ABSTRACT Background Calcium imaging is a powerful technique for recording cellular activity across large populations of neurons. However, analysis methods capable of single-cell resolution in cultured neurons, especially for cultures derived from human induced pluripotent stem cells (hiPSCs), are lacking. Existing methods lack scalability to accommodate high-throughput comparisons between multiple lines, across developmental timepoints, or across pharmacological manipulations. Results We developed a scalable, automated Ca 2+ imaging analysis pipeline called CaPTure ( https://github.com/LieberInstitute/CaPTure ). This method detects neurons, classifies and quantifies spontaneous activity, quantifies synchrony metrics, and generates cell- and network-specific metrics that facilitate phenotypic discovery. The method is compatible with parallel processing on computing clusters without requiring significant user input or parameter modification. Conclusion CaPTure allows for rapid assessment of neuronal activity in cultured cells at cellular resolution, rendering it amenable to high-throughput screening and phenotypic discovery. The platform can be applied to both human- and rodent-derived neurons and is compatible with many imaging systems.

Abstract Neurons derived from human induced pluripotent stem cells (hiPSCs) have been used to model basic cellular aspects of neuropsychiatric disorders, but the relationship between the emergent phenotypes and the clinical characteristics of donor individuals has been unclear. We analyzed RNA expression and indices of cellular function in hiPSC-derived neural progenitors and cortical neurons generated from 13 individuals with high polygenic risk scores (PRS) for schizophrenia and a clinical diagnosis of schizophrenia, along with 15 neurotypical individuals with low PRS. We identified electrophysiological measures associated with diagnosis that implicated altered Na + channel function and GABA-ergic neurotransmission. Importantly, electrophysiological measures predicted cardinal clinical and cognitive features found in these schizophrenia patients. The identification of basic neuronal physiological properties related to core clinical characteristics of illness is a potentially critical step in generating leads for novel therapeutics.

Abstract Pitt-Hopkins syndrome (PTHS) is an autism spectrum disorder (ASD) caused by autosomal dominant mutations in the Transcription Factor 4 gene ( TCF4 ). One pathobiological process caused by Tcf4 mutation is a cell autonomous reduction in oligodendrocytes (OLs) and myelination. In this study, we show that clemastine is effective at restoring myelination defects in a PTHS mouse model. In vitro, clemastine treatment reduced excess oligodendrocyte precursor cells (OPCs) and normalized OL density. In vivo, two-week intraperitoneal administration of clemastine also normalized OPC and OL density in the cortex of Tcf4 mutant mice and appeared to increase the number of axons undergoing myelination, as EM imaging of the corpus callosum showed a significant increase in uncompacted myelin. Importantly, this treatment paradigm resulted in functional rescue by improving electrophysiology and behavior. Together, these results provide preclinical evidence that remyelination therapies may be beneficial in PTHS and potentially other neurodevelopmental disorders characterized by demyelination.

Abstract Pitt Hopkins Syndrome (PTHS) is a rare syndromic form of autism spectrum disorder (ASD) caused by autosomal dominant mutations in the Transcription Factor 4 ( TCF4 ) gene. TCF4 is a basic helix-loop-helix transcription factor that is critical for neurodevelopment and brain function through its binding to cis-regulatory elements of target genes. One potential therapeutic strategy for PTHS is to identify dysregulated target genes and normalize their dysfunction. Here, we propose that SCN10A is an important target gene of TCF4 that is an applicable therapeutic approach for PTHS. Scn10a encodes the voltage-gated sodium channel Na v 1.8 and is consistently shown to be upregulated in PTHS mouse models. In this perspective, we review prior literature and present novel data that suggests inhibiting Na v 1.8 in PTHS mouse models is effective at normalizing neuron function, brain circuit activity and behavioral abnormalities and posit this therapeutic approach as a treatment for PTHS.

Abstract RNA-sequencing studies of brain tissue homogenates have shed light on the molecular processes underlying schizophrenia (SCZ) but lack biological granularity at the cell type level. Laser capture microdissection (LCM) can isolate selective cell populations with intact cell bodies to allow complementary gene expression analyses of mRNA and protein. We used LCM to collect excitatory neuron-enriched samples from CA1 and subiculum (SUB) of the hippocampus and layer III of the dorsolateral prefrontal cortex (DLPFC), from which we generated gene, transcript, and peptide level data. In a machine learning framework, LCM-derived expression achieved superior regional identity predictions as compared to bulk tissue, with further improvements when using isoform-level transcript and protein quantifications. LCM-derived co-expression also had increased co-expression strength of neuronal gene sets compared to tissue homogenates. SCZ risk co-expression pathways were identified and replicated across transcript and protein networks and were consistently enriched for glutamate receptor complex and post-synaptic functions. Finally, through inter-regional co-expression analyses, we show that CA1 to SUB transcriptomic connectivity may be altered in SCZ.