Defining the microanatomic differences between the human brain and that of other mammals is key to understanding its unique computational power. Although much effort has been devoted to comparative studies of neurons, astrocytes have received far less attention. We report here that protoplasmic astrocytes in human neocortex are 2.6-fold larger in diameter and extend 10-fold more GFAP (glial fibrillary acidic protein)-positive primary processes than their rodent counterparts. In cortical slices prepared from acutely resected surgical tissue, protoplasmic astrocytes propagate Ca 2+ waves with a speed of 36 μm/s, approximately fourfold faster than rodent. Human astrocytes also transiently increase cystosolic Ca 2+ in response to glutamatergic and purinergic receptor agonists. The human neocortex also harbors several anatomically defined subclasses of astrocytes not represented in rodents. These include a population of astrocytes that reside in layers 5–6 and extend long fibers characterized by regularly spaced varicosities. Another specialized type of astrocyte, the interlaminar astrocyte, abundantly populates the superficial cortical layers and extends long processes without varicosities to cortical layers 3 and 4. Human fibrous astrocytes resemble their rodent counterpart but are larger in diameter. Thus, human cortical astrocytes are both larger, and structurally both more complex and more diverse, than those of rodents. On this basis, we posit that this astrocytic complexity has permitted the increased functional competence of the adult human brain.

The vocal control nucleus designated HVc (hyperstriatum ventrale, pars caudalis) of adult female canaries expands in response to systemic testosterone administration, which also induces the females to sing in a male-like manner. We became interested in the possibility of neurogenesis as a potential basis for this phenomenon. Intact adult female canaries were injected with [3H]thymidine over a 2-day period. Some birds were given testosterone implants at various times before thymidine. The birds were sacrificed 5 wk after hormone implantation, and their brains were processed for autoradiography. In parallel control experiments, some birds were given implants of cholesterol instead of testosterone. All birds showed considerable numbers of labeled neurons, glia, endothelia, and ventricular zone cells in and around HVc. Ultrastructural analysis confirmed the identity of these labeled neurons. Cholesterol- and testosterone-treated birds had similar neuronal labeling indices, which ranged from 1.8% to 4.0% in HVc. Thus, neurogenesis occurred in these adults independently of exogenous hormone treatment. Conversely, both glial and endothelial proliferation rates were markedly stimulated by exogenous testosterone treatment. We determined the origin of the thymidine-incorporating neurons by sacrificing two thymidine-treated females soon after their thymidine injections, precluding any significant migration of newly labeled cells. Analysis of these brains revealed no cells of neuronal morphology present in HVc but a very heavily labeled ventricular zone overlying HVc. We conclude that neuronal precursors exist in the HVc ventricular zone that incorporate tritiated thymidine during the S phase preceding their mitosis; after division these cells migrate into, and to some extent beyond, HVc. This ventricular zone neurogenesis seems to be a normally occurring phenomenon in intact adult female canaries.

Abstract

 Neurogenesis proceeds throughout life in the higher vocal center (HVC) of the adult songbird neostriatum. Testosterone induces neuronal addition and endothelial division in HVC. We asked if testosterone-induced angiogenesis might contribute importantly to HVC neuronal recruitment. Testosterone upregulated both VEGF and its endothelial receptor, VEGF-R2/Quek1/KDR, in HVC. This yielded a burst in local HVC angiogenesis. FACS-isolated HVC endothelial cells produced BDNF in a testosterone-dependent manner. In vivo, HVC BDNF rose by the third week after testosterone, lagging by over a week the rise in VEGF and VEGF-R2. In situ hybridization revealed that much of this induced BDNF mRNA was endothelial. In vivo, both angiogenesis and neuronal addition to HVC were substantially diminished by inhibition of VEGF-R2 tyrosine kinase. These findings suggest a causal interaction between testosterone-induced angiogenesis and neurogenesis in the adult forebrain.

One of the most distinguishing features of the adult human brain is the complexity and diversity of its cortical astrocytes. Human protoplasmic astrocytes manifest a threefold larger diameter and have tenfold more primary processes than those of rodents. In all mammals, protoplasmic astrocytes are organized into spatially non-overlapping domains that encompass both neurons and vasculature. Yet unique to humans and primates are additional populations of layer 1 interlaminar astrocytes that extend long (millimeter) fibers, and layer 5–6 polarized astrocytes that also project distinctive long processes. We propose that human cortical evolution has been accompanied by increasing complexity in the form and function of astrocytes, which reflects an expansion of their functional roles in synaptic modulation and cortical circuitry. One of the most distinguishing features of the adult human brain is the complexity and diversity of its cortical astrocytes. Human protoplasmic astrocytes manifest a threefold larger diameter and have tenfold more primary processes than those of rodents. In all mammals, protoplasmic astrocytes are organized into spatially non-overlapping domains that encompass both neurons and vasculature. Yet unique to humans and primates are additional populations of layer 1 interlaminar astrocytes that extend long (millimeter) fibers, and layer 5–6 polarized astrocytes that also project distinctive long processes. We propose that human cortical evolution has been accompanied by increasing complexity in the form and function of astrocytes, which reflects an expansion of their functional roles in synaptic modulation and cortical circuitry.

