Engineering human brain organoids with floating scaffolds enhances the maturity and reproducibility of cortical tissue structure. Three-dimensional cell culture models have either relied on the self-organizing properties of mammalian cells1,2,3,4,5,6 or used bioengineered constructs to arrange cells in an organ-like configuration7,8. While self-organizing organoids excel at recapitulating early developmental events, bioengineered constructs reproducibly generate desired tissue architectures. Here, we combine these two approaches to reproducibly generate human forebrain tissue while maintaining its self-organizing capacity. We use poly(lactide-co-glycolide) copolymer (PLGA) fiber microfilaments as a floating scaffold to generate elongated embryoid bodies. Microfilament-engineered cerebral organoids (enCORs) display enhanced neuroectoderm formation and improved cortical development. Furthermore, reconstitution of the basement membrane leads to characteristic cortical tissue architecture, including formation of a polarized cortical plate and radial units. Thus, enCORs model the distinctive radial organization of the cerebral cortex and allow for the study of neuronal migration. Our data demonstrate that combining 3D cell culture with bioengineering can increase reproducibility and improve tissue architecture.

Memory impairment has been associated with age-related decline in adult hippocampal neurogenesis. Although Notch, bone morphogenetic protein, and Wnt signaling pathways are known to regulate multiple aspects of adult neural stem cell function, the molecular basis of declining neurogenesis in the aging hippocampus remains unknown. Here, we show that expression of the Wnt antagonist Dickkopf-1 (Dkk1) increases with age and that its loss enhances neurogenesis in the hippocampus. Neural progenitors with inducible loss of Dkk1 increase their Wnt activity, which leads to enhanced self-renewal and increased generation of immature neurons. This Wnt-expanded progeny subsequently matures into glutamatergic granule neurons with increased dendritic complexity. As a result, mice deficient in Dkk1 exhibit enhanced spatial working memory and memory consolidation and also show improvements in affective behavior. Taken together, our findings show that upregulating Wnt signaling by reducing Dkk1 expression can counteract age-related decrease in neurogenesis and its associated cognitive decline.

Abstract The development of the human brain involves unique processes (not observed in many other species) that can contribute to neurodevelopmental disorders 1–4 . Cerebral organoids enable the study of neurodevelopmental disorders in a human context. We have developed the CRISPR–human organoids–single-cell RNA sequencing (CHOOSE) system, which uses verified pairs of guide RNAs, inducible CRISPR–Cas9-based genetic disruption and single-cell transcriptomics for pooled loss-of-function screening in mosaic organoids. Here we show that perturbation of 36 high-risk autism spectrum disorder genes related to transcriptional regulation uncovers their effects on cell fate determination. We find that dorsal intermediate progenitors, ventral progenitors and upper-layer excitatory neurons are among the most vulnerable cell types. We construct a developmental gene regulatory network of cerebral organoids from single-cell transcriptomes and chromatin modalities and identify autism spectrum disorder-associated and perturbation-enriched regulatory modules. Perturbing members of the BRG1/BRM-associated factor (BAF) chromatin remodelling complex leads to enrichment of ventral telencephalon progenitors. Specifically, mutating the BAF subunit ARID1B affects the fate transition of progenitors to oligodendrocyte and interneuron precursor cells, a phenotype that we confirmed in patient-specific induced pluripotent stem cell-derived organoids. Our study paves the way for high-throughput phenotypic characterization of disease susceptibility genes in organoid models with cell state, molecular pathway and gene regulatory network readouts.

Development of the human brain involves processes that are not seen in many other species, but can contribute to neurodevelopmental disorders (1–4). Cerebral organoids can be used to investigate neurodevelopmental disorders in a human context but are limited by variability and low throughput. We have developed the CRISPR-human organoids-scRNA-seq (CHOOSE) system that utilizes verified pairs of gRNAs, inducible CRISPR/Cas9-based genetic disruption, and single-cell transcriptomics for pooled loss-of-function screening in mosaic organoids. Genetic perturbations of 36 high-risk autism spectrum disorder (ASD) genes related to transcriptional regulation allowed us to identify their effects on cell fate determination and discover developmental stages susceptible to ASD gene perturbations. We construct a developmental gene regulatory network (GRN) of cerebral organoids from single-cell multiomic data including transcriptome and chromatin modalities and identify ASD-associated and perturbation-enriched regulatory modules. We show that perturbing members of the BAF chromatin remodeling complex leads to an expanded population of ventral telencephalon progenitors. Specifically, the BAF subunit ARID1B controls the fate transitions of progenitors to oligodendrocyte precursor cells and interneurons, which we confirmed in patient-specific induced pluripotent stem cell (iPSC) derived organoids. Our study paves the way for phenotypically characterizing disease susceptibility genes in human organoid models with cell type, developmental trajectory, and gene regulatory network readouts.

