Abstract Self-organizing neural organoids represent a promising in vitro platform with which to model human development and disease 1–5 . However, organoids lack the connectivity that exists in vivo, which limits maturation and makes integration with other circuits that control behaviour impossible. Here we show that human stem cell-derived cortical organoids transplanted into the somatosensory cortex of newborn athymic rats develop mature cell types that integrate into sensory and motivation-related circuits. MRI reveals post-transplantation organoid growth across multiple stem cell lines and animals, whereas single-nucleus profiling shows progression of corticogenesis and the emergence of activity-dependent transcriptional programs. Indeed, transplanted cortical neurons display more complex morphological, synaptic and intrinsic membrane properties than their in vitro counterparts, which enables the discovery of defects in neurons derived from individuals with Timothy syndrome. Anatomical and functional tracings show that transplanted organoids receive thalamocortical and corticocortical inputs, and in vivo recordings of neural activity demonstrate that these inputs can produce sensory responses in human cells. Finally, cortical organoids extend axons throughout the rat brain and their optogenetic activation can drive reward-seeking behaviour. Thus, transplanted human cortical neurons mature and engage host circuits that control behaviour. We anticipate that this approach will be useful for detecting circuit-level phenotypes in patient-derived cells that cannot otherwise be uncovered.

A deletion on human chromosome 16p11.2 is associated with autism spectrum disorders. We deleted the syntenic region on mouse chromosome 7F3. MRI and high-throughput single-cell transcriptomics revealed anatomical and cellular abnormalities, particularly in cortex and striatum of juvenile mutant mice (16p11(+/-)). We found elevated numbers of striatal medium spiny neurons (MSNs) expressing the dopamine D2 receptor (Drd2(+)) and fewer dopamine-sensitive (Drd1(+)) neurons in deep layers of cortex. Electrophysiological recordings of Drd2(+) MSN revealed synaptic defects, suggesting abnormal basal ganglia circuitry function in 16p11(+/-) mice. This is further supported by behavioral experiments showing hyperactivity, circling, and deficits in movement control. Strikingly, 16p11(+/-) mice showed a complete lack of habituation reminiscent of what is observed in some autistic individuals. Our findings unveil a fundamental role of genes affected by the 16p11.2 deletion in establishing the basal ganglia circuitry and provide insights in the pathophysiology of autism.

SUMMARY Excitability—the ability to fire action potentials—is a signature feature of neurons. How neurons become excitable during development, and whether excitability is an intrinsic property of neurons or requires signaling from glial cells, remain unclear. Here we demonstrate that Schwann cells, the most abundant glia in the peripheral nervous system, promote somatosensory neuron excitability during development. We find that Schwann cells secrete prostaglandin E 2 , which is necessary and sufficient to induce developing somatosensory neurons to express normal levels of voltage-gated sodium channels and fire action potential trains. Inactivating this signaling pathway specifically in Schwann cells selectively impairs the maturation of nociceptor and proprioceptor somatosensory neuron subtypes, leading to corresponding sensory defects in thermoception, inflammatory pain, and proprioception. Our studies thus reveal a cell non-autonomous mechanism by which glia regulate neuronal excitability to enable the development of normal sensory functions.

ABSTRACT Collagen VI is a key component of muscle basement membranes, and genetic variants can cause monogenic muscular dystrophies. Conversely, human genetic studies recently implicated collagen VI in central nervous system function, with variants causing the movement disorder dystonia. To elucidate the neurophysiological role of collagen VI, we generated mice with a truncation of the dystonia-related collagen α3 (VI) (COL6A3) C-terminal domain (CTD). These Col6a3 CTT mice showed a recessive dystonia-like phenotype. We found that COL6A3 interacts with the cannabinoid receptor 1 (CB1R) complex in a CTD-dependent manner. Col6a3 CTT mice have impaired homeostasis of excitatory input to the basal pontine nuclei (BPN), a motor control hub with dense COL6A3 expression, consistent with deficient endocannabinoid signaling. Aberrant synaptic input in the BPN was normalized by a CB1R agonist, and motor performance in Col6a3 CTT mice was improved by CB1R agonist treatment. Our findings identify a readily therapeutically addressable synaptic mechanism for motor control. SIGNIFICANCE STATEMENT Dystonia is a movement disorder characterized by involuntary movements. We previously identified genetic variants affecting a specific domain of the COL6A3 protein as a cause of dystonia. Here, we we created mice lacking the affected domain and observed an analogous movement disorder. Using a protein interaction screen, we found that the affected COL6A3 domain mediates an interaction with the cannabinoid receptor CB1R. Concordantly, our COL6A3-deficient mice showed a deficit in synaptic plasticity linked to a deficit in cannabinoid signaling. Pharmacological cannabinoid augmentation rescued the motor impairment of the mice. Thus, cannabinoid augmentation could be a promising avenue for treating dystonia, and we have identified a possible molecular mechanism mediating this.

Electrical excitability-the ability to fire and propagate action potentials-is a signature feature of neurons. How neurons become excitable during development and whether excitability is an intrinsic property of neurons remain unclear. Here, we demonstrate that Schwann cells, the most abundant glia in the peripheral nervous system, promote somatosensory neuron excitability during development. We find that Schwann cells secrete prostaglandin E