In the adult hippocampus, neuroprogenitor cells in the subgranular zone (SGZ) of the dentate gyrus give rise to newborn neuroblasts. However, only a small subset of these cells integrates into the hippocampal circuitry as mature neurons at the end of a 4 week period. Here, we show that the majority of the newborn cells undergo death by apoptosis in the first 1 to 4 days of their life, during the transition from amplifying neuroprogenitors to neuroblasts. These apoptotic newborn cells are rapidly cleared out through phagocytosis by unchallenged microglia present in the adult SGZ niche. Phagocytosis by the microglia is efficient and undeterred by increased age or inflammatory challenge. Our results suggest that the main critical period of newborn cell survival occurs within a few days of birth and reveal a new role for microglia in maintaining the homeostasis of the baseline neurogenic cascade.

Production of new neurons in the adult hippocampus decreases with age; this decline may underlie age-related cognitive impairment. Here we show that continuous depletion of the neural stem cell pool, as a consequence of their division, may contribute to the age-related decrease in hippocampal neurogenesis. Our results indicate that adult hippocampal stem cells, upon exiting their quiescent state, rapidly undergo a series of asymmetric divisions to produce dividing progeny destined to become neurons and subsequently convert into mature astrocytes. Thus, the decrease in the number of neural stem cells is a division-coupled process and is directly related to their production of new neurons. We present a scheme of the neurogenesis cascade in the adult hippocampus that includes a proposed “disposable stem cell” model and accounts for the disappearance of hippocampal neural stem cells, the appearance of new astrocytes, and the age-related decline in the production of new neurons.

Chronic treatment with antidepressants increases neurogenesis in the adult hippocampus. This increase in the production of new neurons may be required for the behavioral effects of antidepressants. However, it is not known which class of cells within the neuronal differentiation cascade is targeted by the drugs. We have generated a reporter mouse line, which allows identification and classification of early neuronal progenitors. It also allows accurate quantitation of changes induced by neurogenic agents in these distinct subclasses of neuronal precursors. We use this line to demonstrate that the selective serotonin reuptake inhibitor antidepressant fluoxetine does not affect division of stem-like cells in the dentate gyrus but increases symmetric divisions of an early progenitor cell class. We further demonstrate that these cells are the sole class of neuronal progenitors targeted by fluoxetine in the adult brain and suggest that the fluoxetine-induced increase in new neurons arises as a result of the expansion of this cell class. This finding defines a cellular target for antidepressant drug therapies.

Neurogenesis in the adult hippocampus is a highly regulated process that originates from multipotent progenitors in the subgranular zone (SGZ). Currently, little is known about molecular mechanisms that regulate proliferation and differentiation in the SGZ. To study the role of transcription factors (TFs), we focused on Tbr2 (T-box brain gene 2), which has been implicated previously in developmental glutamatergic neurogenesis. In adult mouse hippocampus, Tbr2 protein and Tbr2-GFP (green fluorescent protein) transgene expression were specifically localized to intermediate-stage progenitor cells (IPCs), a type of transit amplifying cells. The Tbr2+ IPCs were highly responsive to neurogenic stimuli, more than doubling after voluntary wheel running. Notably, the Tbr2+ IPCs formed cellular clusters, the average size of which (Tbr2+ cells per cluster) likewise more than doubled in runners. Conversely, Tbr2+ IPCs were selectively depleted by antimitotic drugs, known to suppress neurogenesis. After cessation of antimitotic treatment, recovery of neurogenesis was paralleled by recovery of Tbr2+ IPCs, including a transient rebound above baseline numbers. Finally, Tbr2 was examined in the context of additional TFs that, together, define a TF cascade in embryonic neocortical neurogenesis (Pax6 → Ngn2 → Tbr2 → NeuroD → Tbr1). Remarkably, the same TF cascade was found to be linked to stages of neuronal lineage progression in adult SGZ. These results suggest that Tbr2+ IPCs play a major role in the regulation of adult hippocampal neurogenesis, and that a similar transcriptional program controls neurogenesis in adult SGZ as in embryonic cerebral cortex.

Hippocampal neural stem cells (NSCs) integrate inputs from multiple sources to balance quiescence and activation. Notch signaling plays a key role during this process. Here, we report that Lunatic fringe (Lfng), a key modifier of the Notch receptor, is selectively expressed in NSCs. Further, Lfng in NSCs and Notch ligands Delta1 and Jagged1, expressed by their progeny, together influence NSC recruitment, cell cycle duration, and terminal fate. We propose a new model in which Lfng-mediated Notch signaling enables direct communication between a NSC and its descendants, so that progeny can send feedback signals to the ‘mother’ cell to modify its cell cycle status. Lfng-mediated Notch signaling appears to be a key factor governing NSC quiescence, division, and fate.

The mechanisms responsible for determining neural stem cell fate are numerous and complex. To begin to identify the specific components involved in these processes, we generated several mouse neural stem cell (NSC) antibodies against cultured mouse embryonic neurospheres. Our immunohistochemical data showed that the NSC-6 antibody recognized NSCs in the developing and postnatal murine brains as well as in human brain organoids. Mass spectrometry revealed the identity of the NSC-6 epitope as brain abundant, membrane-attached signal protein 1 (BASP1), a signaling protein that plays a key role in neurite outgrowth and plasticity. Western blot analysis using the NSC-6 antibody demonstrated multiple BASP1 isoforms with varying degrees of expression and correlating with distinct developmental stages. Herein, we describe the expression of BASP1 in NSCs in the developing and postnatal mammalian brains and human brain organoids, and demonstrate that the NSC-6 antibody may be a useful marker of these cells.

Abstract Moderate Traumatic brain injury (TBI) can result in long-lasting changes in brain function. Although frequently spared from the acute primary injury, the hippocampus becomes affected during a secondary phase that takes place hours, or even days, after TBI, contributing to cognitive deficits. The hippocampus is one of the few brain areas in the adult brain harboring native neural stem cells (NSCs) that continue to generate new neurons (neurogenesis), and to a lesser extent new astrocytes (astrogliogenesis). While deregulation of hippocampal NSCs and neurogenesis have been observed after TBI, very little is known about how TBI may affect hippocampal astrogliogenesis. Here, we aimed to assess how TBI affects hippocampal NSCs and their subsequent commitment to the neuronal or astroglial lineages. Using a controlled cortical impact model of TBI, single cell RNA sequencing and spatial transcriptomics, we observed a cell population-specific increase in NSC-derived neuronal cells and a decrease in NSC-derived astrocytic cells. These cellular changes were associated with cell-population specific changes in gene expression and dysplasia within the dentate gyrus. Overall, our findings support the conclusion that TBI modifies adult hippocampal NSC fate to promote neurogenesis at the cost of astrogliogenesis, and highlights specific cell populations as possible targets to counteract the changes induced by TBI in the hippocampus.