New neurons continue to be generated in the subgranular zone of the dentate gyrus of the adult mammalian hippocampus. This process has been linked to learning and memory, stress and exercise, and is thought to be altered in neurological disease. In humans, some studies have suggested that hundreds of new neurons are added to the adult dentate gyrus every day, whereas other studies find many fewer putative new neurons. Despite these discrepancies, it is generally believed that the adult human hippocampus continues to generate new neurons. Here we show that a defined population of progenitor cells does not coalesce in the subgranular zone during human fetal or postnatal development. We also find that the number of proliferating progenitors and young neurons in the dentate gyrus declines sharply during the first year of life and only a few isolated young neurons are observed by 7 and 13 years of age. In adult patients with epilepsy and healthy adults (18-77 years; n = 17 post-mortem samples from controls; n = 12 surgical resection samples from patients with epilepsy), young neurons were not detected in the dentate gyrus. In the monkey (Macaca mulatta) hippocampus, proliferation of neurons in the subgranular zone was found in early postnatal life, but this diminished during juvenile development as neurogenesis decreased. We conclude that recruitment of young neurons to the primate hippocampus decreases rapidly during the first years of life, and that neurogenesis in the dentate gyrus does not continue, or is extremely rare, in adult humans. The early decline in hippocampal neurogenesis raises questions about how the function of the dentate gyrus differs between humans and other species in which adult hippocampal neurogenesis is preserved.

Microglia maintain homeostasis in the brain, but whether aberrant microglial activation can cause neurodegeneration remains controversial. Here, we use transcriptome profiling to demonstrate that deficiency in frontotemporal dementia (FTD) gene progranulin (Grn) leads to an age-dependent, progressive upregulation of lysosomal and innate immunity genes, increased complement production, and enhanced synaptic pruning in microglia. During aging, Grn−/− mice show profound microglia infiltration and preferential elimination of inhibitory synapses in the ventral thalamus, which lead to hyperexcitability in the thalamocortical circuits and obsessive-compulsive disorder (OCD)-like grooming behaviors. Remarkably, deleting C1qa gene significantly reduces synaptic pruning by Grn−/− microglia and mitigates neurodegeneration, behavioral phenotypes, and premature mortality in Grn−/− mice. Together, our results uncover a previously unrecognized role of progranulin in suppressing aberrant microglia activation during aging. These results represent an important conceptual advance that complement activation and microglia-mediated synaptic pruning are major drivers, rather than consequences, of neurodegeneration caused by progranulin deficiency.

Call to action The developing brain initially makes more synapses than it needs. With further development, excess synapses are pruned away, leaving mature circuits. Synapses can be eliminated by microglia, which engulf and destroy them. Vainchtein et al. found that the microglia are called into action by astrocytes, supportive cells on which neurons rely. Astrocytes near a redundant synapse release the cytokine interleukin-33 (IL-33), which recruits microglia to the site. In mice, disruptions in this process, as caused by deficiency in IL-33, led to too many excitatory synapses and overactive brain circuitry. Science , this issue p. 1269

Neurons in the cerebral cortex connect through descending pathways to hindbrain and spinal cord to activate muscle and generate movement. Although components of this pathway have been previously generated and studied in vitro, the assembly of this multi-synaptic circuit has not yet been achieved with human cells. Here, we derive organoids resembling the cerebral cortex or the hindbrain/spinal cord and assemble them with human skeletal muscle spheroids to generate 3D cortico-motor assembloids. Using rabies tracing, calcium imaging, and patch-clamp recordings, we show that corticofugal neurons project and connect with spinal spheroids, while spinal-derived motor neurons connect with muscle. Glutamate uncaging or optogenetic stimulation of cortical spheroids triggers robust contraction of 3D muscle, and assembloids are morphologically and functionally intact for up to 10 weeks post-fusion. Together, this system highlights the remarkable self-assembly capacity of 3D cultures to form functional circuits that could be used to understand development and disease.