Human astrocytes are larger and more complex than those of infraprimate mammals, suggesting that their role in neural processing has expanded with evolution. To assess the cell-autonomous and species-selective properties of human glia, we engrafted human glial progenitor cells (GPCs) into neonatal immunodeficient mice. Upon maturation, the recipient brains exhibited large numbers and high proportions of both human glial progenitors and astrocytes. The engrafted human glia were gap-junction-coupled to host astroglia, yet retained the size and pleomorphism of hominid astroglia, and propagated Ca2+ signals 3-fold faster than their hosts. Long-term potentiation (LTP) was sharply enhanced in the human glial chimeric mice, as was their learning, as assessed by Barnes maze navigation, object-location memory, and both contextual and tone fear conditioning. Mice allografted with murine GPCs showed no enhancement of either LTP or learning. These findings indicate that human glia differentially enhance both activity-dependent plasticity and learning in mice.

Neonatal engraftment by oligodendrocyte progenitor cells (OPCs) permits the myelination of the congenitally dysmyelinated brain. To establish a potential autologous source of these cells, we developed a strategy by which to differentiate human induced pluripotent stem cells (hiPSCs) into OPCs. From three hiPSC lines, as well as from human embryonic stem cells (hESCs), we generated highly enriched OLIG2+/PDGFRα+/NKX2.2+/SOX10+ human OPCs, which could be further purified using fluorescence-activated cell sorting. hiPSC OPCs efficiently differentiated into both myelinogenic oligodendrocytes and astrocytes, in vitro and in vivo. Neonatally engrafted hiPSC OPCs robustly myelinated the brains of myelin-deficient shiverer mice and substantially increased their survival. The speed and efficiency of myelination by hiPSC OPCs was higher than that previously observed using fetal-tissue-derived OPCs, and no tumors from these grafts were noted as long as 9 months after transplant. These results suggest the potential utility of hiPSC-derived OPCs in treating disorders of myelin loss.

Neural progenitor cells persist throughout the adult forebrain subependyma, and neurons generated from them respond to brain-derived neurotrophic factor (BDNF) with enhanced maturation and survival. To induce neurogenesis from endogenous progenitors, we overexpressed BDNF in the adult ventricular zone by transducing the forebrain ependyma to constitutively express BDNF. We constructed a bicistronic adenovirus bearing BDNF under cytomegalovirus (CMV) control, and humanized green fluorescent protein (hGFP) under internal ribosomal entry site (IRES) control. This AdCMV:BDNF:IRES:hGFP (AdBDNF) was injected into the lateral ventricles of adult rats, who were treated for 18 d thereafter with the mitotic marker bromodeoxyuridine (BrdU). Three weeks after injection, BDNF averaged 1 μg/gm in the CSF of AdBDNF-injected animals but was undetectable in control CSF. In situ hybridization demonstrated BDNF and GFP mRNA expression restricted to the ventricular wall. In AdBDNF-injected rats, the olfactory bulb exhibited a >2.4-fold increase in the number of BrdU⁺–βIII-tubulin⁺neurons, confirmed by confocal imaging, relative to AdNull (AdCMV:hGFP) controls. Importantly, AdBDNF-associated neuronal recruitment to the neostriatum was also noted, with the treatment-induced addition of BrdU⁺–NeuN⁺–βIII-tubulin⁺neurons to the caudate putamen. Many of these cells also expressed glutamic acid decarboxylase, cabindin-D28, and DARPP-32 (dopamine and cAMP-regulated phosphoprotein of 32 kDa), markers of medium spiny neurons of the neostriatum. These newly generated neurons survived at least 5–8 weeks after viral induction. Thus, a single injection of adenoviral BDNF substantially augmented the recruitment of new neurons into both neurogenic and non-neurogenic sites in the adult rat brain. The intraventricular delivery of, and ependymal infection by, viral vectors encoding neurotrophic agents may be a feasible strategy for inducing neurogenesis from resident progenitor cells in the adult brain.