Abstract Microglia, as brain-resident macrophages, play critical roles in brain development, homeostasis, and disease. Microglia in animal models cannot accurately model the properties of human microglia due to notable transcriptomic and functional differences between human and other animal microglia. Efficient generation of microglia from human pluripotent stem cells (hPSCs) provides unprecedented opportunities to study the function and behavior of human microglia. Particularly, incorporating hPSCs-derived microglia into brain organoids facilitates their development in a 3-dimensional context, mimicking the brain environment. However, an optimized method that integrates an appropriate amount of microglia into brain organoids at a proper time point, resembling in vivo brain development, is still lacking. Here, we report the development of a new brain region-specific, microglia-containing organoid model by co-culturing hPSCs-derived primitive neural progenitor cells (pNPCs) and primitive macrophage progenitors (PMPs). In these organoids, hPSCs-derived pNPCs and PMPs interact with each other and develop into functional neurons, astroglia, and microglia, respectively. Importantly, the numbers of human microglia in the organoids can be controlled, resulting in a cell type ratio similar to that seen in the human brain. Using super-resolution microscopy, we demonstrate that these human microglia are able to phagocytize neural progenitor cells (NPCs) and apoptotic cells, as well as to prune synapses at different developmental stages of the organoids. Furthermore, these human microglia respond to Zika virus infection of the organoids, as indicated by amoeboid-like morphology, increased expression of gene transcripts encoding inflammatory cytokines, and excessive pruning of synaptic materials. Together, our findings establish a new microglia-containing brain organoid model that will serve to study human microglial function in a variety of neurological disorders.

Abstract Animal behavior usually has a hierarchical structure and dynamics. Therefore, to understand how the neural system coordinates with behaviors, neuroscientists need a quantitative description of the hierarchical dynamics of different behaviors. However, the recent end-to-end machine-learning-based methods for behavior analysis mostly focus on recognizing behavioral identities on a static timescale or based on limited observations. These approaches usually lose rich dynamic information on cross-scale behaviors. Inspired by the natural structure of animal behaviors, we addressed this challenge by proposing a novel parallel and multi-layered framework to learn the hierarchical dynamics and generate an objective metric to map the behavior into the feature space. In addition, we characterized the animal 3D kinematics with our low-cost and efficient multi-view 3D animal motion-capture system. Finally, we demonstrated that this framework could monitor spontaneous behavior and automatically identify the behavioral phenotypes of the transgenic animal disease model. The extensive experiment results suggest that our framework has a wide range of applications, including animal disease model phenotyping and the relationships modeling between the neural circuits and behavior.

Microglia, the brain-resident macrophages, exhibit highly dynamic functions in neurodevelopment and neurodegeneration. Human microglia possess unique features as compared to mouse microglia, but our understanding of human microglial functions is largely limited by an inability to obtain human microglia under homeostatic states. We developed a human pluripotent stem cell (hPSC)-based microglial chimeric mouse brain model by transplanting hPSC-derived primitive macrophage precursors into neonatal mouse brains. The engrafted human microglia widely disperse in the brain and replace mouse microglia in corpus callosum at 6 months post-transplantation. Single-cell RNA-sequencing of the microglial chimeric mouse brains reveals that xenografted hPSC-derived microglia largely retain human microglial identity, as they exhibit signature gene expression patterns consistent with physiological human microglia and recapitulate heterogeneity of adult human microglia. Importantly, the engrafted hPSC-derived microglia exhibit dynamic response to cuprizone-induced demyelination and species-specific transcriptomic differences in the expression of neurological disease-risk genes in microglia. This model will serve as a novel tool to study the role of human microglia in brain development and degeneration.