Abstract Astrocytes are in constant communication with neurons during the establishment and maturation of functional networks in the developing brain. Astrocytes release extracellular vesicles (EVs) containing microRNA (miRNA) cargo that regulates transcript stability in recipient cells. Astrocyte released factors are thought to be involved in neurodevelopmental disorders. Healthy astrocytes partially rescue Rett Syndrome (RTT) neuron function. EVs isolated from stem cell progeny also correct aspects of RTT. EVs cross the blood-brain barrier (BBB) and their cargo is found in peripheral blood which may allow non-invasive detection of EV cargo as biomarkers produced by healthy astrocytes. Here we characterize miRNA cargo and sequence motifs in healthy human astrocyte derived EVs (ADEVs). First, human induced Pluripotent Stem Cells (iPSC) were differentiated into Neural Progenitor Cells (NPCs) and subsequently into astrocytes using a rapid differentiation protocol. iPSC derived astrocytes expressed specific markers, displayed intracellular calcium transients and secreted EVs. miRNAs were identified by RNA-Seq on astrocytes and ADEVs and target gene pathway analysis detected brain related terms. The miRNA profile was consistent with astrocyte identity, and included approximately 80 miRNAs found in astrocytes that were relatively depleted in ADEVs suggestive of passive loading. About 120 miRNAs were relatively enriched in ADEVs and motif analysis discovered binding sites for RNA binding proteins FUS, SRSF7 and CELF5. miRNA 483-5p was the most significantly enriched in ADEVs. This miRNA regulates MECP2 expression in neurons and has been found differentially expressed in blood samples from RTT patients. Our results identify potential miRNA biomarkers selectively sorted into ADEVs and implicate RNA binding protein sequence dependent mechanisms for miRNA cargo loading.

Abstract Recent studies have highlighted axonal myelination as a common feature of PV interneurons throughout the cerebral cortex. However, the precise function of PV interneuron myelination remains incompletely understood. In this study, we used the cuprizone model of demyelination to investigate how PV interneuron myelination might influence their neuronal physiology. Specifically, we examined whether impairing myelination from postnatal day 21 onwards, during a critical neurodevelopmental period of the prefrontal cortex (PFC), can affect PV interneuron maturation and function. Using whole-cell patch-clamp recordings to examine intrinsic properties of PV interneurons in the PFC, we found that juvenile demyelination induced robust alterations of PV interneuron firing patterns. Specifically, we observed that demyelination caused an impairment in the ability of PV interneurons to sustain high frequency firing associated with a substantial decrease in Kv3-specific currents. We also found a significant impairment in PV interneurons autaptic self-inhibitory transmission, a feature implicated in temporal control of PV interneurons firing during cortical network activity. Following a remyelination period of 5 weeks, PV interneuron properties were only partially recovered and mice showed clear social deficits, suggesting that transient juvenile demyelination leads to long-lasting behavioral impairments. In contrast, adult demyelination had no effect on PV interneuron firing properties or autaptic plasticity. Together, our data uncovers a critical period for juvenile myelination as an important factor in PFC PV interneuron development and brain maturation.

Abstract The 22q11 deletion syndrome (22q11DS) is an interstitial microdeletion associated to an increased risk of developing schizophrenia. In this disorder, there is a dysfunction in the overall connectivity of the brain. Parvalbumin-expressing (PV + ) interneurons have been associated with multiple pre- and post-synaptic impairments that affect various brain regions. Specifically, previous results have suggested that alterations in hippocampal networks may be related to PV + interneurons dysfunction. In this study, we used the Df1 mouse model that carries the 22q11 deletion to examine the excitability of PV + cells in the dorsal CA1 region of the hippocampus, due to its importance in memory and cognition. We found that PV + interneurons were hyperexcitable in this region. To understand the source of the altered excitability, we measured potassium currents, highly involved in the intrinsic firing properties of neurons. We observed that voltage-gated potassium channel subfamily A member 1 (K v 1.1) was impaired in PV + cells. Specific activation of this channel recovered some of the excitability disturbances observed in Df1 mice. Furthermore, blockade of synaptic inputs also restored PV + interneuron’s excitability. Taken together, these results suggest that PV excitability is increased in the CA1 region of the hippocampus and it is partially mediated by K v 1.1 in a mouse model of 22q11DS.

Neocortical pyramidal neurons are frequently myelinated. Diversity in the topography of axonal myelination in the cerebral cortex has been attributed to a combination of electrophysiological activity, axonal morphology, and neuronal-glial interactions. Previously, we showed that axonal segment length and calibre are critical determinants of fast-spiking interneuron myelination. However, the factors that determine the myelination of individual axonal segments along neocortical pyramidal neurons remain largely unexplored. Here, we used structured illumination microscopy and cell type-specific manipulations to examine the extent to which axonal morphology determines the topography of axonal myelination in mouse neocortical pyramidal neurons. We found that, unlike what was determined for fast-spiking interneurons, the joint combination of axonal calibre and interbranch distance does not predict axonal myelination in pyramidal neurons, rather it provides a minimum threshold for myelination; pyramidal neurons with an axon calibre and interbranch distance lower than 0.24 um and 19 um, respectively, are almost never myelinated. Moreover, we further confirmed that these findings in mice also extend to human neocortical pyramidal cell myelination, suggesting that this mechanism is evolutionarily conserved. Taken together, our findings suggest that axonal morphology is highly deterministic of the topography and cell-type specificity of neocortical myelination.

