneuron types has been hampered by the lack of cell-specific tools. We identified a precise molecular marker for a population of hippocampal GABAergic interneurons known as oriens lacunosum-moleculare (OLM) cells. By combining transgenic mice and optogenetic tools, we found that OLM cells are important for gating the information flow in CA1, facilitating the transmission of intrahippocampal information (from CA3) while reducing the influence of extrahippocampal inputs (from the entorhinal cortex). Furthermore, we found that OLM cells were interconnected by gap junctions, received direct cholinergic inputs from subcortical afferents and accounted for the effect of nicotine on synaptic plasticity of the Schaffer collateral pathway. Our results suggest that acetylcholine acting through OLM cells can control the mnemonic processes executed by the hippocampus.

Pdgfra+ oligodendrocyte precursor cells (OPCs) arise in distinct specification waves during embryogenesis in the central nervous system (CNS). It is unclear whether there is a correlation between these waves and different oligodendrocyte (OL) states at adult stages. Here, we present bulk and single-cell transcriptomics resources providing insights on how transitions between these states occur. We found that post-natal OPCs from brain and spinal cord present similar transcriptional signatures. Moreover, post-natal OPC progeny of E13.5 Pdgfra+ cells present electrophysiological and transcriptional profiles similar to OPCs derived from subsequent specification waves, indicating that Pdgfra+ pre-OPCs rewire their transcriptional network during development. Single-cell RNA-seq and lineage tracing indicates that a subset of E13.5 Pdgfra+ cells originates cells of the pericyte lineage. Thus, our results indicate that embryonic Pdgfra+ cells in the CNS give rise to distinct post-natal cell lineages, including OPCs with convergent transcriptional profiles in different CNS regions.

Abstract The maturation of human pluripotent stem cell (hPSC)-derived neurons mimics the protracted timing of human brain development, extending over months and years to reach adult-like function. Prolonged in vitro maturation presents a major challenge to stem cell-based applications in modeling and treating neurological disease. We designed a high-content imaging assay based on morphological and functional readouts in hPSC-derived cortical neurons to reveal underlying pathways and to identify chemicals capable of accelerating neuronal maturation. Probing a library of 2688 bioactive drugs, we identified multiple compounds that drive neuronal maturation including inhibitors of LSD1 and DOT1L and activators of calcium-dependent transcription. A cocktail of 4 factors G SK-2879552, E PZ-5676, N MDA and Bay K 8644, which we collectively termed GENtoniK, triggered maturation across all assays tested including measures of synaptic density, electrophysiology and transcriptomics. Remarkably, GENtoniK was similarly effective in enhancing neuronal maturation in 3D cortical organoids and in spinal motoneurons, and improved aspects of cell maturation in non-neural lineages such as melanocytes and pancreatic beta cells. These results demonstrate that the maturation of multiple hPSC-derived cell types can be enhanced by simple pharmacological intervention and suggests that some of the mechanisms controlling the timing of human maturation are shared across lineages.

The pace of human brain development is highly protracted compared with most other species1-7. The maturation of cortical neurons is particularly slow, taking months to years to develop adult functions3-5. Remarkably, such protracted timing is retained in cortical neurons derived from human pluripotent stem cells (hPSCs) during in vitro differentiation or upon transplantation into the mouse brain4,8,9. Those findings suggest the presence of a cell-intrinsic clock setting the pace of neuronal maturation, although the molecular nature of this clock remains unknown. Here we identify an epigenetic developmental programme that sets the timing of human neuronal maturation. First, we developed a hPSC-based approach to synchronize the birth of cortical neurons in vitro which enabled us to define an atlas of morphological, functional and molecular maturation. We observed a slow unfolding of maturation programmes, limited by the retention of specific epigenetic factors. Loss of function of several of those factors in cortical neurons enables precocious maturation. Transient inhibition of EZH2, EHMT1 and EHMT2 or DOT1L, at progenitor stage primes newly born neurons to rapidly acquire mature properties upon differentiation. Thus our findings reveal that the rate at which human neurons mature is set well before neurogenesis through the establishment of an epigenetic barrier in progenitor cells. Mechanistically, this barrier holds transcriptional maturation programmes in a poised state that is gradually released to ensure the prolonged timeline of human cortical neuron maturation.

Abstract The maturation of human pluripotent stem cell (hPSC)-derived neurons mimics the protracted timing of human brain development, extending over months to years for reaching adult-like function. Prolonged in vitro maturation presents a major challenge to stem cell-based applications in modeling and treating neurological disease. Therefore, we designed a high-content imaging assay based on morphological and functional readouts in hPSC-derived cortical neurons which identified multiple compounds that drive neuronal maturation including inhibitors of lysine-specific demethylase 1 and disruptor of telomerase-like 1 and activators of calcium-dependent transcription. A cocktail of four factors, GSK2879552, EPZ-5676, N -methyl- d -aspartate and Bay K 8644, collectively termed GENtoniK, triggered maturation across all parameters tested, including synaptic density, electrophysiology and transcriptomics. Maturation effects were further validated in cortical organoids, spinal motoneurons and non-neural lineages including melanocytes and pancreatic β-cells. The effects on maturation observed across a broad range of hPSC-derived cell types indicate that some of the mechanisms controlling the timing of human maturation might be shared across lineages.

