The cerebral cortex develops through the coordinated generation of dozens of neuronal subtypes, but the mechanisms involved remain unclear. Here we show that mouse embryonic stem cells, cultured without any morphogen but in the presence of a sonic hedgehog inhibitor, recapitulate in vitro the major milestones of cortical development, leading to the sequential generation of a diverse repertoire of neurons that display most salient features of genuine cortical pyramidal neurons. When grafted into the cerebral cortex, these neurons develop patterns of axonal projections corresponding to a wide range of cortical layers, but also to highly specific cortical areas, in particular visual and limbic areas, thereby demonstrating that the identity of a cortical area can be specified without any influence from the brain. The discovery of intrinsic corticogenesis sheds new light on the mechanisms of neuronal specification, and opens new avenues for the modelling and treatment of brain diseases. The cerebral cortex is the most complex structure in the mammalian brain, containing many different neuronal cell subtypes. A study of mouse embryonic stem cells in cell culture now shows that the diverse repertoire of cortical neurons can be generated in vitro. In the absence of a morphogen and in the presence of a sonic hedgehog inhibitor, corticogenesis is an intrinsic property of mouse embryonic stem cells. This finding throws light on mechanisms of neuronal specification and suggests new avenues for the modelling and treatment of brain diseases.

The study of human cortical development has major implications for brain evolution and diseases but has remained elusive due to paucity of experimental models. Here we found that human embryonic stem cells (ESCs) and induced pluripotent stem cells (iPSCs), cultured without added morphogens, recapitulate corticogenesis leading to the sequential generation of functional pyramidal neurons of all six layer identities. After transplantation into mouse neonatal brain, human ESC-derived cortical neurons integrated robustly and established specific axonal projections and dendritic patterns corresponding to native cortical neurons. The differentiation and connectivity of the transplanted human cortical neurons complexified progressively over several months in vivo, culminating in the establishment of functional synapses with the host circuitry. Our data demonstrate that human cortical neurons generated in vitro from ESC/iPSC can develop complex hodological properties characteristic of the cerebral cortex in vivo, thereby offering unprecedented opportunities for the modeling of human cortex diseases and brain repair.Video Abstracthttps://www.cell.com/cms/asset/8e2fb80d-eac9-431b-afa3-7efc1e23093c/mmc3.mp4Loading ...(mp4, 67.63 MB) Download video

Structural genomic variations represent a major driving force of evolution, and a burst of large segmental gene duplications occurred in the human lineage during its separation from nonhuman primates. SRGAP2, a gene recently implicated in neocortical development, has undergone two human-specific duplications. Here, we find that both duplications (SRGAP2B and SRGAP2C) are partial and encode a truncated F-BAR domain. SRGAP2C is expressed in the developing and adult human brain and dimerizes with ancestral SRGAP2 to inhibit its function. In the mouse neocortex, SRGAP2 promotes spine maturation and limits spine density. Expression of SRGAP2C phenocopies SRGAP2 deficiency. It underlies sustained radial migration and leads to the emergence of human-specific features, including neoteny during spine maturation and increased density of longer spines. These results suggest that inhibition of SRGAP2 function by its human-specific paralogs has contributed to the evolution of the human neocortex and plays an important role during human brain development.

The cerebral cortex underwent rapid expansion and increased complexity during recent hominid evolution. Gene duplications constitute a major evolutionary force, but their impact on human brain development remains unclear. Using tailored RNA sequencing (RNA-seq), we profiled the spatial and temporal expression of hominid-specific duplicated (HS) genes in the human fetal cortex and identified a repertoire of 35 HS genes displaying robust and dynamic patterns during cortical neurogenesis. Among them NOTCH2NL, human-specific paralogs of the NOTCH2 receptor, stood out for their ability to promote cortical progenitor maintenance. NOTCH2NL promote the clonal expansion of human cortical progenitors, ultimately leading to higher neuronal output. At the molecular level, NOTCH2NL function by activating the Notch pathway through inhibition of cis Delta/Notch interactions. Our study uncovers a large repertoire of recently evolved genes active during human corticogenesis and reveals how human-specific NOTCH paralogs may have contributed to the expansion of the human cortex.

