Brain development and function depend on the precise regulation of gene expression. However, our understanding of the complexity and dynamics of the transcriptome of the human brain is incomplete. Here we report the generation and analysis of exon-level transcriptome and associated genotyping data, representing males and females of different ethnicities, from multiple brain regions and neocortical areas of developing and adult post-mortem human brains. We found that 86 per cent of the genes analysed were expressed, and that 90 per cent of these were differentially regulated at the whole-transcript or exon level across brain regions and/or time. The majority of these spatio-temporal differences were detected before birth, with subsequent increases in the similarity among regional transcriptomes. The transcriptome is organized into distinct co-expression networks, and shows sex-biased gene expression and exon usage. We also profiled trajectories of genes associated with neurobiological categories and diseases, and identified associations between single nucleotide polymorphisms and gene expression. This study provides a comprehensive data set on the human brain transcriptome and insights into the transcriptional foundations of human neurodevelopment. Gene expression controls and dictates everything from development and plasticity to ongoing neurogenesis in the brain, yet the temporal dynamics of transcription throughout the brain's lifetime have been mostly unknown. Here, two groups present a large gene-expression database from a variety of human brain samples ranging from before birth to over 80 years in age. Colantuoni et al. focus on the prefrontal cortex. Although they note significant expression pattern dynamics throughout development, they identify a consistent molecular architecture of transcription across subjects from different races despite the large number of genetic polymorphisms among them. Kang et al. produce a more comprehensive time course, exploring expression in 16 different brain areas, determining that the largest spatiotemporal variability occurs before birth, with transcriptomes in brain regions converging as we age.

New neurons continue to be generated in the subgranular zone of the dentate gyrus of the adult mammalian hippocampus. This process has been linked to learning and memory, stress and exercise, and is thought to be altered in neurological disease. In humans, some studies have suggested that hundreds of new neurons are added to the adult dentate gyrus every day, whereas other studies find many fewer putative new neurons. Despite these discrepancies, it is generally believed that the adult human hippocampus continues to generate new neurons. Here we show that a defined population of progenitor cells does not coalesce in the subgranular zone during human fetal or postnatal development. We also find that the number of proliferating progenitors and young neurons in the dentate gyrus declines sharply during the first year of life and only a few isolated young neurons are observed by 7 and 13 years of age. In adult patients with epilepsy and healthy adults (18-77 years; n = 17 post-mortem samples from controls; n = 12 surgical resection samples from patients with epilepsy), young neurons were not detected in the dentate gyrus. In the monkey (Macaca mulatta) hippocampus, proliferation of neurons in the subgranular zone was found in early postnatal life, but this diminished during juvenile development as neurogenesis decreased. We conclude that recruitment of young neurons to the primate hippocampus decreases rapidly during the first years of life, and that neurogenesis in the dentate gyrus does not continue, or is extremely rare, in adult humans. The early decline in hippocampal neurogenesis raises questions about how the function of the dentate gyrus differs between humans and other species in which adult hippocampal neurogenesis is preserved.

Brain cell transcriptomes in autism Autism manifests in many ways. Despite that diversity, the disorder seems to affect specific cellular pathways, including those observed in the neocortex of patients' brains. Velmeshev et al. analyzed the transcriptomes of single brain cells, including neurons and glia, from patients with autism. Single-nucleus RNA sequencing analysis suggested that affected pathways regulate synapse function as well as neural outgrowth and migration. Furthermore, in patient samples, specific sets of genes enriched in upper-layer projection neurons and microglia correlated with clinical severity. Science , this issue p. 685

Multiple sclerosis (MS) is a neuroinflammatory disease with a relapsing-remitting disease course at early stages, distinct lesion characteristics in cortical grey versus subcortical white matter and neurodegeneration at chronic stages. Here we used single-nucleus RNA sequencing to assess changes in expression in multiple cell lineages in MS lesions and validated the results using multiplex in situ hybridization. We found selective vulnerability and loss of excitatory CUX2-expressing projection neurons in upper-cortical layers underlying meningeal inflammation; such MS neuron populations exhibited upregulation of stress pathway genes and long non-coding RNAs. Signatures of stressed oligodendrocytes, reactive astrocytes and activated microglia mapped most strongly to the rim of MS plaques. Notably, single-nucleus RNA sequencing identified phagocytosing microglia and/or macrophages by their ingestion and perinuclear import of myelin transcripts, confirmed by functional mouse and human culture assays. Our findings indicate lineage- and region-specific transcriptomic changes associated with selective cortical neuron damage and glial activation contributing to progression of MS lesions.

Abstract We analyze more than 700,000 single-nucleus RNA-seq profiles from 106 donors during prenatal and postnatal developmental stages and identify lineage-specific programs that underlie the development of specific subtypes of excitatory cortical neurons, interneurons, glial cell types and brain vasculature. By leveraging single-nucleus chromatin accessibility data, we delineate enhancer-gene regulatory networks and transcription factors that control commitment of specific cortical lineages. By intersecting our results with genetic risk factors for human brain diseases, we identify the cortical cell types and lineages most vulnerable to genetic insults of different brain disorders, especially autism. We find that lineage-specific gene expression programs upregulated in female cells are especially enriched for the genetic risk factors of autism. Our study captures the molecular progression of cortical lineages across human development. One Sentence Summary Single-cell transcriptomic atlas of human cortical development identifies lineage and sex-specific programs and their implication in brain disorders.

