New neurons continue to be generated in the subgranular zone of the dentate gyrus of the adult mammalian hippocampus. This process has been linked to learning and memory, stress and exercise, and is thought to be altered in neurological disease. In humans, some studies have suggested that hundreds of new neurons are added to the adult dentate gyrus every day, whereas other studies find many fewer putative new neurons. Despite these discrepancies, it is generally believed that the adult human hippocampus continues to generate new neurons. Here we show that a defined population of progenitor cells does not coalesce in the subgranular zone during human fetal or postnatal development. We also find that the number of proliferating progenitors and young neurons in the dentate gyrus declines sharply during the first year of life and only a few isolated young neurons are observed by 7 and 13 years of age. In adult patients with epilepsy and healthy adults (18-77 years; n = 17 post-mortem samples from controls; n = 12 surgical resection samples from patients with epilepsy), young neurons were not detected in the dentate gyrus. In the monkey (Macaca mulatta) hippocampus, proliferation of neurons in the subgranular zone was found in early postnatal life, but this diminished during juvenile development as neurogenesis decreased. We conclude that recruitment of young neurons to the primate hippocampus decreases rapidly during the first years of life, and that neurogenesis in the dentate gyrus does not continue, or is extremely rare, in adult humans. The early decline in hippocampal neurogenesis raises questions about how the function of the dentate gyrus differs between humans and other species in which adult hippocampal neurogenesis is preserved.

In many applications, one is interested in determining which of the properties of a network module change across conditions. For example, to validate the existence of a module, it is desirable to show that it is reproducible (or preserved) in an independent test network. Here we study several types of network preservation statistics that do not require a module assignment in the test network. We distinguish network preservation statistics by the type of the underlying network. Some preservation statistics are defined for a general network (defined by an adjacency matrix) while others are only defined for a correlation network (constructed on the basis of pairwise correlations between numeric variables). Our applications show that the correlation structure facilitates the definition of particularly powerful module preservation statistics. We illustrate that evaluating module preservation is in general different from evaluating cluster preservation. We find that it is advantageous to aggregate multiple preservation statistics into summary preservation statistics. We illustrate the use of these methods in six gene co-expression network applications including 1) preservation of cholesterol biosynthesis pathway in mouse tissues, 2) comparison of human and chimpanzee brain networks, 3) preservation of selected KEGG pathways between human and chimpanzee brain networks, 4) sex differences in human cortical networks, 5) sex differences in mouse liver networks. While we find no evidence for sex specific modules in human cortical networks, we find that several human cortical modules are less preserved in chimpanzees. In particular, apoptosis genes are differentially co-expressed between humans and chimpanzees. Our simulation studies and applications show that module preservation statistics are useful for studying differences between the modular structure of networks. Data, R software and accompanying tutorials can be downloaded from the following webpage: http://www.genetics.ucla.edu/labs/horvath/CoexpressionNetwork/ModulePreservation.

Radial glia, the neural stem cells of the neocortex, are located in two niches: the ventricular zone and outer subventricular zone. Although outer subventricular zone radial glia may generate the majority of human cortical neurons, their molecular features remain elusive. By analyzing gene expression across single cells, we find that outer radial glia preferentially express genes related to extracellular matrix formation, migration, and stemness, including TNC, PTPRZ1, FAM107A, HOPX, and LIFR. Using dynamic imaging, immunostaining, and clonal analysis, we relate these molecular features to distinctive behaviors of outer radial glia, demonstrate the necessity of STAT3 signaling for their cell cycle progression, and establish their extensive proliferative potential. These results suggest that outer radial glia directly support the subventricular niche through local production of growth factors, potentiation of growth factor signals by extracellular matrix proteins, and activation of self-renewal pathways, thereby enabling the developmental and evolutionary expansion of the human neocortex.

The enormous complexity of the human brain ultimately derives from a finite set of molecular instructions encoded in the human genome. These instructions can be directly studied by exploring the organization of the brain's transcriptome through systematic analysis of gene coexpression relationships. We analyzed gene coexpression relationships in microarray data generated from specific human brain regions and identified modules of coexpressed genes that correspond to neurons, oligodendrocytes, astrocytes and microglia. These modules provide an initial description of the transcriptional programs that distinguish the major cell classes of the human brain and indicate that cell type-specific information can be obtained from whole brain tissue without isolating homogeneous populations of cells. Other modules corresponded to additional cell types, organelles, synaptic function, gender differences and the subventricular neurogenic niche. We found that subventricular zone astrocytes, which are thought to function as neural stem cells in adults, have a distinct gene expression pattern relative to protoplasmic astrocytes. Our findings provide a new foundation for neurogenetic inquiries by revealing a robust and previously unrecognized organization to the human brain transcriptome.

