Neuronal conversion from human fibroblasts can be induced by lineage-specific transcription factors; however, the introduction of ectopic genes limits the therapeutic applications of such induced neurons (iNs). Here, we report that human fibroblasts can be directly converted into neuronal cells by a chemical cocktail of seven small molecules, bypassing a neural progenitor stage. These human chemical-induced neuronal cells (hciNs) resembled hiPSC-derived neurons and human iNs (hiNs) with respect to morphology, gene expression profiles, and electrophysiological properties. This approach was further applied to generate hciNs from familial Alzheimer's disease patients. Taken together, our transgene-free and chemical-only approach for direct reprogramming of human fibroblasts into neurons provides an alternative strategy for modeling neurological diseases and for regenerative medicine.

Abstract Objective: Although amyloid‐beta (Aβ) peptide deposition into insoluble plaques is a pathological hallmark of Alzheimer disease; soluble oligomeric Aβ has been hypothesized to more directly underlie impaired learning and memory in dementia of the Alzheimer type. However, the lack of a sensitive, specific, and quantitative assay for Aβ oligomers has hampered rigorous tests of this hypothesis. Methods: We developed a plate‐based single molecule counting fluorescence immunoassay for oligomeric Aβ sensitive to low pg/ml concentrations of synthetic Aβ dimers using the same Aβ‐specific monoclonal antibody to both capture and detect Aβ. The Aβ oligomer assay does not recognize monomeric Aβ, amyloid precursor protein, or other non‐Aβ peptide oligomers. Results: Aβ oligomers were detected in aqueous cortical lysates from patients with dementia of the Alzheimer type and nondemented patients with Aβ plaque pathology. However, Aβ oligomer concentrations in demented patients' lysates were tightly correlated with Aβ plaque coverage ( r = 0.88), but this relationship was weaker in those from nondemented patients ( r = 0.30) despite equivalent Aβ plaque pathology. The ratio of Aβ oligomer levels to plaque density fully distinguished demented from nondemented patients, with no overlap between groups in this derived variable. Other Aβ and plaque measures did not distinguish demented from nondemented patients. Aβ oligomers were not detected in cerebrospinal fluid with this assay. Interpretation: The results raise the intriguing hypothesis that the linkage between plaques and oligomers may be a key pathophysiological event underlying dementia of the Alzheimer type. This Aβ oligomer assay may be useful for many tests of the oligomer hypothesis. ANN NEUROL 2013

Abstract Diffusely infiltrating gliomas are known to cause alterations in cortical function, vascular disruption and seizures. These neurological complications present major clinical challenges, yet their underlying mechanisms and causal relationships to disease progression are poorly characterized. Here, we followed glioma progression in awake Thy1-GCaMP6f mice using in-vivo wide-field optical mapping to monitor alterations in both neuronal activity and functional hemodynamics. The bilateral synchrony of spontaneous neuronal activity in glioma-infiltrated cortex gradually decreased, while neurovascular coupling was also progressively disrupted compared to uninvolved cortex. Over time, mice developed diverse patterns of high amplitude discharges and eventually generalized seizures that begin at the infiltrative margin of the tumors. Interictal and seizure events exhibited positive neurovascular coupling in uninfiltrated cortex, however glioma-infiltrated regions exhibited inverted hemodynamic responses driving seizure-evoked hypoxia. These results reveal a landscape of complex physiological interactions occurring during glioma progression and present new opportunities for exploring new biomarkers and therapeutic targets. Highlights - Glioma disrupts neural synchrony between bilateral cortical regions. - WFOM reveals frequent interictal discharges and seizures during glioma progression. - Tumor development is accompanied by local changes in neurovascular coupling. - Altered neurovascular coupling drives hypoperfusion of the tumor during seizures.

Humans evolved an extraordinarily expanded and complex cerebral cortex, associated with developmental and gene regulatory modifications

Gliomas are highly aggressive brain tumors characterized by poor prognosis and composed of diffusely infiltrating tumor cells that intermingle with non-neoplastic cells in the tumor microenvironment, including neurons. Neurons are increasingly appreciated as important reactive components of the glioma microenvironment, due to their role in causing hallmark glioma symptoms, such as cognitive deficits and seizures, as well as their potential ability to drive glioma progression. Separately, mTOR signaling has been shown to have pleiotropic effects in the brain tumor microenvironment, including regulation of neuronal hyperexcitability. However, the local cellular-level effects of mTOR inhibition on glioma-induced neuronal alterations are not well understood. Here we employed neuron-specific profiling of ribosome-bound mRNA via 'RiboTag,' morphometric analysis of dendritic spines, and in vivo calcium imaging, along with pharmacological mTOR inhibition to investigate the impact of glioma burden and mTOR inhibition on these neuronal alterations. The RiboTag analysis of tumor-associated excitatory neurons showed a downregulation of transcripts encoding excitatory and inhibitory postsynaptic proteins and dendritic spine development, and an upregulation of transcripts encoding cytoskeletal proteins involved in dendritic spine turnover. Light and electron microscopy of tumor-associated excitatory neurons demonstrated marked decreases in dendritic spine density. In vivo two-photon calcium imaging in tumor-associated excitatory neurons revealed progressive alterations in neuronal activity, both at the population and single-neuron level, throughout tumor growth. This in vivo calcium imaging also revealed altered stimulus-evoked somatic calcium events, with changes in event rate, size, and temporal alignment to stimulus, which was most pronounced in neurons with high-tumor burden. A single acute dose of AZD8055, a combined mTORC1/2 inhibitor, reversed the glioma-induced alterations on the excitatory neurons, including the alterations in ribosome-bound transcripts, dendritic spine density, and stimulus evoked responses seen by calcium imaging. These results point to mTOR-driven pathological plasticity in neurons at the infiltrative margin of glioma - manifested by alterations in ribosome-bound mRNA, dendritic spine density, and stimulus-evoked neuronal activity. Collectively, our work identifies the pathological changes that tumor-associated excitatory neurons experience as both hyperlocal and reversible under the influence of mTOR inhibition, providing a foundation for developing therapies targeting neuronal signaling in glioma.

The remarkable cognitive abilities characterizing humans has been linked to unique patterns of connectivity characterizing the neocortex. Comparative studies have shown that human cortical pyramidal neurons (PN) receive a significant increase of synaptic inputs when compared to other mammals, including non-human primates and rodents, but how this may relate to changes in cortical connectivity and function remains largely unknown. We previously identified a human-specific gene duplication (HSGD), SRGAP2C, that, when induced in mouse cortical PNs drives human-specific features of synaptic development, including a correlated increase in excitatory (E) and inhibitory (I) synapse density. However, the origin and nature of this increased connectivity and its impact on cortical circuit function was unknown. Here, using a combination of transgenic approaches and quantitative monosynaptic tracing, we demonstrate that humanization of SRGAP2C expression in the mouse cortex leads to a specific increase in local and long-range cortico-cortical inputs received by layer 2/3 cortical PNs. Moreover, using in vivo 2-photon imaging in the barrel cortex of awake mice, we show that humanization of SRGAP2C expression increases the reliability and selectivity of sensory-evoked responses in layer 2-3 PNs. Our results suggest that the emergence of SRGAP2C during human evolution led to increased local and long-range cortico-cortical connectivity and improved reliability of sensory-evoked cortical coding.