One size does not fit all Oligodendrocytes are best known for their ability to myelinate brain neurons, thus increasing the speed of signal transmission. Marques et al. surveyed oligodendrocytes of developing mice and found unexpected heterogeneity. Transcriptional analysis identified 12 populations, ranging from precursors to mature oligodendrocytes. Transcriptional profiles diverged as the oligodendrocytes matured, building distinct populations. One population was responsive to motor learning, and another, with a different transcriptome, traveled along blood vessels. Science , this issue p. 1326

Understanding human embryonic ventral midbrain is of major interest for Parkinson’s disease. However, the cell types, their gene expression dynamics, and their relationship to commonly used rodent models remain to be defined. We performed single-cell RNA sequencing to examine ventral midbrain development in human and mouse. We found 25 molecularly defined human cell types, including five subtypes of radial glia-like cells and four progenitors. In the mouse, two mature fetal dopaminergic neuron subtypes diversified into five adult classes during postnatal development. Cell types and gene expression were generally conserved across species, but with clear differences in cell proliferation, developmental timing, and dopaminergic neuron development. Additionally, we developed a method to quantitatively assess the fidelity of dopaminergic neurons derived from human pluripotent stem cells, at a single-cell level. Thus, our study provides insight into the molecular programs controlling human midbrain development and provides a foundation for the development of cell replacement therapies.

The mammalian brain develops through a complex interplay of spatial cues generated by diffusible morphogens, cell–cell interactions and intrinsic genetic programs that result in probably more than a thousand distinct cell types. A complete understanding of this process requires a systematic characterization of cell states over the entire spatiotemporal range of brain development. The ability of single-cell RNA sequencing and spatial transcriptomics to reveal the molecular heterogeneity of complex tissues has therefore been particularly powerful in the nervous system. Previous studies have explored development in specific brain regions1–8, the whole adult brain9 and even entire embryos10. Here we report a comprehensive single-cell transcriptomic atlas of the embryonic mouse brain between gastrulation and birth. We identified almost eight hundred cellular states that describe a developmental program for the functional elements of the brain and its enclosing membranes, including the early neuroepithelium, region-specific secondary organizers, and both neurogenic and gliogenic progenitors. We also used in situ mRNA sequencing to map the spatial expression patterns of key developmental genes. Integrating the in situ data with our single-cell clusters revealed the precise spatial organization of neural progenitors during the patterning of the nervous system. A comprehensive single-cell transcriptomic atlas of the mouse brain between gastrulation and birth identifies hundreds of cellular states and reveals the spatiotemporal organization of brain development.

Abstract Visualization of the transcriptome in situ has proven to be a valuable tool in exploring single-cell RNA-sequencing data, providing an additional spatial dimension to investigate multiplexed gene expression, cell types, disease architecture or even data driven discoveries. In situ sequencing (ISS) method based on padlock probes and rolling circle amplification has been used to spatially resolve gene transcripts in tissue sections of various origins. Here, we describe the next iteration of ISS, HybISS, hybridization-based in situ sequencing. Modifications in probe design allows for a new barcoding system via sequence-by-hybridization chemistry for improved spatial detection of RNA transcripts. Due to the amplification of probes, amplicons can be visualized with standard epifluorescence microscopes for high-throughput efficiency and the new sequencing chemistry removes limitations bound by sequence-by-ligation chemistry of ISS. HybISS design allows for increased flexibility and multiplexing, increased signal-to-noise, all without compromising throughput efficiency of imaging large fields of view. Moreover, the current protocol is demonstrated to work on human brain tissue samples, a source that has proven to be difficult to work with image-based spatial analysis techniques. Overall, HybISS technology works as a targeted amplification detection method for improved spatial transcriptomic visualization, and importantly, with an ease of implementation.

The mammalian brain develops through a complex interplay of spatial cues generated by diffusible morphogens, cell-cell interactions, and intrinsic genetic programs that result in the generation of likely more than a thousand distinct cell types. Therefore, a complete understanding of mammalian brain development requires systematic mapping of cell states covering the entire relevant spatiotemporal range. Here we report a comprehensive single-cell transcriptome atlas of mouse brain development spanning from gastrulation to birth. We identified almost a thousand distinct cellular states, including the initial emergence of the neuroepithelium, a rich set of region-specific secondary organizers and a complete developmental program for the functional elements of the brain and its enclosing membranes. We used the atlas to directly test the hypothesis that human glioblastoma reflects a return to a developmental cell state. In agreement, most aneuploid tumor cells matched embryonic rather than adult types, while karyotypically normal cells predominantly matched adult immune cell types.

