Microglia play key roles in brain development, homeostasis, and function, and it is widely assumed that the adult population is long lived and maintained by self-renewal. However, the precise temporal and spatial dynamics of the microglial population are unknown. We show in mice and humans that the turnover of microglia is remarkably fast, allowing the whole population to be renewed several times during a lifetime. The number of microglial cells remains steady from late postnatal stages until aging and is maintained by the spatial and temporal coupling of proliferation and apoptosis, as shown by pulse-chase studies, chronic in vivo imaging of microglia, and the use of mouse models of dysregulated apoptosis. Our results reveal that the microglial population is constantly and rapidly remodeled, expanding our understanding of its role in the maintenance of brain homeostasis.

In the developing nervous system, progenitors first generate neurons before making astrocytes and oligodendrocytes. We previously showed that increased Sonic hedgehog (Shh) signaling in dorsal forebrain progenitors is important for their production of oligodendrocytes as neurogenesis winds down. Here, we analyzed single-cell RNA sequencing datasets to better understand how Shh controls this neuron-to-oligodendrocyte switch in the neocortex. We first identified Shh-responding progenitors using a dataset in which Shh was overexpressed in the mouse dorsal forebrain. Pseudotime trajectory inferences revealed a subpopulation committed to the oligodendrocyte precursor cell (OPC) lineage. Genes upregulated along this lineage defined a pre-OPC state, as cells transitioned from progenitors to OPCs. Using several datasets from wild-type mouse and human embryos at different ages, we confirmed a pre-OPC state preceding OPC emergence during normal development. Finally, we show that pre-OPCs are enriched for a gene regulatory network involving the transcription factor Ascl1. Genetic lineage-tracing demonstrated Ascl1 + dorsal progenitors primarily make oligodendrocytes. We propose a model in which Shh shifts the balance between opposing transcriptional networks toward an Ascl1 lineage, thereby facilitating the switch between neurogenesis and oligodendrogenesis.

Multiplexed spatial profiling of mRNAs has recently gained traction as a tool to explore the cellular diversity and the architecture of tissues. We propose a sensitive, open-source, simple and flexible method for the generation of in-situ expression maps of hundreds of genes. We exploit direct ligation of padlock probes on mRNAs, coupled with rolling circle amplification and hybridization-based in situ combinatorial barcoding, to achieve high detection efficiency, high throughput and large multiplexing. We validate the method across a number of species, and show its use in combination with orthogonal methods such as antibody staining, highlighting its potential value for developmental and tissue biology studies. Finally, we provide an end-to-end computational workflow that covers the steps of probe design, image processing, data extraction, cell segmentation, clustering and annotation of cell types. By enabling easier access to high-throughput spatially resolved transcriptomics, we hope to encourage a diversity of applications and the exploration of a wide range of biological questions.

SUMMARY Understanding the architectural principles that shape human brain networks is a major challenge for systems neuroscience. We hypothesize that the centrality of the different brain circuits in the human connectome is a product of their embryogenic age, such that early-born nodes should become stronger hubs than those born later. Using a human brain segmentation based on embryogenic age, we observed that nodes’ structural centrality correlated with their embryogenic age, fully confirming our hypothesis. Distinct trends were found at different resolutions on a functional level. The difference in embryonic age between nodes inversely correlated with the probability of existence of links and their weights. Brain transcriptomic analysis revealed strong associations between embryonic age, structure-function centrality, and the expression of genes related to nervous system development, synapse regulation and human neurological diseases. Our results highlight two key principles regarding the wiring of the human brain, “preferential age attachment” and “the older gets richer”.

Oligodendrocyte dysfunction, myelin degeneration, and white matter structural alterations are critical events in Alzheimer's disease (AD) that contribute to cognitive decline. A key hallmark of AD, Abeta oligomers, disrupt oligodendrocyte and myelin homeostasis, but a comprehensive global analysis of the mechanisms involved is lacking. Here, transcriptomic profiling of Abeta-exposed oligodendrocytes revealed widespread gene expression changes, particularly affecting pathways related to RNA localisation. Among the genes identified, we focused on Hnrnpa2/b1, the gene encoding the hnRNP A2 protein, which is essential for RNA transport and translation of myelin proteins. We confirmed aberrant upregulation of hnRNP A2 in hippocampal oligodendrocytes from post-mortem human brains of early-stage AD patients, Abeta-injected mouse hippocampi and Abeta-treated disrupting cells in vitro. RIP-seq analysis of the hnRNP A2 interactome revealed attenuated interactions with Hnrnpk and Hnrnpa2/b1, while interactions with Mbp and Mobp were enriched, suggesting changes in RNA metabolism of molecules associated with mRNA transport of myelin proteins. Abeta increased the total number and dynamics of mRNA-containing granules, facilitating local translation of the myelin proteins MBP and MOBP and attenuating Ca2+ signalling. These findings suggest that Abeta oligomers disrupt RNA metabolism mechanisms crucial for oligodendrocyte myelination through dysregulation of hnRNP A2 and myelin protein levels, potentially affecting oligodendroglia Ca2+ homeostasis.

