Abstract The human spinal cord forms well-organized neural circuits for environment sensing and motor behavior. The three-dimensional (3D) induction of the spinal cord-like tissue from human pluripotent stem cells has been reported, but they often do not mimic morphological features of neurulation and their maturity is limited. Here, we report an advanced 3D culture system for the production of human spinal cord-like organoids (hSCOs) suitable for the scale-up and quantitative studies. The hSCOs exhibited many aspects of spinal cord development, including neurulation-like tube-forming morphogenesis, differentiation of the major spinal cord neurons and glial cells, and mature synaptic functional activities. We further demonstrated that hSCOs platform allowed quantitative and systematic high-throughput examination of the potential risk of neural tube defects induced by antiepileptic drugs. Thus, hSCOs can be used for understanding human spinal cord development, disease modeling, and toxicology screening.

Summary Alzheimer’s disease (AD) is one of the foremost neurodegenerative diseases, characterized by beta-amyloid (Aβ) plaques and significant progressive memory loss. In AD, astrocytes are known to take up and clear Aβ plaques. However, how Aβ induces pathogenesis and memory impairment in AD remains elusive. We report that normal astrocytes show non-cyclic urea metabolism, whereas Aβ-treated astrocytes show switched-on urea cycle with upregulated enzymes and accumulated entering-metabolite aspartate, starting-substrate ammonia, end-product urea, and side-product putrescine. Gene-silencing of astrocytic ornithine decarboxylase-1 (ODC1), facilitating ornithine-to-putrescine conversion, boosts urea cycle and eliminates aberrant putrescine and its toxic by-products ammonia, H 2 O 2 , and GABA to recover from reactive astrogliosis and memory impairment in AD model. Our findings implicate that astrocytic urea cycle exerts opposing roles of beneficial Aβ detoxification and detrimental memory impairment in AD. We propose ODC1-inhibition as a promising therapeutic strategy for AD to facilitate removal of toxic molecules and prevent memory loss.

Abstract There are significant limitations in investigating complex neural circuits in vivo , including drawbacks to midline-adjacent surgeries, limited accessibility to deep brain regions and number of feasible regional targets for simultaneous recordings, and analytical or experimental biases from recording one columnar plane. On the other hand, recording extracellular neural signals ex vivo or in vitro using planar microelectrode arrays (MEAs) only permits slice surface recordings, and since conventional slices under 400 μm-thick or dissociated cultures are used, no experiments contain a physiological multi-region circuit, drastically limiting conclusions about connectivity and pharmacology. Using thick, tract-preserving acute brain slices to record otherwise unassailable neural circuits ex vivo combines the strengths of both types of experiments, but is assumed to precipitate ischemic injury due to oxygen scarcity within the slice. Here, we report the first application of custom, multi-region silicon neural probe arrays to record spontaneous activity & optogenetically-induced functional connectivity acrosshe mesocorticolimbic pathway within tract-preserving 800 μm sagittal mouse brain slices, compared with 400 μm slices, among three brain regions: the ventral tegmental area (VTA), ventral striatum (VS), & medial prefrontal cortex (mPFC). We show that most single-unit signals are an order of magnitude below the noise floor seen using silicon probes in vivo , providing unit yields far higher than previously assumed, allowing for a deep functional understanding of acute slice condition compared to the assumed deterioration due to ischemia. Overall, our method allows for acute circuit manipulations beyond what is available in vivo, with far more information than conventional slice preparations.

Transcranial brain stimulation is a promising technology for safe modulation of brain function without invasive procedures. Recent advances in transcranial optogenetic techniques with external light sources, using upconversion particles and highly sensitive opsins, have shown promise for precise neuromodulation with improved spatial resolution in deeper brain regions. However, these methods have not yet been used to selectively excite or inhibit specific neural populations in multiple brain regions. In this study, we created a wireless transcranial optogenetic brain modulator that combines highly sensitive opsins and upconversion particles and allows for precise bimodal neuromodulation of multiple brain regions without optical crosstalk. We demonstrate the feasibility of our approach in freely behaving mice. Furthermore, we demonstrate its usefulness in studies of complex behaviors and brain dysfunction by controlling extorting behavior in mice in food competition tests and alleviating the symptoms of Parkinson's disease. Our approach has potential applications in the study of neural circuits and development of treatments for various brain disorders. Transcranial brain stimulation offers promising control of brain function. Here, the authors present a wireless transcranial optogenetic brain modulator for precise control of multiple brain regions, demonstrating its potential in studying complex behaviors and alleviating Parkinson's symptoms.

Dopaminergic neurotransmission plays a crucial role in motor function through the coordination of dopamine receptor (DRD) subtypes, such as DRD1 and DRD2, thus the functional imbalance of these receptors can lead to Parkinson's disease. However, due to the complexity of dopaminergic circuits in the brain, it is limited to investigating the individual functions of each DRD subtype in specific brain regions. Here, we developed a light-responsive chimeric DRD2, OptoDRD2, which can selectively activate DRD2-like signaling pathways with spatiotemporal resolution. OptoDRD2 was designed to include the light-sensitive component of rhodopsin and the intracellular signaling domain of DRD2. Upon illumination with blue light, OptoDRD2 triggered DRD2-like signaling pathways, such as Gαi/o subtype recruitment, a decrease in cAMP levels, and ERK phosphorylation. To explore unknown roles of DRD2 in glutamatergic cell populations of basal ganglia circuitry, OptoDRD2 was genetically expressed in excitatory neurons in lateral globus pallidus (LGP) of the male mouse brain. The optogenetic stimulation of OptoDRD2 in the LGP region affected a wide range of locomotion-related parameters, such as increased frequency of movement and decreased immobility time, resulting in the facilitation of motor function of living male mice. Therefore, our findings indicate a potential novel role for DRD2 in the excitatory neurons of the LGP region, suggesting that OptoDRD2 can be a valuable tool enabling the investigation of unknown roles of DRD2 at specific cell types or brain regions. Significance Statement We developed a light-responsive chimeric dopamine receptor type 2, OptoDRD2, by combining the blue-light sensing part of rhodopsin and intracellular functional regions of DRD2. OptoDRD2 can selectively trigger DRD2-like downstream signaling pathways upon illumination of blue light. To explore unknown roles of DRD2 in glutamatergic cell populations of basal ganglia circuitry, OptoDRD2 was genetically expressed in excitatory neurons at lateral globus pallidus (LGP) in the mouse brain. Optogenetic stimulation of OptoDRD2 in living mice suggested a potential novel function of DRD2 in the LGP that enhances motor outputs. Therefore, OptoDRD2 enabled the precise control of DRD2-like signaling in specific cell types and brain regions, allowing the exploration of potential novel DRD2 functions in living mice.