Neural organoids have the potential to improve our understanding of human brain development and neurological disorders. However, it remains to be seen whether these tissues can model circuit formation with functional neuronal output. Here we have adapted air-liquid interface culture to cerebral organoids, leading to improved neuronal survival and axon outgrowth. The resulting thick axon tracts display various morphologies, including long-range projection within and away from the organoid, growth-cone turning, and decussation. Single-cell RNA sequencing reveals various cortical neuronal identities, and retrograde tracing demonstrates tract morphologies that match proper molecular identities. These cultures exhibit active neuronal networks, and subcortical projecting tracts can innervate mouse spinal cord explants and evoke contractions of adjacent muscle in a manner dependent on intact organoid-derived innervating tracts. Overall, these results reveal a remarkable self-organization of corticofugal and callosal tracts with a functional output, providing new opportunities to examine relevant aspects of human CNS development and disease.

The human brain has undergone rapid expansion since humans diverged from other great apes, but the mechanism of this human-specific enlargement is still unknown. Here, we use cerebral organoids derived from human, gorilla, and chimpanzee cells to study developmental mechanisms driving evolutionary brain expansion. We find that neuroepithelial differentiation is a protracted process in apes, involving a previously unrecognized transition state characterized by a change in cell shape. Furthermore, we show that human organoids are larger due to a delay in this transition, associated with differences in interkinetic nuclear migration and cell cycle length. Comparative RNA sequencing (RNA-seq) reveals differences in expression dynamics of cell morphogenesis factors, including ZEB2, a known epithelial-mesenchymal transition regulator. We show that ZEB2 promotes neuroepithelial transition, and its manipulation and downstream signaling leads to acquisition of nonhuman ape architecture in the human context and vice versa, establishing an important role for neuroepithelial cell shape in human brain expansion.

Abstract The human brain has undergone rapid expansion since humans diverged from other great apes, but the mechanism of this human-specific enlargement is still unknown. Here, we use cerebral organoids derived from human, gorilla and chimpanzee cells to study developmental mechanisms driving evolutionary brain expansion. We find that the differentiation of neuroepithelial cells to neurogenic radial glia is a protracted process in apes, involving a previously unrecognized transition state characterized by a change in cell shape. Furthermore, we show that human organoids are larger due to a delay in this transition. Temporally resolved RNA-seq from human and gorilla organoids reveals differences in gene expression patterns associated with cell morphogenesis, and in particular highlights ZEB2 , a known regulator of epithelial-mesenchymal transition and cell shape. We show, through loss- and gain-of-function experiments, that ZEB2 promotes the progression of neuroepithelial differentiation, and its ectopic overexpression in human is sufficient to trigger a premature transition. Thus, by mimicking the nonhuman ape expression in human organoids, we are able to force the acquisition of nonhuman ape architecture, establishing for the first time, an instructive role of neuroepithelial cell shape in human brain expansion.

Abstract During brain development, human axons must extend over great distances in a relatively short amount of time. How the subcellular architecture of the growing axon sustains the requirements for such rapid build-up of cellular constituents has remained elusive. Human axons have been particularly inaccessible to imaging at molecular resolution in a near-native context. Here we apply cryo-correlative light microscopy and electron tomography to growing axonal tracts from human cerebral organoids. Our data reveal a wealth of structural details on the arrangement of macromolecules, cytoskeletal components, and organelles in elongating axon shafts. In particular, the intricate shape of the endoplasmic reticulum is consistent with its role in fulfilling the high demand for lipid biosynthesis to support growth. Furthermore, the scarcity of ribosomes within the growing shaft suggests limited translational competence during expansion of this compartment. These data provide an unprecedented resource and reveal a molecular architecture that helps explain the unique biology of growing human axons.