ABSTRACT The choroid plexus (ChP) produces cerebrospinal fluid and forms a critical barrier between the brain and the circulation. While the ChP forms in each brain ventricle, it adopts a different shape in each one and remarkably little is known about the mechanisms underlying its development. Here, we show that epithelial WNT5A is critical for determining fourth ventricle (4V) ChP morphogenesis and size. Systemic Wnt5a knockout, or forced WNT5A overexpression beginning at E10.5, profoundly reduced the size and development of ChP in all ventricles. However, conditional deletion of Wnt5a expression in Foxj1 -expressing epithelial cells affected only the branched, villous morphology of the 4V ChP. We found that WNT5A was enriched in epithelial cells localized to the distal tips of 4V ChP villi, where WNT5A acted locally to activate non-canonical Wnt signaling via Ror1/Ror2 receptors. During 4V ChP development, MEIS1 bound to the proximal Wnt5a promoter, and gain- and loss-of-function approaches demonstrated that MEIS1 regulated Wnt5a expression. Collectively, our findings demonstrate a dual function of WNT5A in ChP development and identify MEIS1 and MEIS2 as upstream regulators of Wnt5a in the 4V ChP epithelium.

ABSTRACT Midbrain dopaminergic (mDA) neurons degenerate in Parkinson’s disease and are one of the main targets for cell replacement therapies. However, a comprehensive view of the signals and cell types contributing to mDA neurogenesis is not yet available. By analyzing the transcriptome of the mouse ventral midbrain at a tissue and single-cell level during mDA neurogenesis we found that three recently identified radial glia types 1-3 (Rgl1-3) contribute to different key aspects of mDA neurogenesis. While Rgl3 expressed most extracellular matrix components and multiple ligands for various pathways controlling mDA neuron development, such as Wnt and Shh, Rgl1-2 expressed most receptors. Moreover, we found that specific transcription factor networks explain the transcriptome and suggest a function for each individual radial glia. A network controlling neurogenesis was found in Rgl1, progenitor maintenance in Rgl2 and the secretion of factors forming the mDA niche by Rgl3. Our results thus uncover a broad repertoire of developmental signals expressed by each midbrain cell type during mDA neurogenesis. Cells identified for their emerging importance are Rgl3, a niche cell type, and Rgl1, a neurogenic progenitor that expresses ARNTL, a transcription factor that we find is required for mDA neurogenesis.

Abstract The human spinal cord contains diverse cell types, governed by a series of spatiotemporal events for tissue assembly and functions. However, the spatiotemporal regulation of cell fate specification in the human developing spinal cord remains largely unknown. Single-cell RNA sequencing and spatial transcriptomics techniques have advanced the understanding of human organ development considerably. By performing integrated analysis of single-cell and spatial multi-omics methods, we created a comprehensive developmental cell atlas of the first trimester human spinal cord. Our data revealed that the cell fate commitment of neural progenitor cells and their spatial positioning are spatiotemporally regulated by specific gene sets. Beyond this resource, we unexpectedly discovered unique events in human spinal cord development compared to rodents, including earlier quiescence of active neural stem cells, different regulation of stem cell differentiation, and distinct spatiotemporal genetic regulations of cell fate choices. In addition, using our atlas we identified specific gene expression in cancer stem cells in ependymomas. Thus, we demonstrate spatiotemporal genetic regulation of human spinal cord development as well as its potential to understand novel disease mechanisms and to inspire new therapies.

The ability to spatially resolve the cellular architecture of human cortical cell types over informative areas is essential to understanding brain function. We combined in situ sequencing gene expression data and single-nucleus RNA-sequencing cell type definitions to spatially map cells in sections of the human cortex via probabilistic cell typing. We mapped and classified a total of 59,816 cells into all 75 previously defined subtypes to create a first spatial atlas of human cortical cells in their native position, their abundances and genetic signatures.

Visualization of the transcriptome in situ has proven to be a valuable tool in exploring single-cell RNA-sequencing data, providing an additional dimension to investigate spatial cell typing and cell atlases, disease architecture or even data driven discoveries. The field of spatially resolved transcriptomic technologies is emerging as a vital tool to profile gene-expression, continuously pushing current methods to accommodate larger gene panels and larger areas without compromising throughput efficiency. Here, we describe a new version of the in situ sequencing (ISS) method based on padlock probes and rolling circle amplification. Modifications in probe design allows for a new barcoding system via sequence-by-hybridization chemistry for improved spatial detection of RNA transcripts. Due to the amplification of probes, amplicons can be visualized with standard epifluorescence microscopes with high-throughput efficiency and the new sequencing chemistry removes limitations bound by sequence-by-ligation chemistry of ISS. Here we present hybridization-based in situ sequencing (HybISS) that allows for increased flexibility and multiplexing, increased signal-to-noise, all without compromising throughput efficiency of imaging large fields of view. Moreover, the current protocol is demonstrated to work on human brain tissue samples, a source that has proven to be difficult to work with image-based spatial analysis techniques. Overall, HybISS technology works as a target amplification detection method for improved spatial transcriptomic visualization, and importantly, with an ease of implementation.