Abstract Cortical interneurons are indispensable for proper function of neocortical circuits. Changes in interneuron development and function are implicated in human disorders, such as autism spectrum disorder and epilepsy. In order to understand human-specific features of cortical development as well as the origins of neurodevelopmental disorders it is crucial to identify the molecular programs underlying human interneuron development and subtype specification. Recent studies have explored gene expression programs underlying mouse interneuron specification and maturation. We applied single-cell RNA sequencing to samples of second trimester human ganglionic eminence and developing cortex to identify molecularly defined subtypes of human interneuron progenitors and immature interneurons. In addition, we integrated this data from the developing human ganglionic eminences and neocortex with single-nucleus RNA-seq of adult cortical interneurons in order to elucidate dynamic molecular changes associated with commitment of progenitors and immature interneurons to mature interneuron subtypes. By comparing our data with published mouse single-cell genomic data, we discover a number of divergent gene expression programs that distinguish human interneuron progenitors from mouse. Moreover, we find that a number of transcription factors expressed during prenatal development become restricted to adult interneuron subtypes in the human but not the mouse, and these adult interneurons express species- and lineage-specific cell adhesion and synaptic genes. Therefore, our study highlights that despite the similarity of main principles of cortical interneuron development and lineage commitment between mouse and human, human interneuron genesis and subtype specification is guided by species-specific gene programs, contributing to human-specific features of cortical inhibitory interneurons.

Abstract Maternal immune activation (MIA) during the critical windows of gestation is correlated with long- term neurodevelopmental deficits in the offspring, including increased risks for autism spectrum disorder (ASD) in humans. Interleukin 6 (IL-6) derived from the gestational parent is one of the major molecular mediators, by which MIA alters the developing brain. In this study, we established a human three-dimensional (3D) in vitro model of MIA by treating induced pluripotent stem cell- derived dorsal forebrain organoids with a constitutively active form of IL-6, Hyper-IL-6. We validated our model by showing that dorsal forebrain organoids express the molecular machinery necessary for responding to Hyper-IL-6 and activate STAT signaling upon Hyper-IL-6 treatment. RNA sequencing analysis revealed the upregulation of major histocompatibility complex class I (MHCI) genes, which have been implicated with ASD. Immunohistochemical analysis as well as single-cell RNA-sequencing revealed a small increase in the proportion of radial glia cells. Single-cell transcriptomic analysis revealed the highest number of differentially expressed genes in radial glia cells with downregulation of genes related to protein translation in line with data from mouse models of MIA. Additionally, we identified differentially expressed genes not found in mouse models of MIA which might drive species-specific responses to MIA. Together, we establish a human 3D model of MIA, which can be used to study the cellular and molecular mechanisms underlying the increased risk for developing disorders such as ASD.

Abstract Pontocerebellar hypoplasia type 2 a (PCH2a) is a rare, autosomal recessive pediatric disorder with limited treatment options. Its anatomical hallmark is the hypoplasia of the cerebellum and pons accompanied by progressive microcephaly. PCH2a results from a homozygous founder variant in TSEN54 , which encodes a tRNA splicing endonuclease (TSEN) complex subunit. Despite the ubiquitous expression of the TSEN complex, the tissue-specific pathological mechanism of PCH2a remains unknown due to a lack of model system. In this study, we developed human models of PCH2a using brain region-specific organoids. We therefore obtained skin biopsies from three affected males with genetically confirmed PCH2a and derived induced pluripotent stem cells (iPSCs). Proliferation and cell death rates were not altered in PCH2a iPSCs. We subsequently differentiated cerebellar and neocortical organoids from control and PCH2a iPSCs. Mirroring clinical neuroimaging findings, PCH2a cerebellar organoids were reduced in size compared to controls starting early in differentiation. We observed milder growth deficits in neocortical PCH2a organoids. While PCH2a cerebellar organoids did not upregulate apoptosis, their stem cell zones showed altered proliferation kinetics, with increased proliferation at day 30 and reduced proliferation at day 50 compared to controls. In summary, we have generated a human model of PCH2a, which provides the foundation for deciphering brain region-specific disease mechanisms.

Sample multiplexing provides a solution to limited sample throughput in single-cell RNA sequencing (scRNA-seq) experiments. Different strategies for multiplexing are commercially provided by Parse Biosciences combinatorial barcoding (Parse) and 10x Genomics CellPlex combined with microfluidic cell capture (10x). However, the extent to which these two techniques differ when characterizing complex tissues such as regionalized neural organoids and whether data generated from the two techniques can be readily integrated is unknown. Cerebellar organoids are a highly relevant model for understanding evolutionary differences, developmental trajectories, and disease mechanisms of this brain region. However, they have not been extensively characterized through scRNA-seq. Therefore, we compared the two multiplexing techniques, 10x and Parse, using cerebellar organoids derived from three stem cell lines. While both strategies demonstrated technical reproducibility and revealed comparable cellular diversity including the main lineages of cerebellar neurons, we found more stressed cells in 10x than in Parse. Additionally, we observed differences in transcript capture, with Parse covering a higher gene biotype diversity and less mitochondrial and ribosomal protein coding transcripts. In summary, we demonstrate that both techniques provide similar insight into cerebellar organoid biology, but flexibility of experimental design, capture of long transcripts, and the level of cell stress caused by the workflow differ.