ABSTRACT The peripartum period is the highest risk interval for the onset or exacerbation of psychiatric illness in women’s lives. Notably, pregnancy and childbirth have been associated with short-term structural and functional changes in the maternal human brain. Yet the long-term effects of parity on maternal brain structure remain unknown. Therefore, we utilized a large population-based cohort to examine the association between parity and brain structure. In total, 2,835 women (mean age 65.2 years; all free from dementia, stroke, and cortical brain infarcts) from the Rotterdam Study underwent magnetic resonance imaging (1.5 T) between 2005 and 2015. Associations of parity with global and lobar brain tissue volumes, white matter microstructure, and markers of vascular brain disease were examined using regression models. We found that parity was associated with a larger global gray matter volume (β= 0.14, 95% CI = 0.09-0.19), a finding that persisted following adjustment for sociodemographic factors. A non-significant dose-dependent relationship was observed between a higher number of childbirths and larger gray matter volume. The gray matter volume association with parity was globally proportional across lobes. No associations were found regarding white matter volume or integrity, nor with markers of cerebral small vessel disease. The current findings indicate that pregnancy and childbirth are associated with robust long-term changes in brain structure involving larger global gray matter volume that persists for decades. Taken together, these data provide novel insight into the impact of motherhood on the human brain.

Abstract Severe acute respiratory syndrome coronavirus-2 (SARS-CoV-2) infection is associated with a wide variety of neurological complications. Even though SARS-CoV-2 is rarely detected in the central nervous system (CNS) or cerebrospinal fluid, evidence is accumulating that SARS-CoV-2 might enter the CNS via the olfactory nerve. However, what happens after SARS-CoV-2 enters the CNS is poorly understood. Therefore, we investigated the replication kinetics, cell tropism, and associated immune responses of SARS-CoV-2 infection in different types of neural cultures derived from human induced pluripotent stem cells (hiPSCs). SARS-CoV-2 was compared to the neurotropic and highly pathogenic H5N1 influenza A virus. SARS-CoV-2 infected a minority of individual mature neurons, without subsequent virus replication and spread, despite ACE2, TMPRSS2 and NPR1 expression in all cultures. However, this sparse infection did result in the production of type-III-interferons and IL-8. In contrast, H5N1 virus replicated and spread very efficiently in all cell types in all cultures. Taken together, our findings support the hypothesis that neurological complications might result from local immune responses triggered by virus invasion, rather than abundant SARS-CoV-2 replication in the CNS.

ABSTRACT Astrocytes are essential for the formation and maintenance of neural networks through metabolic support, facilitation of synaptic function, and optimization of electrophysiological activity. However, a major technical challenge for investigating astrocyte function and disease-related pathophysiology has been the limited ability to obtain functional human astrocytes. Here we present a novel method to efficiently differentiate human pluripotent stem cell (hPSC)-derived neural progenitors to functional astrocytes in 28 days using a culture medium containing leukemia inhibitory factor (LIF) and bone morphogenetic protein 4 (BMP4). This approach yields highly pure populations of astrocytes expressing canonical astrocyte markers, which we confirmed by immunofluorescence, flow cytometry and RNA sequencing. Human PSC-derived astrocytes efficiently buffer glutamate and robustly support neural network activity. Co-cultures of hPSC-derived astrocytes and neurons on multi-electrode arrays generated robust network activity within 2 days and synchronous network bursts after 6 days. Whole cell patch-clamp recordings revealed an increased frequency of postsynaptic currents in human hPSC-derived neurons co-cultured with hPSC-derived versus primary rodent astrocytes, consistent with a corresponding increase in synapse density. Furthermore, hPSC-derived astrocytes retained their hominid morphology when transplanted into a mouse brain. In conclusion, we present a novel protocol to obtain functional astrocytes from human pluripotent stem cells, providing a platform for investigating human astrocyte function and neuronal-glial interactions.

Summary Parvalbumin-positive (PV + ) γ-aminobutyric acid (GABA) interneurons are critically involved in producing rapid network oscillations and cortical microcircuit computations but the significance of PV + axon myelination to the temporal features of inhibition remains elusive. Here using toxic and genetic models of demyelination and dysmyelination, respectively, we find that loss of compact myelin reduces PV + interneuron presynaptic terminals, increases failures and the weak phasic inhibition of pyramidal neurons abolishes optogenetically driven gamma oscillations in vivo . Strikingly, during periods of quiet wakefulness selectively theta rhythms are amplified and accompanied by highly synchronized interictal epileptic discharges. In support of a causal role of impaired PV-mediated inhibition, optogenetic activation of myelin-deficient PV + interneurons attenuated the power of slow theta rhythms and limited interictal spike occurrence. Thus, myelination of PV axons is required to consolidate fast inhibition of pyramidal neurons and enable behavioral state-dependent modulation of local circuit synchronization.