Abstract Establishment and maintenance of apical-basal polarity is a fundamental step in brain development, instructing the organization of neural progenitor cells (NPCs) and the developing cerebral cortex. Particularly, basally located extracellular matrix (ECM) is crucial for this process. In vitro, epithelial polarization can be achieved via endogenous ECM production, or exogenous ECM supplementation. While neuroepithelial development is recapitulated in cerebral organoids, the effects of different ECM sources in tissue morphogenesis remain unexplored. Here, we show that exposure to exogenous ECM at early neuroepithelial stages causes rapid tissue polarization and complete rearrangement of neuroepithelial architecture within 3 days. In unexposed cultures, endogenous ECM production by NPCs results in gradual polarity acquisition over an extended time. After the onset of neurogenesis, tissue architecture and neuronal differentiation are largely independent of the initial ECM source. These results advance the knowledge on neuroepithelial biology in vitro, with a focus on mechanisms of exogenously- and endogenously-guided morphogenesis. They demonstrate the self-sustainability of neuroepithelial cultures by endogenous processes, prompting an urgent reassessment of indiscriminate use of exogenous ECM in these model systems.

Summary Although the intricate and prolonged development of the human brain critically distinguishes it from other mammals 1 , our current understanding of neurodevelopmental diseases is largely based on work using animal models. Recent studies revealed that neural progenitors in the human brain are profoundly different from those found in rodent animal models 2–5 . Moreover, post-mortem studies revealed extensive migration of interneurons into the late-gestational and post-natal human prefrontal cortex that does not occur in rodents 6 . Here, we use cerebral organoids to show that overproduction of mid-gestational human interneurons causes Tuberous Sclerosis Complex (TSC), a severe neuro-developmental disorder associated with mutations in TSC1 and TSC2 . We identify a previously uncharacterized population of caudal late interneuron progenitors, the CLIP-cells. In organoids derived from patients carrying heterozygous TSC2 mutations, dysregulation of mTOR signaling leads to CLIP-cell over-proliferation and formation of cortical tubers and subependymal tumors. Surprisingly, second-hit events resulting from copy-neutral loss-of-heterozygosity (cnLOH) are not causative for but occur during the progression of tumor lesions. Instead, EGFR signaling is required for tumor proliferation, opening up a promising approach to treat TSC lesions. Our study demonstrates that the analysis of developmental disorders in organoid models can lead to fundamental insights into human brain development and neuropsychiatric disorders.

Abstract Mutations in ARID1B , a member of the mSWI/SNF complex, cause severe neurodevelopmental phenotypes with elusive mechanisms in humans. The most common structural abnormality in the brain of ARID1B patients is agenesis of the corpus callosum (ACC). This condition is characterized by a partial or complete absence of the corpus callosum (CC), an interhemispheric white matter tract that connects distant cortical regions. Using human neural organoids, we identify a vulnerability of callosal projection neurons (CPNs) to ARID1B haploinsufficiency, resulting in abnormal maturation trajectories and dysregulation of transcriptional programs of CC development. Through a novel in vitro model of the CC tract, we demonstrate that ARID1B mutations reduce the proportion of CPNs capable of forming long-range projections, leading to structural underconnectivity phenotypes. Our study uncovers new functions of the mSWI/SNF during human corticogenesis, identifying cell-autonomous defects in axonogenesis as a cause of ACC in ARID1B patients. Abstract Figure Graphical abstract Human callosal projection neurons are vulnerable to ARID1B haploinsufficiency. (Top) During healthy development, callosal projection neurons (CPNs) project long interhemispheric axons, forming the corpus callosum (CC) tract, which can be modeled in vitro . (Bottom) In ARID1B patients, transcriptional dysregulation of genetic programs of CC development reduces the formation of long-range projections from CPNs, causing CC agenesis in vivo and underconnectivity phenotypes in vitro .

Recently emerging methodology for generating human tissues in vitro has the potential to revolutionize drug discovery and disease research. Currently, three-dimensional cell culture models either rely on the pronounced ability of mammalian cells to self organize in vitro1-6, or use bioengineered constructs to arrange cells in an organ-like configuration7,8. While self-organizing organoids can recapitulate developmental events at a remarkable level of detail, bioengineered constructs excel at reproducibly generating tissue of a desired architecture. Here, we combine these two approaches to reproducibly generate micropatterned human forebrain tissue while maintaining its self-organizing capacity. We utilize poly(lactide-co-glycolide) copolymer (PLGA) fiber microfilaments as a scaffold to generate elongated embryoid bodies and demonstrate that this influences tissue identity. Micropatterned engineered cerebral organoids (enCORs) display enhanced neuroectoderm formation and improved cortical development. Furthermore, we reconstitute the basement membrane at later stages leading to characteristic cortical tissue architecture including formation of a polarized cortical plate and radial units. enCORs provide the first in vitro system for modelling the distinctive radial organization of the cerebral cortex and allow for the study of neuronal migration. We demonstrate their utility by modelling teratogenic effects of ethanol and show that defects in leading process formation may be responsible for the neuronal migration deficits in fetal alcohol syndrome. Our data demonstrate that combining 3D cell culture with bioengineering can significantly enhance tissue identity and architecture, and establish organoid models for teratogenic compounds.