Mitochondrial dynamics and cell fate Radial glia cells, the stem cells of early brain development, can generate more of themselves or generate differentiating neurons. Iwata et al. now show that these fate decisions involve the mitochondria. Cells that have fragmented mitochondria shortly after mitosis are more likely to become neurons, whereas cells that are undergoing mitochondrial fusion are likely to continue being stem cells. Science , this issue p. 858

Abstract mRNA localization and local translation enable exquisite spatial and temporal control of gene expression, particularly in highly polarized and elongated cells. These features are especially prominent in radial glial cells (RGCs), which serve as neural and glial precursors of the developing cerebral cortex, and scaffolds for migrating neurons. Yet the mechanisms by which distinct sub-cellular compartments of RGCs accomplish their diverse functions are poorly understood. Here, we demonstrate that subcellular RNA localization and translation of the RhoGAP Arhgap11a controls RGC morphology and mediates cortical cytoarchitecture. Arhgap11a mRNA and protein exhibit conserved localization to RGC basal structures in mice and humans, conferred by a 5′UTR cis-element. Proper RGC morphology relies upon active Arhgap11a mRNA transport and localization to basal structures, where ARHGAP11A is locally synthesized. Thus, RhoA activity is spatially and acutely activated via local translation in RGCs to promote neuron positioning and cortical cytoarchitecture. Altogether, our study demonstrates that mRNA localization and local translation mediate compartmentalization of neural progenitor functions to control brain development. Highlights Arhgap11a in radial glia non-cell autonomously promotes neuronal migration and lamination Arhgap11a mRNA localizes to radial glial endfeet via a 5’ UTR cis element ARHGAP11A expression in basal process and endfeet depends upon its localized mRNA Localized mRNA and RhoA-GAP activity in endfeet control radial glial morphology

SUMMARY Human-specific genes are potential drivers of brain evolution. Among them, SRGAP2C has contributed to the emergence of features characterizing human cortical synapses, including their extended period of maturation. SRGAP2C inhibits its ancestral copy, the postsynaptic protein SRGAP2A; yet the synaptic molecular pathways differentially regulated in humans by SRGAP2 proteins remain largely unknown. Here, we identify CTNND2, a protein implicated in severe intellectual disability (ID) in the Cri-du-Chat syndrome, as an SRGAP2 effector. We demonstrate that CTNND2 slows down synaptic maturation and promotes neuronal homeostasis. During postnatal development, CTNND2 moderates neuronal excitation and excitability. In adults, it supports synapse maintenance. While CTNND2 deficiency is deleterious and results in the synaptic loss of SYNGAP1, another major ID-associated protein, the human-specific protein SRGAP2C enhances CTNND2 synaptic accumulation in human neurons. Our findings reveal that CTNND2 regulation by SRGAP2C contributes to synaptic neoteny in humans, and link human-specific and ID genes at the synapse.

Abstract The evolution of species involves changes in the timeline of key developmental programs. Among these, neuronal development is considerably prolonged in the human cerebral cortex compared with other mammals, leading to brain neoteny. Here we explore whether mitochondria influence the species-specific properties of cortical neuron maturation. By comparing human and mouse cortical neuronal maturation at high temporal and cell resolution, we found a slower pattern of mitochondria development in human cortical neurons compared with the mouse, together with lower mitochondria metabolic activity, particularly oxidative phosphorylation. Stimulation of mitochondria metabolism in human neurons resulted in accelerated maturation, leading to excitable and complex cells weeks ahead of time. Our data identify mitochondria as important regulators of the pace of neuronal development underlying human-specific features of brain evolution.