Human brain organoids provide unique platforms for modeling development and diseases by recapitulating the architecture of the embryonic brain. However, current organoid methods are limited by interior hypoxia and cell death due to insufficient surface diffusion, preventing generation of architecture resembling late developmental stages. Here, we report the sliced neocortical organoid (SNO) system, which bypasses the diffusion limit to prevent cell death over long-term cultures. This method leads to sustained neurogenesis and formation of an expanded cortical plate that establishes distinct upper and deep cortical layers for neurons and astrocytes, resembling the third trimester embryonic human neocortex. Using the SNO system, we further identify a critical role of WNT/β-catenin signaling in regulating human cortical neuron subtype fate specification, which is disrupted by a psychiatric-disorder-associated genetic mutation in patient induced pluripotent stem cell (iPSC)-derived SNOs. These results demonstrate the utility of SNOs for investigating previously inaccessible human-specific, late-stage cortical development and disease-relevant mechanisms.

Migrating partial seizures of infancy is an early onset epileptic encephalopathy syndrome that is typically resistant to treatment. The most common cause is a gain of function mutation in the potassium channel KCNT1. The antiarrhythmic drug quinidine is a partial antagonist of KCNT1 and hence may be a candidate drug for treatment of this condition. We report the case of a child with migrating partial seizures of infancy secondary to an activating mutation in KCNT1 treated with quinidine. Treatment with quinidine was correlated with a marked reduction in seizure frequency and improved psychomotor development.

Abstract Dravet syndrome (DS) is a neurodevelopmental disorder defined by treatment-resistant epilepsy, autism spectrum disorder, and sudden death, due to pathogenic variants in SCN1A encoding the Nav1.1 sodium channel subunit. Convergent data suggest hippocampal dentate gyrus (DG) pathology. We found that optogenetic stimulation of entorhinal cortex was ictogenic in DS ( Scn1a +/- ) but not wild-type mice in vivo. Two-photon calcium imaging in brain slice demonstrated profound impairment in filtering of perforant path input by DG in young adult Scn1a +/- mice due to enhanced excitatory input to granule cells. Excitability of parvalbumin interneurons (PV-INs) was near-normal and selective activation of PV-INs rescued circuit impairments. This demonstrates developmental reorganization of hippocampal circuitry that can be modulated by recruitment of functional PV-INs, suggesting potential therapeutic approaches towards seizure modulation. The identified circuit abnormality mirrors that seen in models of chronic temporal lobe epilepsy, suggesting convergent mechanisms linking genetic and acquired causes of temporal lobe-onset seizures.

In recent years, we and others have identified a number of enhancers that, when incorporated into rAAV vectors, can restrict the transgene expression to particular neuronal populations. Yet, viral tools to access and manipulate fine neuronal subtypes are still limited. Here, we performed systematic analysis of single cell genomic data to identify enhancer candidates for each of the cortical interneuron subtypes. We established a set of enhancer-AAV tools that are highly specific for distinct cortical interneuron populations and striatal cholinergic neurons. These enhancers, when used in the context of different effectors, can target (fluorescent proteins), observe activity (GCaMP) and manipulate (opto- or chemo-genetics) specific neuronal subtypes. We also validated our enhancer-AAV tools across species. Thus, we provide the field with a powerful set of tools to study neural circuits and functions and to develop precise and targeted therapy.

Abstract Objective Loss-of-function variants in SCN1A cause Dravet Syndrome, the most common genetic developmental and epileptic encephalopathy (DEE). However, emerging evidence suggests separate entities of SCN1A -related disorders due to gain-of-function variants. Here, we aim to refine the clinical, genetic, and functional electrophysiological features of a recurrent p.R1636Q gain-of-function variant, identified in four individuals at a single center. Methods Individuals carrying the recurrent SCN1A p.R1636Q variant were identified through diagnostic testing. Whole-cell voltage-clamp electrophysiological recording in HEK-293T cells was performed to compare the properties of sodium channels containing wild-type Nav1.1 or Nav1.1-R1636Q along with both Navβ1 and Navβ2 subunits, including response to oxcarbazepine. To delineate differences to other SCN1A -related epilepsies, we analyzed electronic medical records. Results All four individuals had an early-onset DEE characterized by focal tonic seizures and additional seizure types starting in the first few weeks of life. Electrophysiological analysis showed a mixed gain-of-function effect with normal current density, a leftward (hyperpolarized) shift of steady-state inactivation, and slower inactivation kinetics leading to a prominent late sodium current ( I Na ). The observed functional changes closely paralleled effects of pathogenic variants in SCN3A and SCN8A at corresponding positions. Both wildtype and variant exhibited sensitivity to block by oxcarbazepine, partially correcting electrophysiological abnormalities of the SCN1A p.R1636Q variant. Clinically, a single individual responded to treatment with oxcarbazepine. Across 51 individuals with SCN1A -related epilepsies, those with the recurrent p.R1636Q variants had the earliest ages of onset. Interpretation The recurrent SCN1A p.R1636Q variant causes a clinical entity with a wider clinical spectrum than previously reported, characterized by ultra early-onset epilepsy and absence of prominent movement disorder. Functional consequences of this variant lead to mixed loss- and gain-of-function that is partially corrected by oxcarbazepine. The recurrent p.R1636Q variant represents one of the most common causes of early-onset SCN1A -related epilepsies with separate treatment and prognosis implications. Key Points Loss-of-function variants in SCN1A cause Dravet syndrome, but gain-of-function variants have an emerging clinical spectrum. The SCN1A p.R1636Q variant shows similar overall gain-of-function effects to identical missense variants in other voltage-gated sodium channels. Features of four unreported individuals with SCN1A p.R1636Q from a single center expand the SCN1A gain-of-function phenotype. Individuals with this variant are recognizable by their ultra early-onset seizures in contrast to Dravet syndrome.