Microglia maintain homeostasis in the brain, but whether aberrant microglial activation can cause neurodegeneration remains controversial. Here, we use transcriptome profiling to demonstrate that deficiency in frontotemporal dementia (FTD) gene progranulin (Grn) leads to an age-dependent, progressive upregulation of lysosomal and innate immunity genes, increased complement production, and enhanced synaptic pruning in microglia. During aging, Grn−/− mice show profound microglia infiltration and preferential elimination of inhibitory synapses in the ventral thalamus, which lead to hyperexcitability in the thalamocortical circuits and obsessive-compulsive disorder (OCD)-like grooming behaviors. Remarkably, deleting C1qa gene significantly reduces synaptic pruning by Grn−/− microglia and mitigates neurodegeneration, behavioral phenotypes, and premature mortality in Grn−/− mice. Together, our results uncover a previously unrecognized role of progranulin in suppressing aberrant microglia activation during aging. These results represent an important conceptual advance that complement activation and microglia-mediated synaptic pruning are major drivers, rather than consequences, of neurodegeneration caused by progranulin deficiency.

Comparisons of gene expression between human and non-human primate brains have identified hundreds of differentially expressed genes, yet translating these lists into key functional distinctions between species has proved difficult. Here we provide a more integrated view of human brain evolution by examining the large-scale organization of gene coexpression networks in human and chimpanzee brains. We identify modules of coexpressed genes that correspond to discrete brain regions and quantify their conservation between the species. Module conservation in cerebral cortex is significantly weaker than module conservation in subcortical brain regions, revealing a striking gradient that parallels known evolutionary hierarchies. We introduce a method for identifying species-specific network connections and demonstrate how differential network connectivity can be used to identify key drivers of evolutionary change. By integrating our results with comparative genomic sequence data and estimates of protein sequence divergence rates, we confirm a number of network predictions and validate these findings. Our results provide insights into the molecular bases of primate brain organization and demonstrate the general utility of weighted gene coexpression network analysis.

Alzheimer's disease (AD) is a debilitating neurodegenerative disorder affecting millions of elderly individuals worldwide. Advances in the genetics of AD have led to new levels of understanding and treatment opportunities. Here, we used a systems biology approach based on weighted gene coexpression network analysis to determine transcriptional networks in AD. This method permits a higher order depiction of gene expression relationships and identifies modules of coexpressed genes that are functionally related, rather than producing massive gene lists. Using this framework, we characterized the transcriptional network in AD, identifying 12 distinct modules related to synaptic and metabolic processes, immune response, and white matter, nine of which were related to disease progression. We further examined the association of gene expression changes with progression of AD and normal aging, and were able to compare functional modules of genes defined in both conditions. Two biologically relevant modules were conserved between AD and aging, one related to mitochondrial processes such as energy metabolism, and the other related to synaptic plasticity. We also identified several genes that were central, or hub, genes in both aging and AD, including the highly abundant signaling molecule 14.3.3 ζ ( YWHAZ ), whose role in AD and aging is uncharacterized. Finally, we found that presenilin 1 ( PSEN1 ) is highly coexpressed with canonical myelin proteins, suggesting a role for PSEN1 in aspects of glial-neuronal interactions related to neurodegenerative processes.

Autosomal dominant mutations of the RNA/DNA binding protein FUS are linked to familial amyotrophic lateral sclerosis (FALS); however, it is not clear how FUS mutations cause neurodegeneration. Using transgenic mice expressing a common FALS-associated FUS mutation (FUS-R521C mice), we found that mutant FUS proteins formed a stable complex with WT FUS proteins and interfered with the normal interactions between FUS and histone deacetylase 1 (HDAC1). Consequently, FUS-R521C mice exhibited evidence of DNA damage as well as profound dendritic and synaptic phenotypes in brain and spinal cord. To provide insights into these defects, we screened neural genes for nucleotide oxidation and identified brain-derived neurotrophic factor (Bdnf) as a target of FUS-R521C–associated DNA damage and RNA splicing defects in mice. Compared with WT FUS, mutant FUS-R521C proteins formed a more stable complex with Bdnf RNA in electrophoretic mobility shift assays. Stabilization of the FUS/Bdnf RNA complex contributed to Bdnf splicing defects and impaired BDNF signaling through receptor TrkB. Exogenous BDNF only partially restored dendrite phenotype in FUS-R521C neurons, suggesting that BDNF-independent mechanisms may contribute to the defects in these neurons. Indeed, RNA-seq analyses of FUS-R521C spinal cords revealed additional transcription and splicing defects in genes that regulate dendritic growth and synaptic functions. Together, our results provide insight into how gain-of-function FUS mutations affect critical neuronal functions.