In vitro models of the developing brain such as three-dimensional brain organoids offer an unprecedented opportunity to study aspects of human brain development and disease. However, the cells generated within organoids and the extent to which they recapitulate the regional complexity, cellular diversity and circuit functionality of the brain remain undefined. Here we analyse gene expression in over 80,000 individual cells isolated from 31 human brain organoids. We find that organoids can generate a broad diversity of cells, which are related to endogenous classes, including cells from the cerebral cortex and the retina. Organoids could be developed over extended periods (more than 9 months), allowing for the establishment of relatively mature features, including the formation of dendritic spines and spontaneously active neuronal networks. Finally, neuronal activity within organoids could be controlled using light stimulation of photosensitive cells, which may offer a way to probe the functionality of human neuronal circuits using physiological sensory stimuli.

Experimental models of the human brain are needed for basic understanding of its development and disease1. Human brain organoids hold unprecedented promise for this purpose; however, they are plagued by high organoid-to-organoid variability2,3. This has raised doubts as to whether developmental processes of the human brain can occur outside the context of embryogenesis with a degree of reproducibility that is comparable to the endogenous tissue. Here we show that an organoid model of the dorsal forebrain can reliably generate a rich diversity of cell types appropriate for the human cerebral cortex. We performed single-cell RNA-sequencing analysis of 166,242 cells isolated from 21 individual organoids, finding that 95% of the organoids generate a virtually indistinguishable compendium of cell types, following similar developmental trajectories and with a degree of organoid-to-organoid variability comparable to that of individual endogenous brains. Furthermore, organoids derived from different stem cell lines show consistent reproducibility in the cell types produced. The data demonstrate that reproducible development of the complex cellular diversity of the central nervous system does not require the context of the embryo, and that establishment of terminal cell identity is a highly constrained process that can emerge from diverse stem cell origins and growth environments.

Genetic risk for autism spectrum disorder (ASD) is associated with hundreds of genes spanning a wide range of biological functions

The vasculature is a prominent component of the subventricular zone neural stem cell niche. Although quiescent neural stem cells physically contact blood vessels at specialized endfeet, the significance of this interaction is not understood. In contrast, it is well established that vasculature-secreted soluble factors promote lineage progression of committed progenitors. Here we specifically investigated the role of cell–cell contact-dependent signalling in the vascular niche. Unexpectedly, we find that direct cell–cell interactions with endothelial cells enforce quiescence and promote stem cell identity. Mechanistically, endothelial ephrinB2 and Jagged1 mediate these effects by suppressing cell-cycle entry downstream of mitogens and inducing stemness genes to jointly inhibit differentiation. In vivo, endothelial-specific ablation of either of the genes which encode these proteins, Efnb2 and Jag1 respectively, aberrantly activates quiescent stem cells, resulting in depletion. Thus, we identify the vasculature as a critical niche compartment for stem cell maintenance, furthering our understanding of how anchorage to the niche maintains stem cells within a pro-differentiative microenvironment. Parrinello and colleagues show that direct interactions with endothelial cells in the subventricular zone maintain the quiescence and identity of neural stem cells, through a process involving both Notch- and Ephrin-mediated signalling pathways.

ABSTRACT Genetic risk for autism spectrum disorder (ASD) has been associated with hundreds of genes spanning a wide range of biological functions. The phenotypic alterations in the human brain resulting from mutations in ASD risk genes remain unclear, and the level at which these alterations converge on shared disease pathology is poorly understood. Here, we leveraged reproducible organoid models of the human cerebral cortex to identify cell type-specific developmental abnormalities associated with haploinsufficiency in three ASD risk genes, SUV420H1 ( KMT5B ), PTEN , and CHD8 . We performed comprehensive single-cell RNA-sequencing (scRNA-seq) of over 400,000 cells, and proteomic analysis on individual organoids sampled at different developmental stages to investigate phenotypic convergence among these genes. We find that within a defined period of early cortical development, each of the three mutations demonstrates accelerated development of cortical neurons. Notably, they do so by affecting different neuronal populations: excitatory deep layer ( SUV420H1 ) and callosal ( PTEN ) neurons, and inhibitory interneurons ( CHD8 ). This work shows that haploinsufficiency in ASD risk genes converge on early developmental defects in the generation of neurons of the cortical microcircuit.

Abstract Autism spectrum disorder (ASD) is a genetically heterogeneous disorder linked with rare, inherited and de novo mutations occurring in two main functional gene categories: gene expression regulation and synaptic function 1 . Accumulating evidence points to dysregulation in cortical neurogenesis as a convergent mechanism in ASD pathophysiology 2-8 . While asynchronous development has been identified as a shared feature among ASD-risk genes in the category of gene expression regulation, it remains unknown whether this phenotype is also associated with ASD-risk genes in the synaptic function category. Here we show for the first time the expression of the synaptic Ras GTP-ase activating protein 1 (SYNGAP1), one of the top ASD risk genes 9 , in human cortical progenitors (hCPs). Interestingly, we found that multiple components of the postsynaptic density (PSD) of excitatory synapses, of which SYNGAP1 is one of the most abundant components 10,11 , are enriched in the proteome of hCPs. Specifically, we discover that SYNGAP1 is expressed within the apical domain of human radial glia cells (hRGCs) where it lines the wall of the developing cortical ventricular zone colocalizing with the tight junction-associated protein and MAGUK family member TJP1. In a cortical organoid model of SYNGAP1 haploinsufficiency, we show dysregulated cytoskeletal dynamics that impair the scaffolding and division plane of hRGCs, resulting in disrupted lamination of the cortical plate and accelerated maturation of cortical projection neurons. Overall, the discovery of the expression and function of SYNGAP1 in cortical progenitor cells reframes our understanding of the pathophysiology of SYNGAP1-related disorders and, more broadly, underscores the importance of dissecting the role of synaptic genes associated with neurodevelopmental disorders in distinct cell types across developmental stages.

ABSTRACT Aging is characterized by the accumulation of amyloid and prion-like proteins. However, the molecular mechanisms by which these proteins arise remain unclear. Here, we demonstrate that transcript errors generate amyloid and prion-like proteins in a wide variety of human cell types, including stem cells, brain organoids, and fully differentiated neurons. Intriguingly, some of these proteins are identical to proteins previously implicated in familial cases of amyloid diseases, raising the possibility that both familial and non-familial cases are caused by identical mutant proteins. However, transcript errors also generate amyloid proteins that have not been observed before, suggesting that aging cells are exposed to a second class of pathogenic proteins we are currently unaware of. Finally, we show that transcript errors are readily generated by DNA damage, a hallmark of human aging and a staple of multiple proteotoxic diseases, including Alzheimer’s disease. Together, these observations greatly expand our understanding of mutagenesis in human aging and disease and suggest a new mechanism by which amyloid diseases can develop.

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.