Significance We have used single-cell RNA sequencing to compare human cerebral organoids and fetal neocortex. We find that, with relatively few exceptions, cells in organoid cortex-like regions use genetic programs very similar to fetal tissue to generate a structured cerebral cortex. Our study is of interest, as it shows which genetic features underlying human cortical development can be accurately studied in organoid culture systems. This is important because although cerebral organoids have great promise for modeling human neurodevelopment, the extent to which organoids recapitulate neural progenitor proliferation and differentiation networks in vivo remained unclear.

Human neurons engineered from induced pluripotent stem cells (iPSCs) through Neurogenin 2 (Ngn2) overexpression are widely used to study neuronal differentiation mechanisms and to model neurological diseases. However, the differentiation paths and heterogeneity of emerged neurons have not been fully explored. Here we used single-cell transcriptomics to dissect the cell states that emerge during Ngn2 overexpression across a time course from pluripotency to neuron functional maturation. We find a substantial molecular heterogeneity in the neuron types generated, with at least two populations that express genes associated with neurons of the peripheral nervous system. Neuron heterogeneity is observed across multiple iPSC clones and lines from different individuals. We find that neuron fate acquisition is sensitive to Ngn2 expression level and the duration of Ngn2 forced expression. Our data reveals that Ngn2 dosage can regulate neuron fate acquisition, and that Ngn2-iN heterogeneity can confound results that are sensitive to neuron type.

ABSTRACT We generated induced excitatory sensory neurons (iNeurons, iNs) from chimpanzee, bonobo and human stem cells by expressing the transcription factor neurogenin-2 (NGN2). Single cell-RNA sequencing showed that genes involved in dendrite and synapse development are expressed earlier during iNs maturation in the chimpanzee than the human cells. In accordance, during the first two weeks of differentiation, chimpanzee and bonobo iNs showed repetitive action potentials and more spontaneous excitatory activity than human iNs, and extended neurites of higher total length. However, the axons of human iNs were slightly longer at 5 weeks of differentiation. The timing of the establishment of neuronal polarity did not differ between the species. Chimpanzee, bonobo and human neurites eventually reached the same level of structural complexity. Thus, human iNs develop slower than chimpanzee and bonobo iNs and this difference in timing likely depends on functions downstream of NGN2.

Human neurons engineered from induced pluripotent stem cells (iPSCs) through Neurogenin 2 (Ngn2) overexpression are widely used to study neuronal differentiation mechanisms and to model neurological diseases. However, the differentiation paths and heterogeneity of emerged neurons have not been fully explored. Here we used single-cell transcriptomics to dissect the cell states that emerge during Ngn2 overexpression across a time course from pluripotency to neuron functional maturation. We find a substantial molecular heterogeneity in the neuron types generated, with at least two populations that express genes associated with neurons of the peripheral nervous system. Neuron heterogeneity is observed across multiple iPSC clones and lines from different individuals. We find that neuron fate acquisition is sensitive to Ngn2 expression level and the duration of Ngn2 forced expression. Our data reveals that Ngn2 dosage can regulate neuron fate acquisition, and that Ngn2-iN heterogeneity can confound results that are sensitive to neuron type.