Human neural organoids, generated from pluripotent stem cells in vitro, are useful tools to study human brain development, evolution and disease. However, it is unclear which parts of the human brain are covered by existing protocols, and it has been difficult to quantitatively assess organoid variation and fidelity. Here we integrate 36 single-cell transcriptomic datasets spanning 26 protocols into one integrated human neural organoid cell atlas totalling more than 1.7 million cells1–26. Mapping to developing human brain references27–30 shows primary cell types and states that have been generated in vitro, and estimates transcriptomic similarity between primary and organoid counterparts across protocols. We provide a programmatic interface to browse the atlas and query new datasets, and showcase the power of the atlas to annotate organoid cell types and evaluate new organoid protocols. Finally, we show that the atlas can be used as a diverse control cohort to annotate and compare organoid models of neural disease, identifying genes and pathways that may underlie pathological mechanisms with the neural models. The human neural organoid cell atlas will be useful to assess organoid fidelity, characterize perturbed and diseased states and facilitate protocol development. A human neural organoid cell atlas integrating 36 single-cell transcriptomic datasets shows cell types and states and estimates transcriptomic similarity between primary and organoid counterparts, showing potential to assess organoid fidelity and facilitate protocol development.

Human neurons engineered from induced pluripotent stem cells (iPSCs) through Neurogenin 2 (Ngn2) overexpression are widely used to study neuronal differentiation mechanisms and to model neurological diseases. However, the differentiation paths and heterogeneity of emerged neurons have not been fully explored. Here we used single-cell transcriptomics to dissect the cell states that emerge during Ngn2 overexpression across a time course from pluripotency to neuron functional maturation. We find a substantial molecular heterogeneity in the neuron types generated, with at least two populations that express genes associated with neurons of the peripheral nervous system. Neuron heterogeneity is observed across multiple iPSC clones and lines from different individuals. We find that neuron fate acquisition is sensitive to Ngn2 expression level and the duration of Ngn2 forced expression. Our data reveals that Ngn2 dosage can regulate neuron fate acquisition, and that Ngn2-iN heterogeneity can confound results that are sensitive to neuron type.

Neural tissues generated from human pluripotent stem cells in vitro (known as neural organoids) are becoming useful tools to study human brain development, evolution and disease. The characterization of neural organoids using single-cell genomic methods has revealed a large diversity of neural cell types with molecular signatures similar to those observed in primary human brain tissue. However, it is unclear which domains of the human nervous system are covered by existing protocols. It is also difficult to quantitatively assess variation between protocols and the specific cell states in organoids as compared to primary counterparts. Single-cell transcriptome data from primary tissue and neural organoids derived with guided or un-guided approaches and under diverse conditions combined with large-scale integrative analyses make it now possible to address these challenges. Recent advances in computational methodology enable the generation of integrated atlases across many data sets. Here, we integrated 36 single-cell transcriptomics data sets spanning 26 protocols into one integrated human neural organoid cell atlas (HNOCA) totaling over 1.7 million cells. We harmonize cell type annotations by incorporating reference data sets from the developing human brain. By mapping to the developing human brain reference, we reveal which primary cell states have been generated in vitro, and which are under-represented. We further compare transcriptomic profiles of neuronal populations in organoids to their counterparts in the developing human brain. To support rapid organoid phenotyping and quantitative assessment of new protocols, we provide a programmatic interface to browse the atlas and query new data sets, and showcase the power of the atlas to annotate new query data sets and evaluate new organoid protocols. Taken together, the HNOCA will be useful to assess the fidelity of organoids, characterize perturbed and diseased states and facilitate protocol development in the future.

Human neurons programmed from induced pluripotent stem cells (iPSCs) through transcription factor (TF) overexpression are widely used to study neuronal differentiation mechanisms and to model neurological diseases. However, programming specific excitatory and inhibitory neuron types remains challenging, and heterogeneity of cultures can confound results that are sensitive to neuron type. Here, we assessed if systematic modulation of developmental signaling pathways combined with TF overexpression can lead to diverse neuron subtype differentiation. We screened 480 morphogen signaling modulations coupled with NGN2 or ASCL1/DLX2 induction with high-throughput multiplexed single-cell transcriptomic readout. Analysis of nearly 700,000 cells identified diverse excitatory and inhibitory neuron subtypes patterned along the anterior-posterior and dorsal-ventral axes of neural tube development, including forebrain, midbrain, hindbrain, spinal cord, peripheral sympathetic and sensory neurons. We adopt a computational framework to identify combinatorial signaling and TF networks that drive neurons toward specific subtypes. Our approach serves as a general strategy for cell subtype programming and as an inroad to investigate how cooperative signaling drives human neuron fate acquisition.

Human neurons engineered from induced pluripotent stem cells (iPSCs) through Neurogenin 2 (Ngn2) overexpression are widely used to study neuronal differentiation mechanisms and to model neurological diseases. However, the differentiation paths and heterogeneity of emerged neurons have not been fully explored. Here we used single-cell transcriptomics to dissect the cell states that emerge during Ngn2 overexpression across a time course from pluripotency to neuron functional maturation. We find a substantial molecular heterogeneity in the neuron types generated, with at least two populations that express genes associated with neurons of the peripheral nervous system. Neuron heterogeneity is observed across multiple iPSC clones and lines from different individuals. We find that neuron fate acquisition is sensitive to Ngn2 expression level and the duration of Ngn2 forced expression. Our data reveals that Ngn2 dosage can regulate neuron fate acquisition, and that Ngn2-iN heterogeneity can confound results that are sensitive to neuron type.