Dissecting how membrane receptors regulate neural circuit function is critical for deciphering basic principles of neuromodulation and mechanisms of therapeutic drug action. Classical pharmacological and genetic approaches are not well-equipped to untangle the roles of specific receptor populations, especially in long-range projections which coordinate communication between brain regions. Here we use viral tracing, electrophysiological, optogenetic, and photopharmacological approaches to determine how presynaptic metabotropic glutamate receptor 2 (mGluR2) activation in the basolateral amygdala (BLA) alters anxiety-related behavior. We find that mGluR2-expressing neurons from the ventromedial prefrontal cortex (vmPFC) and posterior insular cortex (pIC) preferentially target distinct cell types and subregions of the BLA to regulate different forms of avoidant behavior. Using projection-specific photopharmacological activation, we find that mGluR2-mediated presynaptic inhibition of vmPFC-BLA, but not pIC-BLA, connections can produce long-lasting decreases in spatial avoidance. In contrast, presynaptic inhibition of pIC-BLA connections decreased social avoidance, novelty-induced hypophagia, and increased exploratory behavior without impairing working memory, establishing this projection as a novel target for the treatment of anxiety disorders. Overall, this work reveals new aspects of BLA neuromodulation with therapeutic implications while establishing a powerful approach for optical mapping of drug action via photopharmacology.

Recent work suggests that cortical interneuron diversity arises from genetic mechanisms guided by the interplay of intrinsic developmental patterning and local extrinsic cues. Individual genetic programs underlying subtype identity are at least partly established in postmitotic neural precursors, prior to their tangential migration and integration in the cortical circuitry. Nevertheless, it is unclear how distinct interneuron identities are maintained during their migration and maturation. Sox6 is a transcription factor with an established role in MGE-derived interneuron maturation and positional identity. To determine its role in maintaining somatostatin (Sst)-expressing interneurons' subtype identity, we conditionally removed Sox6 in migrating Sst interneurons and assessed the effects on their mature identity using single-cell RNA-sequencing (scRNAseq), in situ hybridization and electrophysiology. Sox6 removal prior to migration in Sst-expressing neurons reduced subtype diversity without affecting the overall number of neurons. Seven out of nine Sst-expressing molecular subtypes were absent in the mature primary somatosensory cortex of Sox6-cKO mice, including the Chodl-Nos1-expressing type which has been shown to be specified at, or shortly after, cell cycle exit. The remaining Sst-expressing subtypes in the Sox6-cKO cortex comprised three molecular subtypes, Crh-C1ql3 and Hpse-Cbln4, and a third subtype that seemed to be a molecular hybrid of these subtypes. Moreover, Sox6-cKO cells still expressed genes enriched within the entire class of Sst-expressing neurons, such as Sst, Lhx6, Satb1, Elfn1 and Mafb. Removal of Sox6 at P7, after cells have reached their final destination and begin integration into the network, did not disrupt Chodl-Nos1 marker expression. Our findings suggest that expression of Sox6 during the migratory phase of cortical interneurons is necessary for maintenance of Sst+ subtype identity, indicating that subtype maintenance during migration requires active transcriptional programs.

Pdgfra+ oligodendrocyte precursor cells (OPCs) arise in distinct specification waves during embryogenesis in the central nervous system (CNS). It is unclear whether there is a correlation between these waves and different transcriptional oligodendrocyte (OL) states at adult stages. Here we present a bulk and single-cell transcriptomics resource providing insights on how transitions between these states occur. We show that E13.5 Pdgfra+ populations are not OPCs, exhibiting instead hallmarks of neural progenitors. A subset of these progenitors, which we refer as pre-OPCs, rewires their transcriptional landscape, converging into indistinguishable OPC states at E17.5 and post-natal stages. P7 brain and spinal cord OPCs present similar transcriptional profiles at the single-cell level, indicating that OPC states are not region-specific. Postnatal OPC progeny of E13.5 Pdgfra+ have electrophysiological and transcriptional profiles similar to OPCs derived from subsequent specification waves. In addition, lineage tracing indicates that a subset of E13.5 Pdgfra+ cells also originate cells of the pericyte lineage. In summary, our results indicate that embryonic Pdgfra+ cells are diverse and give rise at post-natal stages to distinct cell lineages, including OPCs with convergent transcriptional profiles in different CNS regions.

Psilocybin has shown promise for alleviating symptoms of depression and is currently in clinical trials for the treatment of anorexia nervosa (AN), a condition that is characterised by persistent cognitive inflexibility. Considering that enhanced cognitive flexibility after psilocybin treatment is reported to occur in individuals with depression, it is plausible that psilocybin could improve symptoms of AN by breaking down cognitive inflexibility. A mechanistic understanding of the actions of psilocybin is required to tailor the clinical application of psilocybin to individuals most likely to respond with positive outcomes. This can only be achieved using incisive neurobiological approaches in animal models. Here, we use the activity-based anorexia (ABA) rat model and comprehensively assess aspects of reinforcement learning to show that psilocybin (post-acutely) improves body weight maintenance in female rats and facilitates cognitive flexibility, specifically via improved adaptation to the initial reversal of reward contingencies. Further, we reveal the involvement of signalling through the serotonin (5-HT) 1A and 5-HT2A receptor subtypes in specific aspects of learning, demonstrating that 5-HT1A antagonism negates the cognitive enhancing effects of psilocybin. Moreover, we show that psilocybin elicits a transient increase and decrease in cortical transcription of these receptors (Htr2a and Htr1a, respectively), and a further reduction in the abundance of Htr2a transcripts in rats exposed to the ABA model. Together, these findings support the hypothesis that psilocybin could ameliorate cognitive inflexibility in the context of AN and highlight a need to better understand the therapeutic mechanisms independent of 5-HT2A receptor binding.