Abstract Global profile of gene expression at single-cell resolution remains to be determined for primates. Using a recently developed technology (“Stereo-seq”), we have obtained a comprehensive single-cell spatial transcriptome map at the whole-brain level for cynomolgus monkeys, with ∼600 genes per cell for 10 μm-thick coronal sections (up to 15 cm 2 in size). Large-scale single-nucleus RNA-seq analysis for ∼1 million cells helped to identify cell types corresponding to Stereo-seq gene expression profiles, providing a 3-D cell type atlas of the monkey brain. Quantitative analysis of Stereo-seq data revealed molecular fingerprints that mark distinct neocortical layers and subregions, as well as domains within subcortical structures including hippocampus, thalamus, striatum, cerebellum, hypothalamus and claustrum. Striking whole-brain topography and coordinated patterns were found in the expression of genes encoding receptors and transporters for neurotransmitters and neuromodulators. These results pave the way for cellular and molecular understanding of organizing principles of the primate brain.

Abstract Microglia, as brain-resident macrophages, play critical roles in brain development, homeostasis, and disease. Microglia in animal models cannot accurately model the properties of human microglia due to notable transcriptomic and functional differences between human and other animal microglia. Efficient generation of microglia from human pluripotent stem cells (hPSCs) provides unprecedented opportunities to study the function and behavior of human microglia. Particularly, incorporating hPSCs-derived microglia into brain organoids facilitates their development in a 3-dimensional context, mimicking the brain environment. However, an optimized method that integrates an appropriate amount of microglia into brain organoids at a proper time point, resembling in vivo brain development, is still lacking. Here, we report the development of a new brain region-specific, microglia-containing organoid model by co-culturing hPSCs-derived primitive neural progenitor cells (pNPCs) and primitive macrophage progenitors (PMPs). In these organoids, hPSCs-derived pNPCs and PMPs interact with each other and develop into functional neurons, astroglia, and microglia, respectively. Importantly, the numbers of human microglia in the organoids can be controlled, resulting in a cell type ratio similar to that seen in the human brain. Using super-resolution microscopy, we demonstrate that these human microglia are able to phagocytize neural progenitor cells (NPCs) and apoptotic cells, as well as to prune synapses at different developmental stages of the organoids. Furthermore, these human microglia respond to Zika virus infection of the organoids, as indicated by amoeboid-like morphology, increased expression of gene transcripts encoding inflammatory cytokines, and excessive pruning of synaptic materials. Together, our findings establish a new microglia-containing brain organoid model that will serve to study human microglial function in a variety of neurological disorders.

SUMMARY While challenging, identifying individuals displaying resilience to Alzheimer’s disease (AD) and understanding the underlying mechanism holds great promise for the development of new therapeutic interventions to effectively treat AD. Down syndrome (DS), or trisomy 21, is the most common genetic cause of AD. Interestingly, some people with DS, despite developing AD neuropathology, show resilience to cognitive decline. Furthermore, DS individuals are at an increased risk of myeloid leukemia due to somatic mutations in hematopoietic cells. Recent studies indicate that somatic mutations in hematopoietic cells may lead to resilience to neurodegeneration. Microglia, derived from hematopoietic lineages, play a central role in AD etiology. We therefore hypothesize that microglia carrying the somatic mutations associated with DS myeloid leukemia may impart resilience to AD. Using CRISPR-Cas9 gene editing, we introduce a trisomy 21-linked hotspot CSF2RB A455D mutation into human pluripotent stem cell (hPSC) lines derived from both DS and healthy individuals. Employing hPSC-based in vitro microglia culture and in vivo human microglia chimeric mouse brain models, we show that in response to pathological tau, the CSF2RB A455D mutation suppresses microglial type-1 interferon signaling, independent of trisomy 21 genetic background. This mutation reduces neuroinflammation and enhances phagocytic and autophagic functions, thereby ameliorating senescent and dystrophic phenotypes in human microglia. Moreover, the CSF2RB A455D mutation promotes the development of a unique microglia subcluster with tissue repair properties. Importantly, human microglia carrying CSF2RB A455D provide protection to neuronal function, such as neurogenesis and synaptic plasticity in chimeric mouse brains where human microglia largely repopulate the hippocampus. When co-transplanted into the same mouse brains, human microglia with CSF2RB A455D mutation phagocytize and replace human microglia carrying the wildtype CSF2RB gene following pathological tau treatment. Our findings suggest that hPSC-derived CSF2RB A455D microglia could be employed to develop effective microglial replacement therapy for AD and other age-related neurodegenerative diseases, even without the need to deplete endogenous diseased microglia prior to cell transplantation.

Human-mouse chimeric brain models, generated by transplanting human induced pluripotent stem cell (hiPSC)-derived neural cells, are valuable for studying the development and function of human neural cells in vivo. Understanding glial-glial and glial-neuronal interactions is essential for unraveling the complexities of brain function and developing treatments for neurological disorders. To explore these interactions between human neural cells within an intact brain environment, we employe a co-transplantation strategy involving the engraftment of hiPSC-derived neural progenitor cells along with primitive macrophage progenitors into the neonatal mouse brain. This approach creates human-mouse chimeric brains containing human microglia, macroglia (astroglia and oligodendroglia), and neurons. Using super-resolution imaging and 3D reconstruction techniques, we examine the dynamics between human neurons and glia, unveiling human microglia engulfing immature human neurons, microglia pruning synapses of human neurons, and significant interactions between human oligodendrocytes and neurons. Single-cell RNA sequencing analysis of the chimeric brain uncovers a close recapitulation of the human glial progenitor cell population, along with a dynamic stage in astroglial development that mirrors the processes found in the human brain. Furthermore, cell-cell communication analysis highlights significant neuronal-glial and glial-glial interactions, especially the interaction between adhesion molecules neurexins and neuroligins. This innovative co-transplantation model opens up new avenues for exploring the complex pathophysiological mechanisms underlying human neurological diseases. It holds particular promise for studying disorders where glial-neuronal interactions and non-cell-autonomous effects play crucial roles.

Abstract Mutations or loss of function of DJ-1 and Toxoplasma gondii ( T. gondii ) infection has been linked to neurodegenerative diseases, which are often caused by oxidative stress. However, the relationship between DJ-1 and T. gondii infection is not yet fully understood. Therefore, this study aimed to investigate the expression of DJ-1 in the hippocampus tissue of mice or in HT22 infected with T. gondii Chinese 1 genotype Wh3 strain (TgCtwh3) and the effect of DJ-1 knockdown on neuronal apoptosis induced by TgCtwh3 tachyzoite, as well as the underlying mechanism at the cellular and molecular level. Firstly, we detected DJ-1 protein expression and cell apoptosis in the hippocampal tissue of mice infected by TgCtwh3. Then, we examined DJ-1 expression and apoptosis in HT22 challenged with TgCtwh3. Finally, we evaluated the apoptosis in HT22 with DJ-1 knockdown which was infected with TgCtwh3 and assayed the expression of NF-κBp65 and p -NF-κBp65. Our results showed that DJ-1 expression was reduced and neurons underwent apoptosis in the hippocampus of mice infected with TgCtwh3 tachyzoites. Additionally, the knockdown of DJ-1 followed by infection with TgCtwh3 tachyzoites led to increased apoptosis in HT22 cells through the NF-κB signaling pathway. Therefore, this study suggests that DJ-1 is an important target for preventing apoptosis caused by T. gondii TgCtwh3.