Summary

 Structural and transcriptional changes during early brain maturation follow fixed developmental programs defined by genetics. However, whether this is true for functional network activity remains unknown, primarily due to experimental inaccessibility of the initial stages of the living human brain. Here, we developed human cortical organoids that dynamically change cellular populations during maturation and exhibited consistent increases in electrical activity over the span of several months. The spontaneous network formation displayed periodic and regular oscillatory events that were dependent on glutamatergic and GABAergic signaling. The oscillatory activity transitioned to more spatiotemporally irregular patterns, and synchronous network events resembled features similar to those observed in preterm human electroencephalography. These results show that the development of structured network activity in a human neocortex model may follow stable genetic programming. Our approach provides opportunities for investigating and manipulating the role of network activity in the developing human cortex.

The existence of loss and gain of chromosomes, known as aneuploidy, has been previously described within the central nervous system. During development, at least one-third of neural progenitor cells (NPCs) are aneuploid. Notably, aneuploid NPCs may survive and functionally integrate into the mature neural circuitry. Given the unanswered significance of this phenomenon, we tested the hypothesis that neural differentiation induced by all-trans retinoic acid (RA) in pluripotent stem cells is accompanied by increased levels of aneuploidy, as previously described for cortical NPCs in vivo. In this work we used embryonal carcinoma (EC) cells, embryonic stem (ES) cells and induced pluripotent stem (iPS) cells undergoing differentiation into NPCs. Ploidy analysis revealed a 2-fold increase in the rate of aneuploidy, with the prevalence of chromosome loss in RA primed stem cells when compared to naïve cells. In an attempt to understand the basis of neurogenic aneuploidy, micronuclei formation and survivin expression was assessed in pluripotent stem cells exposed to RA. RA increased micronuclei occurrence by almost 2-fold while decreased survivin expression by 50%, indicating possible mechanisms by which stem cells lose their chromosomes during neural differentiation. DNA fragmentation analysis demonstrated no increase in apoptosis on embryoid bodies treated with RA, indicating that cell death is not the mandatory fate of aneuploid NPCs derived from pluripotent cells. In order to exclude that the increase in aneuploidy was a spurious consequence of RA treatment, not related to neurogenesis, mouse embryonic fibroblasts were treated with RA under the same conditions and no alterations in chromosome gain or loss were observed. These findings indicate a correlation amongst neural differentiation, aneuploidy, micronuclei formation and survivin downregulation in pluripotent stem cells exposed to RA, providing evidence that somatically generated chromosomal variation accompanies neurogenesis in vitro.

Abstract Reciprocal deletion and duplication of 16p11.2 region is the most common copy number variation (CNV) associated with Autism Spectrum Disorders. We generated cortical organoids from skin fibroblasts of patients with 16p11.2 CNV to investigate impacted neurodevelopmental processes. We show that organoid size recapitulates macrocephaly and microcephaly phenotypes observed in the patients with 16p11.2 deletions and duplications. The CNV has mirror-opposite effect on neuronal maturation, proliferation, and synapse number, in concordance with its effect on brain growth in humans. We demonstrate that 16p11.2 CNV alters the ratio of neurons to neural progenitors in organoids during early neurogenesis, with excess of neurons and depletion of neural progenitors observed in deletions, and mirror phenotypes in duplications. Transcriptomic and proteomic profiling revealed multiple dysregulated pathways, including defects in neuron migration. Inhibition of activity of the small GTPase RhoA rescued migration deficits. This study provides insights into potential neurobiological mechanisms behind the 16p11.2 CNV during neocortical development.

Structural and transcriptional changes during early brain maturation follow fixed developmental programs defined by genetics. However, whether this is true for functional network activity remains unknown, primarily due to experimental inaccessibility of the initial stages of the living human brain. Here, we analyzed cortical organoids that spontaneously developed periodic and regular oscillatory network events that are dependent on glutamatergic and GABAergic signaling. These nested oscillations exhibit cross-frequency coupling, proposed to coordinate neuronal computation and communication. As evidence of potential network maturation, oscillatory activity subsequently transitioned to more spatiotemporally irregular patterns, capturing features observed in preterm human electroencephalography (EEG). These results show that the development of structured network activity in the human neocortex may follow stable genetic programming, even in the absence of external or subcortical inputs. Our model provides novel opportunities for investigating and manipulating the role of network activity in the developing human cortex.

Anorexia nervosa is a complex eating disorder with genetic, metabolic, and psychosocial underpinnings. Using unbiased genome-wide methods, recent studies have associated a variety of genes with the disorder. We characterized these genes by projecting them into aggregated gene expression data from reference transcriptomic atlases of the prenatal and adult human brain. We found that genes from an induced stem cell study of anorexia nervosa are expressed at higher levels in the lateral parabrachial and the ventral tegmental areas. The adult expression enrichment of the lateral parabrachial is confirmed with genes from two independent genetic studies. In the fetal brain, enrichment of the ventral tegmental area is also observed for the six genes near the only common variant associated with the disorder (rs4622308). We also observed signals in the adult and fetal pontine raphe, but they were not observed when using the genes from the genetic studies. In addition to signals related to calcitonin gene-related peptide neurons and the tachykinin, we found more than the expected number of microglia marker genes within the gene sets. Using mouse transcriptomic data, we identified several anorexia nervosa associated genes that are differentially expressed during food deprivation. While these genes that respond to fasting are not enriched in the gene sets, we highlight RPS26 which is proximal to rs4622308. We did not observe expression enrichment in the cingulate cortex or hypothalamus suggesting other targets for deep brain stimulation should be considered for severe cases. This work improves our understanding of the neurobiological causes of anorexia nervosa by suggesting disturbances in subcortical appetitive circuits.