The advanced cognitive abilities of birds rival those of mammals and have been attributed to evolutionary innovations in the pallium. However, a comprehensive cellular characterization of this brain region in birds has been lacking. We scrutinized the structures, cell types and evolutionary origins of the avian pallium based on single-cell and spatial transcriptomics atlases for the adult and developing chicken, and comparisons to corresponding data from mammals and non-avian reptiles. We found that the avian pallium shares most inhibitory neuron types with other amniotes. While excitatory neuron repertoires in the (medial) hippocampal formation show high conservation, they substantially diverged in other pallial regions during avian evolution, defining novel structures like the avian-specific (dorsal) hyperpallium, whose neuronal gene expression identities partly converge during late development with those of the (ventral) nidopallium. Our work also unveils the evolutionary relationships of pallial structures across amniotes, like the previously unknown homology between avian (lateral) mesopallial and mammalian deep layer cortical neurons.

SUMMARY In the hippocampus, lifelong neurogenesis is maintained by a pool of multipotent adult neural stem cells (aNSCs) residing in the subgranular zone of the dentate gyrus (DG). Yet, the mechanisms guiding the transition of NSCs from developmental to adult remain unclear. By using nestin-reporter mice deficient for D2, a cyclin expressed mainly postnatally, we show that the aNSC pool is established through D2-dependent proliferation during the first two weeks of life. The absence of D2 allows the normal development of the DG until birth but prevents the postnatal formation of radial glia-like aNSCs. Additionally, retroviral fate mapping demonstrates that aNSCs are born on-site from precursors located in the DG shortly after birth. Altogether, our data suggest that aNSCs are a population distinct from developmental NSCs and thus imply that adult hippocampal neurogenesis is not a mere continuation of development.

SUMMARY Hippocampal neural stem cells (NSCs) are the drivers of neurogenesis in the dentate gyrus (DG) of most mammals including humans. During neuronal hyperactivity NSCs become reactive NSCs (react-NSCs), characterized by their activation, morphological changes, and symmetric division, abandoning their neurogenic programme and transforming into reactive astrocytes. Here, using different pathological models that induce react-NSCs in the DG, we looked for novel features of react-NSCs both histologically and by total RNA sequencing. We report that in two pathological models were react-NSCs emerge (mesial temporal lobe epilepsy (MTLE) and traumatic brain injury (TBI)) react-NSCs are capable of phagocytosis of dead cells, a typical immunological function carried out mainly by microglia in the brain. Importantly, MTLE-induced react-NSCs show phagocytic function in tissue and a predominantly immunological molecular signature, with a broad upregulation of phagocytosis-related gene expression. Our results describe a new function of react-NSCs as phagocytic and immunologically active cells in the hippocampal neurogenic niche.

ABSTRACT Embryonic development is a complex and dynamic process that unfolds over time and involves the production of increasing numbers of cells, as well as the diversification of different cell types. The impact of developmental time on the formation of the central nervous system is well-documented, with evidence showing that time plays a critical role in establishing the identity of neuronal subtypes. However, the study of how time translates into genetic instructions driving cell fate is limited by the scarcity of suitable experimental tools. We introduce BirthSeq , a new method for isolating and analyzing cells based on their birth date. This innovative technique allows for in vivo labeling of cells, isolation via FACS, and analysis using high-throughput techniques. We demonstrate the effectiveness of BirthSeq for single-cell RNA sequencing and novel spatially resolved transcriptomic approaches in brain development across three vertebrate species (mouse, chick, and gecko). Overall, BirthSeq provides a versatile tool for studying any tissue in any vertebrate organism, helping to fill the necessity in developmental biology research by targeting cells and their temporal cues. SUMMARY STATEMENT BirthSeq allows the isolation and investigation of alive cells according to their birthdate, in any kind of tissue and vertebrate species.

Abstract The amniote pallium contains sensory circuits structurally and functionally equivalent, yet their evolutionary relationship remains unresolved. Our study employs birthdating analysis, single-cell RNA and spatial transcriptomics, and mathematical modeling to compare the development and evolution of known pallial circuits across birds (chick), lizards (gecko) and mammals (mouse). We reveal that neurons within these circuits’ stations are generated at varying developmental times and brain regions across species, and found an early developmental divergence in the transcriptomic progression of glutamatergic neurons. Together, we show divergent developmental and evolutionary trajectories in the pallial cell types of sauropsids and mammals. Our research highlights significant differences in circuit construction rules among species and pallial regions. Interestingly, despite these developmental distinctions, the sensory circuits in birds and mammals appear functionally similar, which suggest the convergence of high-order sensory processing across amniote lineages.