The genesis of new cells, including neurons, in the adult human brain has not yet been demonstrated. This study was undertaken to investigate whether neurogenesis occurs in the adult human brain, in regions previously identified as neurogenic in adult rodents and monkeys. Human brain tissue was obtained postmortem from patients who had been treated with the thymidine analog, bromodeoxyuridine (BrdU), that labels DNA during the S phase. Using immunofluorescent labeling for BrdU and for one of the neuronal markers, NeuN, calbindin or neuron specific enolase (NSE), we demonstrate that new neurons, as defined by these markers, are generated from dividing progenitor cells in the dentate gyrus of adult humans. Our results further indicate that the human hippocampus retains its ability to generate neurons throughout life.

A retroviral vector system based on the human immunodeficiency virus (HIV) was developed that, in contrast to a murine leukemia virus-based counterpart, transduced heterologous sequences into HeLa cells and rat fibroblasts blocked in the cell cycle, as well as into human primary macrophages. Additionally, the HIV vector could mediate stable in vivo gene transfer into terminally differentiated neurons. The ability of HIV-based viral vectors to deliver genes in vivo into nondividing cells could increase the applicability of retroviral vectors in human gene therapy.

Running increases neurogenesis in the dentate gyrus of the hippocampus, a brain structure that is important for memory function. Consequently, spatial learning and long-term potentiation (LTP) were tested in groups of mice housed either with a running wheel (runners) or under standard conditions (controls). Mice were injected with bromodeoxyuridine to label dividing cells and trained in the Morris water maze. LTP was studied in the dentate gyrus and area CA1 in hippocampal slices from these mice. Running improved water maze performance, increased bromodeoxyuridine-positive cell numbers, and selectively enhanced dentate gyrus LTP. Our results indicate that physical activity can regulate hippocampal neurogenesis, synaptic plasticity, and learning.

There is extensive evidence indicating that new neurons are generated in the dentate gyrus of the adult mammalian hippocampus, a region of the brain that is important for learning and memory1,2,3,4,5. However, it is not known whether these new neurons become functional, as the methods used to study adult neurogenesis are limited to fixed tissue. We use here a retroviral vector expressing green fluorescent protein that only labels dividing cells, and that can be visualized in live hippocampal slices. We report that newly generated cells in the adult mouse hippocampus have neuronal morphology and can display passive membrane properties, action potentials and functional synaptic inputs similar to those found in mature dentate granule cells. Our findings demonstrate that newly generated cells mature into functional neurons in the adult mammalian brain.

Aging causes changes in the hippocampus that may lead to cognitive decline in older adults. In young animals, exercise increases hippocampal neurogenesis and improves learning. We investigated whether voluntary wheel running would benefit mice that were sedentary until 19 months of age. Specifically, young and aged mice were housed with or without a running wheel and injected with bromodeoxyuridine or retrovirus to label newborn cells. After 1 month, learning was tested in the Morris water maze. Aged runners showed faster acquisition and better retention of the maze than age-matched controls. The decline in neurogenesis in aged mice was reversed to 50% of young control levels by running. Moreover, fine morphology of new neurons did not differ between young and aged runners, indicating that the initial maturation of newborn neurons was not affected by aging. Thus, voluntary exercise ameliorates some of the deleterious morphological and behavioral consequences of aging.

Stem cells, which are clonogenic cells with self-renewal and multilineage differentiation properties, have the potential to replace or repair damaged tissue. We have directly isolated clonogenic human central nervous system stem cells (hCNS-SC) from fresh human fetal brain tissue, using antibodies to cell surface markers and fluorescence-activated cell sorting. These hCNS-SC are phenotypically 5F3 (CD133)(+), 5E12(+), CD34(-), CD45(-), and CD24(-/lo). Single CD133(+) CD34(-) CD45(-) sorted cells initiated neurosphere cultures, and the progeny of clonogenic cells could differentiate into both neurons and glial cells. Single cells from neurosphere cultures initiated from CD133(+) CD34(-) CD45(-) cells were again replated as single cells and were able to reestablish neurosphere cultures, demonstrating the self-renewal potential of this highly enriched population. Upon transplantation into brains of immunodeficient neonatal mice, the sorted/expanded hCNS-SC showed potent engraftment, proliferation, migration, and neural differentiation.

The thin lamina between the hippocampal hilus and granule cell layer, or subgranule zone (SGZ), is an area of active proliferation within the adult hippocampus known to generate new neurons throughout adult life. Although the neuronal fate of many dividing cells is well documented, little information is available about the phenotypes of cells in S-phase or how the dividing cells might interact with neighboring cells in the process of neurogenesis. Here, we make the unexpected observation that dividing cells are found in dense clusters associated with the vasculature and roughly 37% of all dividing cells are immunoreactive for endothelial markers. Most of the newborn endothelial cells disappear over several weeks, suggesting that neurogenesis is intimately associated with a process of active vascular recruitment and subsequent remodeling. The present data provide the first evidence that adult neurogenesis occurs within an angiogenic niche. This environment may provide a novel interface where mesenchyme-derived cells and circulating factors influence plasticity in the adult central nervous system. J. Comp. Neurol. 425:479–494, 2000. © 2000 Wiley-Liss, Inc.

Neurogenesis and Spatial Memory The dentate gyrus of the hippocampus is one of two sites in the brain where new neurons are produced throughout life. Adult-born neurons integrate into the dentate gyrus circuitry and are thought to play a role in learning and memory. However, their contribution to hippocampal function remains unclear. Clelland et al. (p. 210 ) disrupted neurogenesis in mice and used two behavioral tasks to test for impairment in the formation of uncorrelated episodic memory representations. In one task, two arms were presented and the mice were rewarded for choosing the most recently visited arm in an earlier sequence; in the second task, animals were rewarded for choosing a certain location on a touch screen. Ablation of neurogenesis affected discrimination performance in both tasks but only when the arms or screen locations were close to one another. Neurogenesis is thus necessary for spatial pattern separation in the dentate gyrus.