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.

Abstract Brain organoid research is advancing, but generation of organoids with proper axis formation, which could lead to spatially ordered structures for complex brain structure and function, still remains a challenge. Axis formation and related spatial cell organization in the CNS are initiated by the symmetry breaking during the early embryo development. It has been demonstrated that the geometrically confined culture of human pluripotent stem cells (hPSCs) can be used to induce symmetry breaking and regionalized cell differentiation. In this study, we generated a polarized spinal cord organoid with a self-organized dorsoventral (DV) organization, using 2D cell patterning by geometric confinement. Initially, the application of caudalization signals to hPSCs promoted the regionalized cell differentiation along the radial axis and sprouting-like protrusion morphogenesis in cell colonies confined to ECM protein micropatterns. Detachment of colonies turned them into extended spinal cord-like organoids which maintained center- and edge-derived two poles. Further analyses including single cell RNA sequencing and spatial transcriptome analysis unveiled that these organoids contained rich repertoire of developing spinal cord cells and exhibited the spatially ordered DV domain formation along the long axis without external organizing signals. Modulation of BMP and Shh signaling can control the extent of DV coverage in organoids following the principles of embryo patterning. Our study provides a simple, and precisely controllable method to generate spatially-ordered organoids for understanding of biological principles of cell patterning and axis formation during neural development.

ABSTRACT The pathophysiological changes that occur with the progression of Alzheimer’s disease (AD) are well known, but understanding the spatiotemporal heterogeneity of the brain is needed. Here, we investigated the spatially resolved transcriptome in a 5XFAD AD model of different ages to understand regional changes at the molecular level. We identified early alterations in the white matter (WM) of the AD model before the definite accumulation of amyloid plaques in the gray matter (GM). Changes in the early stage of the disease were involved primarily in glial cell activation in WM, whereas the changes were prominent in the later stage of pathology in GM. We confirmed that disease-associated microglia (DAM) and astrocyte (DAA) signatures also showed initial changes in WM and that activation spreads to GM. Trajectory inference using microglial gene sets revealed the subdivision of DAMs with different spatial patterns. Taken together, these results help to understand the spatiotemporal changes associated with reactive glial cells as a major pathophysiology of AD and provide information for diagnosis and prognosis based on spatiotemporal changes caused by amyloid accumulation in AD.

Drainage of parenchymal waste through the lymphatic system maintains brain homeostasis. Age-related changes of glymphatic-lymphatic clearance lead to the accumulation beta-amyloid (Aβ) in dementia models. In this study, focused ultrasound treatment in combination with microbubbles (FUS-MB) improved Aβ drainage in early dementia model mice, 5XFAD. FUS-MB enhanced solute Aβ clearance from brain, but not plaques, to cerebrospinal fluid (CSF) space and then deep cervical lymph node (dCLN). dCLN ligation exaggerated memory impairment and progress of plaque formation and also the beneficial effects of FUS-MB upon Aβ removal through CSF-lymphatic routes. In this ligation model, FUS-MB improved memory despite accumulation of Aβ in CSF. In conclusion, FUS-MB enhances glymphatic-lymphatic clearance of Aβ mainly by increasing brain-to-CSF Aβ drainage. We suggest that FUS-MB can delay dementia progress in early period and benefits of FUS-MB depend on the effect of Aβ disposal through CSF-lymphatics.

SALM1, also known as LRFN2, is a PSD-95-interacting synaptic adhesion molecule implicated in the regulation of NMDA receptor (NMDAR) clustering largely based on in vitro data, although its in vivo functions remain unclear. Here, we found that mice lacking SALM1/LRFN2 (Lrfn2-/- mice) show a normal density of excitatory synapses but altered excitatory synaptic function, including enhanced NMDAR-dependent synaptic transmission but suppressed NMDAR-dependent synaptic plasticity in the hippocampal CA1 region. Unexpectedly, SALM1 expression is detected in both glutamatergic and GABAergic neurons, and Lrfn2-/- CA1 pyramidal neurons show decreases in the density of inhibitory synapses and frequency of spontaneous inhibitory synaptic transmission. Behaviorally, ultrasonic vocalization was suppressed in Lrfn2-/- pups separated from their mothers, and acoustic startle was enhanced, but locomotion, anxiety-like behavior, social interaction, repetitive behaviors, and learning and memory were largely normal in adult Lrfn2-/- mice. These results suggest that SALM1/LRFN2 regulates excitatory synapse function, inhibitory synapse development, and social communication and startle behaviors in mice.

Abstract Stress management is a prerequisite for the survival of vertebrates because chronic stress may cause depression and is known to negatively modulate the dopaminergic reward system 1 . Enhanced excitability of neurons in the lateral habenula (LHb) induced by chronic stress is essential for silencing dopaminergic neurons in the ventral tegmental area (VTA) via GABAergic neurons in the rostromedial tegmental nucleus (RMTg) 2–10 . However, the effect of acute stress on the LHb-RMTg-VTA pathway is unknown 11–14 . Here, we show that both aromatic L -amino acid decarboxylase (AADC)-expressing neurons (D-neurons) 15 in the LHb and dopaminergic neurons in the VTA are activated by acute stress, whereas GABAergic neurons in the RMTg are not. Selective stimulation of LHb D-neurons and AADC knockdown of these neurons reverse-regulate the RMTg-VTA pathway. Circuit tracing and electrophysiology data demonstrate that trace aminergic signalling by LHb D-neurons directly suppresses RMTg GABAergic neurons. Furthermore, local activation of trace amine-associated receptor 1 (TAAR1; a trace amine receptor) in the RMTg is sufficient to rescue the despair-like behaviour produced by the loss of AADC expression. Our results identify a novel efferent pathway from the LHb to the RMTg whereby trace aminergic signalling allows the brain to manage acute stress by preventing VTA dopaminergic neuron hypoactivity. The TAAR1-mediated trace aminergic signalling in the LHb-RMTg pathway may hold promise as a therapeutic target for stress-mediated psychological diseases.

Abstract Signal peptidase (SPase) cleaves the signal sequences (SSs) of secretory precursors. It contains an evolutionarily conserved membrane protein subunit, Spc1 that is dispensable for the catalytic activity of SPase, and its role remains elusive. In the present study, we investigated the function of yeast Spc1. First, we set up an in vivo SPase cleavage assay using secretory protein CPY variants with SSs modified in the n and h regions. When comparing the SS cleavage efficiencies of these variants in cells with or without Spc1, we found that signal-anchored sequences become more susceptible to cleavage by SPase without Spc1. Further, SPase-mediated processing of transmembrane (TM) segments in model membrane proteins was reduced upon overexpression of Spc1. Spc1 was co-immunoprecipitated with membrane proteins carrying uncleaved signal-anchored or TM segments. These results suggest a role of Spc1 in shielding TM segments from SPase action, thereby contributing to accurate substrate selection for SPase.