The KOLF2.1J iPSC line was recently proposed as a reference iPSC to promote the standardization of research studies in the stem cell field. Due to overall good performance differentiating to neural cell lineages, high gene editing efficiency, and absence of genetic variants associated to neurological disorders KOLF2.1J iPSC line was particularly recommended for neurodegenerative disease modeling. However, our work uncovers that KOLF2.1J hPSCs carry heterozygous small copy number variants (CNVs) that cause DTNBP1, JARID2 and ASTN2 haploinsufficiencies, all of which are associated with neurological disorders. We further determine that these CNVs arose in vitro over the course of KOLF2.1J iPSC generation from a healthy donor-derived KOLF2 iPSC line and affect the expression of DNTBP1, JARID2 and ASTN2 proteins in KOLF2.1J iPSCs and neural progenitors. Therefore, our study suggests that KOLF2.1J iPSCs carry genetic variants that may be deleterious for neural cell lineages. This data is essential for a careful interpretation of neural cell studies derived from KOLF2.1J iPSCs and highlights the need for a catalogue of iPSC lines that includes a comprehensive genome characterization analysis.

Abstract Dravet syndrome (DS), an intractable childhood epileptic encephalopathy with a high fatality rate, is caused by loss-of-function mutations in one allele of SCN1A , which encodes Na V 1.1. In contrast to other epilepsies, pharmaceutical treatment for DS is limited. Here, we demonstrate that viral vector-mediated delivery of a codon-modified SCN1A cDNA improves DS comorbidities in juvenile and adolescent DS mice ( Scn1a A1783V/WT ). Notably, bilateral vector injections into the hippocampus or thalamus of DS mice improved the survival of the mice, reduced the occurrence of epileptic spikes, provided protection from thermally-induced seizures, and corrected background electrocorticography activity. Together, our results provide a proof-of-concept for the potential of SCN1A delivery as a therapeutic approach for infants and adolescents with DS-associated comorbidities.

Abstract Variants in genes encoding the voltage-gated ion channels are among the most common monogenic causes of epilepsy and neurodevelopmental disorders. Functional effects of a variant are increasingly important for diagnosis and therapeutic decisions. To incorporate knowledge regarding functional consequences in formal clinical variant interpretation, we developed an approach for evaluating multiple functional measurements within the Bayesian framework of the modified ACMG/AMP guidelines. We analyzed 216 functional assessments of 191 variants in SCN1A (n=74), SCN2A (n=66), SCN3A (n=18), and SCN8A (n=33). Of 20 commonly measured biophysical parameters, the most frequent drivers of overall functional consequence were persistent current (f=0.54), voltage dependence of activation (f=0.51), and voltage dependence of fast inactivation (f=0.40) for gain-of-function and peak current (f=0.87) for loss-of-function. By comparing measurements of 23 benign variants, we determined thresholds by which published data on these four parameters confer Strong evidence of variant pathogenicity (likelihood ratio > 18.7) under the ACMG/AMP rubric. Similarly, we delineated evidence weights for the most common epilepsy-related potassium channel gene, KCNQ2 , through reports of 80 pathogenic and 24 benign variants, accounting for heterozygous and homozygous experimental conditions. We collected the resulting categorization of functional data into FENICS, a biomedical ontology of 152 standardized terms for coherent annotation of electrophysiological results. Across 271 variants in SCN1A/2A/3A/8A and KCNQ2 , 1,731 annotations are available in ClinVar, facilitating use of this evidence in variant classification. In summary, we introduce and apply an ACMG/AMP-calibrated framework for electrophysiological studies in epilepsy-related channelopathies to delineate the impact of functional evidence on clinical variant interpretation.

ABSTRACT Dravet syndrome (DS) is a neurodevelopmental disorder defined by epilepsy, intellectual disability, and sudden death, due to heterozygous variants in SCN1A with loss of function of the sodium channel subunit Nav1.1. Nav1.1-expressing parvalbumin GABAergic interneurons (PV-INs) from pre-weanling Scn1a+/− mice show impaired action potential generation. A novel approach assessing PV-IN function in the same mice at two developmental time points showed that, at post-natal day (P) 16-21, spike generation was impaired all mice, deceased prior or surviving to P35. However, synaptic transmission was selectively dysfunctional in pre-weanling mice that did not survive. Spike generation in surviving mice normalized by P35, yet we again identified abnormalities in synaptic transmission. We conclude that combined dysfunction of PV-IN spike generation and synaptic transmission drives disease severity, while ongoing dysfunction of synaptic transmission contributes to chronic pathology. Modeling revealed that PV-IN axonal propagation is more sensitive to decreases in sodium conductance than spike generation.

The use of stem cell derived neurons for cell-based therapies is limited by a protracted maturation. We present a novel approach for accelerating the post-mitotic maturation of human stem cell derived interneurons via the activation of mTOR signaling. Lox sites were placed within PTEN , a key mTOR inhibitor, in a cortical interneuron (CIn) reporter line. Following directed differentiation and purification by FACS, the CIns were exposed to Cre-expressing lentivirus, then transplanted into mouse neocortex or plated onto cultured rat neocortex. Input synaptogenesis and dendritogenesis was greatly enhanced in the PTEN-deleted CIns. Whole-cell recording of the PTEN-deleted CIns in slices of transplanted neocortex revealed multiple indices of enhanced maturation. Finally, we observed similar effects using transient, doxycycline-inducible activation of AKT. We thus present an inducible, reversible approach for accelerating the maturation of human stem cell derived CIns, and to study the influences of this disease-related signaling system in human neurons.