Astrocytes, the most abundant cells in the central nervous system, promote synapse formation and help to refine neural connectivity. Although they are allocated to spatially distinct regional domains during development, it is unknown whether region-restricted astrocytes are functionally heterogeneous. Here we show that postnatal spinal cord astrocytes express several region-specific genes, and that ventral astrocyte-encoded semaphorin 3a (Sema3a) is required for proper motor neuron and sensory neuron circuit organization. Loss of astrocyte-encoded Sema3a leads to dysregulated α-motor neuron axon initial segment orientation, markedly abnormal synaptic inputs, and selective death of α- but not of adjacent γ-motor neurons. In addition, a subset of TrkA+ sensory afferents projects to ectopic ventral positions. These findings demonstrate that stable maintenance of a positional cue by developing astrocytes influences multiple aspects of sensorimotor circuit formation. More generally, they suggest that regional astrocyte heterogeneity may help to coordinate postnatal neural circuit refinement. Populations of astrocytes in the spinal cord are shown to express region-specific genes, with ventral astrocyte-encoded Sema3a necessary for proper motor neuron circuit organization and typical sensory afferent projection patterns; these findings suggest that astrocytes provide a positional cue for maintaining proper circuit formation and refinement. Astrocytes are widely recognized as regulators of synapse formation in the central nervous system, and recent work showed that they tend to remain in distinct regions during development. It was not known whether regional populations of astrocyte were similar or distinct or how any differences might affect synaptic development. Here, David Rowitch and colleagues determine that local populations of astrocytes in the spinal cord can express region-specific genes, with ventral astrocyte-encoded Sema3a necessary for proper motor neuron circuit organization and typical sensory afferent projection patterns. The argument is made that these astrocytes provide a positional cue to maintain proper circuit formation and refinement.

Abstract Self-organizing neural organoids represent a promising in vitro platform with which to model human development and disease 1–5 . However, organoids lack the connectivity that exists in vivo, which limits maturation and makes integration with other circuits that control behaviour impossible. Here we show that human stem cell-derived cortical organoids transplanted into the somatosensory cortex of newborn athymic rats develop mature cell types that integrate into sensory and motivation-related circuits. MRI reveals post-transplantation organoid growth across multiple stem cell lines and animals, whereas single-nucleus profiling shows progression of corticogenesis and the emergence of activity-dependent transcriptional programs. Indeed, transplanted cortical neurons display more complex morphological, synaptic and intrinsic membrane properties than their in vitro counterparts, which enables the discovery of defects in neurons derived from individuals with Timothy syndrome. Anatomical and functional tracings show that transplanted organoids receive thalamocortical and corticocortical inputs, and in vivo recordings of neural activity demonstrate that these inputs can produce sensory responses in human cells. Finally, cortical organoids extend axons throughout the rat brain and their optogenetic activation can drive reward-seeking behaviour. Thus, transplanted human cortical neurons mature and engage host circuits that control behaviour. We anticipate that this approach will be useful for detecting circuit-level phenotypes in patient-derived cells that cannot otherwise be uncovered.

The assembly of cortical circuits involves the generation and migration of interneurons from the ventral to the dorsal forebrain1-3, which has been challenging to study at inaccessible stages of late gestation and early postnatal human development4. Autism spectrum disorder and other neurodevelopmental disorders (NDDs) have been associated with abnormal cortical interneuron development5, but which of these NDD genes affect interneuron generation and migration, and how they mediate these effects remains unknown. We previously developed a platform to study interneuron development and migration in subpallial organoids and forebrain assembloids6. Here we integrate assembloids with CRISPR screening to investigate the involvement of 425 NDD genes in human interneuron development. The first screen aimed at interneuron generation revealed 13 candidate genes, including CSDE1 and SMAD4. We subsequently conducted an interneuron migration screen in more than 1,000 forebrain assembloids that identified 33 candidate genes, including cytoskeleton-related genes and the endoplasmic reticulum-related gene LNPK. We discovered that, during interneuron migration, the endoplasmic reticulum is displaced along the leading neuronal branch before nuclear translocation. LNPK deletion interfered with this endoplasmic reticulum displacement and resulted in abnormal migration. These results highlight the power of this CRISPR-assembloid platform to systematically map NDD genes onto human development and reveal disease mechanisms.