Summary Circadian rhythms result from cell-intrinsic timing mechanisms that impact health and disease 1,2 . To date, however, neural circadian research has largely focused on the hypothalamic circuitry of nocturnal rodents 3 . Whether circadian rhythms exist in human brain cells is unknown. Here we show bona fide circadian rhythms in human neurons, glia, cerebral organoids, and cerebral organoid slices (ALI-COs) 4–8 . Human neural circadian rhythms are synchronised by physiological timing cues such as glucocorticoids and daily temperature cycles, and these rhythms are temperature-compensated across the range of normal human brain temperatures 9 . Astrocyte rhythms are phase-advanced relative to other cultures and they modulate neuronal clock responses to temperature shift. Cerebral organoid rhythms are more robust at physiological brain temperatures; the relative amplitude of these rhythms increases over time in culture and their resetting capacity recapitulates key neurodevelopmental transitions in glucocorticoid signalling 10–14 . Remarkably, organoid post-transcriptional bioluminescent clock reporter rhythms are retained even when those of their putative transcriptional drivers are indiscernible 15 , and electrophysiology recordings confirm circadian rhythms in functional activity of monocultures, organoids, and ALI-COs. Around one third of the cerebral organoid proteome and phosphoproteome are circadian-rhythmic, with temporal consolidation of disease-relevant neural processes. Finally, we show that human brain organoid rhythms can be modulated and disrupted by commonly used brain-permeant drugs and mistimed cortisol exposure, respectively. Our results demonstrate that human brain cells and tissues develop their own circadian oscillations and that canonical mechanisms of the circadian clockwork may be inadequate to explain these rhythmic phenomena. 2D and 3D human neural cultures represent complementary and tractable models for exploring the emergence, disruption, and mechanics of the circadian neural clockwork, with important implications for chronobiology, brain function, and brain health.

Three-dimensional neural organoids are emerging tools with the potential for improving our understanding of human brain development and neurological disorders. Recent advances in this field have demonstrated their capacity to model neurogenesis, neuronal migration and positioning, and even response to sensory input. However, it remains to be seen whether these tissues can model axon guidance dynamics and the formation of complex connectivity with functional neuronal output. Here, we have established a long-term air-liquid interface culture paradigm that leads to improved neuronal survival and allows for imaging of axon guidance. Over time, these cultures spontaneously form thick axon tracts capable of projecting over long distances. Axon bundles display various morphological behaviors including intracortical projection within and across the organoid, growth cone turning, decussation, and projection away from the organoid. Single-cell RNA-sequencing reveals the full repertoire of cortical neuronal identities, and retrograde labelling demonstrates these tract morphologies match the appropriate molecular identities, namely callosal and corticofugal neuron types. We show that these neurons are functionally mature, generate active networks within the organoid, and that extracortical projecting tracts innervate and activate mouse spinal cord-muscle explants. Muscle contractions can be evoked by stimulation of the organoid, while axotomy of the innervating tracts abolishes the muscle contraction response, demonstrating dependence on connection with the organoid. Overall, these results reveal a remarkable self-organization of corticofugal and callosal tracts with a functional output, providing new opportunities to examine relevant aspects of human CNS development and response to injury.

Abstract Neural organoids are invaluable model systems for studying neurodevelopment and neurological diseases. For this purpose, reproducible differentiation protocols are needed that minimize inter-organoid variability whilst generating neural organoids that physiologically resemble the brain area of interest. Currently, two main approaches are used: guided, where the differentiation towards neuroectoderm and subsequently specific CNS regions is driven by applying extrinsic signalling molecules, and unguided, where the intrinsic capability of pluripotent stem cells to generate neuroectoderm without external signalling is promoted. Despite the importance for the field, the resulting differences between these models have not been directly investigated. To obtain an unbiased comparison, we performed a multi-omic analysis of forebrain organoids generated using a guided and unguided approach focusing on proteomic, lipidomic and metabolomic differences. Furthermore, we characterised differences in phosphorylation and sialylation states of proteins, two key post-translational modifications (PTMs) in neurodevelopment, and performed single cell transcriptomics (scRNAseq). The multi-omic analysis revealed considerable differences in neuronal-, synaptic and glial content, indicating that guided forebrain organoids contain a larger proportion of neurons, including GABAergic interneurons, and synapses whereas unguided organoids contain significantly more GFAP + cells and choroid plexus. Furthermore, substantial differences in mitochondrial- and metabolic profiles were identified, pointing to increased levels of oxidative phosphorylation and fatty acid β-oxidation in unguided forebrain organoids and a higher reliance on glycolysis in guided forebrain organoids. Overall, our study comprises a thorough description of the multi-omic differences arising when generating guided and unguided forebrain organoids and provide an important resource for the organoid field studying neurodevelopment and -disease.