Abstract Post-traumatic stress disorder (PTSD) is a debilitating neuropsychiatric disease with a projected lifetime risk of 8.7%. PTSD is highly comorbid with depressive disorders including major depressive disorder (MDD) and bipolar disorder (BD). It is hypothesized that the overlap in symptoms stems from partially shared underlying neurobiological mechanisms. To better understand shared and unique transcriptional patterns of PTSD and MDD we performed RNA-sequencing in the postmortem brain of two prefrontal cortex (PFC) regions and two amygdala (AMY) regions, from neurotypical donors (N=109) as well as donors with diagnoses of PTSD (N=107) or MDD (N=109) across 1285 RNA-seq samples. We identified a small number of differentially expressed genes (DEGs) specific to PTSD, mostly in the cortex compared to amygdala. PTSD-specific DEGs were preferentially enriched in cortistatin-expressing cells, a subpopulation of somatostatin interneurons. These PTSD DEGs also showed strong enrichment for gene sets associated with immune-related pathways and microglia, largely driven by decreased expression of these genes in PTSD donors. While we identified a greater number of DEGs for MDD, there were only a few that were specific to MDD as they showed high overlap with PTSD DEGs. Finally, we used weighted gene co-expression network analysis (WGCNA) as an orthogonal approach to confirm the observed cellular and molecular associations. These findings highlight the sub-population of cortistatin-expressing interneurons as having potential functional significance in PTSD and provide supporting evidence for dysregulated neuroinflammation and immune signaling in MDD and PTSD pathophysiology.

ABSTRACT Background Calcium imaging is a powerful technique for recording cellular activity across large populations of neurons. However, analysis methods capable of single-cell resolution in cultured neurons, especially for cultures derived from human induced pluripotent stem cells (hiPSCs), are lacking. Existing methods lack scalability to accommodate high-throughput comparisons between multiple lines, across developmental timepoints, or across pharmacological manipulations. Results We developed a scalable, automated Ca 2+ imaging analysis pipeline called CaPTure ( https://github.com/LieberInstitute/CaPTure ). This method detects neurons, classifies and quantifies spontaneous activity, quantifies synchrony metrics, and generates cell- and network-specific metrics that facilitate phenotypic discovery. The method is compatible with parallel processing on computing clusters without requiring significant user input or parameter modification. Conclusion CaPTure allows for rapid assessment of neuronal activity in cultured cells at cellular resolution, rendering it amenable to high-throughput screening and phenotypic discovery. The platform can be applied to both human- and rodent-derived neurons and is compatible with many imaging systems.

Abstract Neurons derived from human induced pluripotent stem cells (hiPSCs) have been used to model basic cellular aspects of neuropsychiatric disorders, but the relationship between the emergent phenotypes and the clinical characteristics of donor individuals has been unclear. We analyzed RNA expression and indices of cellular function in hiPSC-derived neural progenitors and cortical neurons generated from 13 individuals with high polygenic risk scores (PRS) for schizophrenia and a clinical diagnosis of schizophrenia, along with 15 neurotypical individuals with low PRS. We identified electrophysiological measures associated with diagnosis that implicated altered Na + channel function and GABA-ergic neurotransmission. Importantly, electrophysiological measures predicted cardinal clinical and cognitive features found in these schizophrenia patients. The identification of basic neuronal physiological properties related to core clinical characteristics of illness is a potentially critical step in generating leads for novel therapeutics.

ABSTRACT The lateral septum (LS) is a GABAergic region in the basal forebrain that is implicated in sociability. However, the neural circuits and cell signaling pathways that converge on the LS to mediate social behaviors aren’t well understood. Multiple lines of evidence suggest that brain-derived neurotrophic factor (BDNF) signaling through its receptor TrkB plays important roles in social behavior. While BDNF is not locally produced in LS, we demonstrate that nearly all GABAergic neurons in LS express TrkB. Local knock-down of TrkB expression from LS neurons decreased sociability and reduced recruitment of social novelty-induced neural activity. Since BDNF is not synthesized in LS, we evaluated which inputs to the LS could serve as potential BDNF sources for controlling sociability. By selectively ablating inputs to LS, we demonstrated that inputs from the basolateral amygdala (BLA), but not ventral CA1 (vCA1), regulate sociability. Moreover, depleting BDNF selectively in BLA-LS projection neurons phenocopied the decreased sociability observed following either local LS TrkB knockdown or ablation of BLA-LS inputs. These data support the hypothesis that BLA-LS projection neurons could serve as a critical source of BDNF for activating TrkB signaling in LS neurons to control sociability.

Abstract Human brain development requires the generation of hundreds of diverse cell types, a process targeted by recent single-cell transcriptomic profiling efforts. Through a meta-analysis of seven of these published datasets, we have generated 225 meta-modules – gene co-expression networks that can describe mechanisms underlying cortical development. Several meta-modules have potential roles in both establishing and refining cortical cell type identities, and we validated their spatiotemporal expression in primary human cortical tissues. These include meta-module 20, associated with FEZF2+ deep layer neurons. Half of meta-module 20 genes are putative FEZF2 targets, including TSHZ3, a transcription factor associated with neurodevelopmental disorders. Human cortical organoid experiments validated that both factors are necessary for deep layer neuron specification. Importantly, subtle manipulations of these factors drive slight changes in meta-module activity that cascade into strong differences in cell fate – demonstrating how of our meta-atlas can engender further mechanistic analyses of cortical fate specification.