Abstract It is widely assumed that cells must be physically isolated to study their molecular profiles. However, intact tissue samples naturally exhibit variation in cellular composition, which drives covariation of cell-class-specific molecular features. By analyzing transcriptional covariation in 7221 intact CNS samples from 840 individuals representing billions of cells, we reveal the core transcriptional identities of major CNS cell classes in humans. By modeling intact CNS transcriptomes as a function of variation in cellular composition, we identify cell-class-specific transcriptional differences in Alzheimer’s disease, among brain regions, and between species. Among these, we show that PMP2 is expressed by human but not mouse astrocytes and significantly increases mouse astrocyte size upon ectopic expression in vivo, causing them to more closely resemble their human counterparts. Our work is available as an online resource ( http://oldhamlab.ctec.ucsf.edu ) and provides a generalizable strategy for determining the core molecular features of cellular identity in intact biological systems.

The assembly of cortical circuits involves the generation and migration of cortical interneurons from the ventral to the dorsal forebrain, which has been challenging to study in humans as these processes take place at inaccessible stages of late gestation and early postnatal development. Autism spectrum disorder (ASD) and other neurodevelopmental disorders (NDDs) have been associated with abnormal cortical interneuron development, but which of the hundreds of NDD genes impact interneuron generation and migration into circuits and how they mediate these effects remain unknown. We previously developed a stem cell-based platform to study human cortical interneurons in self-organizing organoids resembling the ventral forebrain and their migration using forebrain assembloids. Here, we integrate assembloid technology with CRISPR screening to systematically investigate the involvement of 425 NDD genes in human interneuron development. The first screen aimed at interneuron generation revealed 13 candidate genes, including the RNA-binding protein CSDE1 and the canonical TGFβ signaling activator SMAD4. Then, we ran an interneuron migration screen in ~1,000 forebrain assembloids that identified 33 candidate genes, including cytoskeleton-related genes and, notably, the endoplasmic reticulum (ER)-related gene LNPK. Interestingly, we discovered that, during interneuron migration, the ER is displaced along the leading neuronal branch prior to nuclear translocation. Deletion of LNPK interfered with this ER displacement and resulted in reduced interneuron saltation length, indicating a critical role for the ER in this migratory process. Taken together, these results highlight how this versatile CRISPR-assembloid platform can be used to systematically map disease genes onto early stages of human neural development and to reveal novel mechanisms regulating interneuron development.

Abstract Morphogens choreograph the generation of remarkable cellular diversity in the developing nervous system. Differentiation of stem cells toward particular neural cell fates in vitro often relies upon combinatorial modulation of these signaling pathways. However, the lack of a systematic approach to understand morphogen-directed differentiation has precluded the generation of many neural cell populations, and knowledge of the general principles of regional specification remain in-complete. Here, we developed an arrayed screen of 14 morphogen modulators in human neural organoids cultured for over 70 days. Leveraging advances in multiplexed RNA sequencing technology and annotated single cell references of the human fetal brain we discovered that this screening approach generated considerable regional and cell type diversity across the neural axis. By deconvoluting morphogen-cell type relationships, we extracted design principles of brain region specification, including critical morphogen timing windows and combinatorics yielding an array of neurons with distinct neuro-transmitter identities. Tuning GABAergic neural subtype diversity unexpectedly led to the derivation of primate-specific interneurons. Taken together, this serves as a platform towards an in vitro morphogen atlas of human neural cell differentiation that will bring insights into human development, evolution, and disease.