INTRODUCTION The brain is responsible for cognition, behavior, and much of what makes us uniquely human. The development of the brain is a highly complex process, and this process is reliant on precise regulation of molecular and cellular events grounded in the spatiotemporal regulation of the transcriptome. Disruption of this regulation can lead to neuropsychiatric disorders. RATIONALE The regulatory, epigenomic, and transcriptomic features of the human brain have not been comprehensively compiled across time, regions, or cell types. Understanding the etiology of neuropsychiatric disorders requires knowledge not just of endpoint differences between healthy and diseased brains but also of the developmental and cellular contexts in which these differences arise. Moreover, an emerging body of research indicates that many aspects of the development and physiology of the human brain are not well recapitulated in model organisms, and therefore it is necessary that neuropsychiatric disorders be understood in the broader context of the developing and adult human brain. RESULTS Here we describe the generation and analysis of a variety of genomic data modalities at the tissue and single-cell levels, including transcriptome, DNA methylation, and histone modifications across multiple brain regions ranging in age from embryonic development through adulthood. We observed a widespread transcriptomic transition beginning during late fetal development and consisting of sharply decreased regional differences. This reduction coincided with increases in the transcriptional signatures of mature neurons and the expression of genes associated with dendrite development, synapse development, and neuronal activity, all of which were temporally synchronous across neocortical areas, as well as myelination and oligodendrocytes, which were asynchronous. Moreover, genes including MEF2C , SATB2 , and TCF4 , with genetic associations to multiple brain-related traits and disorders, converged in a small number of modules exhibiting spatial or spatiotemporal specificity. CONCLUSION We generated and applied our dataset to document transcriptomic and epigenetic changes across human development and then related those changes to major neuropsychiatric disorders. These data allowed us to identify genes, cell types, gene coexpression modules, and spatiotemporal loci where disease risk might converge, demonstrating the utility of the dataset and providing new insights into human development and disease. Spatiotemporal dynamics of human brain development and neuropsychiatric risks. Human brain development begins during embryonic development and continues through adulthood (top). Integrating data modalities (bottom left) revealed age- and cell type–specific properties and global patterns of transcriptional dynamics, including a late fetal transition (bottom middle). We related the variation in gene expression (brown, high; purple, low) to regulatory elements in the fetal and adult brains, cell type–specific signatures, and genetic loci associated with neuropsychiatric disorders (bottom right; gray circles indicate enrichment for corresponding features among module genes). Relationships depicted in this panel do not correspond to specific observations. CBC, cerebellar cortex; STR, striatum; HIP, hippocampus; MD, mediodorsal nucleus of thalamus; AMY, amygdala.

Many drugs of abuse exert their addictive effects by increasing extracellular dopamine in the nucleus accumbens, where they likely alter the plasticity of corticostriatal glutamatergic transmission. This mechanism implies key molecular alterations in neurons in which both dopamine and glutamate inputs are activated. Extracellular signal-regulated kinase (ERK), an enzyme important for long-term synaptic plasticity, is a good candidate for playing such a role. Here, we show in mouse that d -amphetamine activates ERK in a subset of medium-size spiny neurons of the dorsal striatum and nucleus accumbens, through the combined action of glutamate NMDA and D1-dopamine receptors. Activation of ERK by d -amphetamine or by widely abused drugs, including cocaine, nicotine, morphine, and Δ 9 -tetrahydrocannabinol was absent in mice lacking dopamine- and cAMP-regulated phosphoprotein of M r 32,000 (DARPP-32). The effects of d -amphetamine or cocaine on ERK activation in the striatum, but not in the prefrontal cortex, were prevented by point mutation of Thr-34, a DARPP-32 residue specifically involved in protein phosphatase-1 inhibition. Regulation by DARPP-32 occurred both upstream of ERK and at the level of striatal-enriched tyrosine phosphatase (STEP). Blockade of the ERK pathway or mutation of DARPP-32 altered locomotor sensitization induced by a single injection of psychostimulants, demonstrating the functional relevance of this regulation. Thus, activation of ERK, by a multilevel protein phosphatase-controlled mechanism, functions as a detector of coincidence of dopamine and glutamate signals converging on medium-size striatal neurons and is critical for long-lasting effects of drugs of abuse.

In rat neostriatal neurons, D1 dopamine receptors regulate the activity of cyclic AMP-dependent protein kinase (PKA) and protein phosphatase 1 (PP1). The influence of these signaling elements on high voltage-activated (HVA) calcium currents was studied using whole-cell voltage-clamp techniques. The application of D1 agonists or cyclic AMP analogs reversibly reduced N- and P-type Ca2+ currents. Inhibition of PKA antagonized this modulation, as did inhibition of PP1, suggesting that the D1 effect was mediated by a PKA enhancement of PP1 activity directed toward Ca2+ channels. In a subset of neurons, D1 receptor-mediated activation of PKA enhanced L-type currents. The differential regulation of HVA currents by the D1 pathway helps to explain the diversity of effects this pathway has on synaptic integration and plasticity in medium spiny neurons.

Receptor channels activated by glutamate, an excitatory neurotransmitter in the mammalian brain, are involved in processes such as long-term potentiation and excitotoxicity. Studies of glutamate receptor channels expressed in cultured hippocampal pyramidal neurons reveal that these channels are subject to neuromodulatory regulation through the adenylate cyclase cascade. The whole-cell current response to glutamate and kainate [a non-NMDA (N-methyl-D-aspartate) receptor agonist] was enhanced by forskolin, an activator of adenylate cyclase. Single-channel analysis revealed that an adenosine 3',5'-monophosphate-dependent protein kinase (PKA) increases the opening frequency and the mean open time of the non-NMDA-type glutamate receptor channels. Analysis of synaptic events indicated that forskolin, acting through PKA, increased the amplitude and decay time of spontaneous excitatory postsynaptic currents.