The corticospinal tract (CST) is the most important motor system in humans, yet robust regeneration of this projection after spinal cord injury (SCI) has not been accomplished. In murine models of SCI, we report robust corticospinal axon regeneration, functional synapse formation and improved skilled forelimb function after grafting multipotent neural progenitor cells into sites of SCI. Corticospinal regeneration requires grafts to be driven toward caudalized (spinal cord), rather than rostralized, fates. Fully mature caudalized neural grafts also support corticospinal regeneration. Moreover, corticospinal axons can emerge from neural grafts and regenerate beyond the lesion, a process that is potentially related to the attenuation of the glial scar. Rat corticospinal axons also regenerate into human donor grafts of caudal spinal cord identity. Collectively, these findings indicate that spinal cord 'replacement' with homologous neural stem cells enables robust regeneration of the corticospinal projection within and beyond spinal cord lesion sites, achieving a major unmet goal of SCI research and offering new possibilities for clinical translation.

Ultrasound has been used to non-invasively manipulate neuronal functions in humans and other animals. However, this approach is limited as it has been challenging to target specific cells within the brain or body. Here, we identify human Transient Receptor Potential A1 (hsTRPA1) as a candidate that confers ultrasound sensitivity to mammalian cells. Ultrasound-evoked gating of hsTRPA1 specifically requires its N-terminal tip region and cholesterol interactions; and target cells with an intact actin cytoskeleton, revealing elements of the sonogenetic mechanism. Next, we use calcium imaging and electrophysiology to show that hsTRPA1 potentiates ultrasound-evoked responses in primary neurons. Furthermore, unilateral expression of hsTRPA1 in mouse layer V motor cortical neurons leads to c-fos expression and contralateral limb responses in response to ultrasound delivered through an intact skull. Collectively, we demonstrate that hsTRPA1-based sonogenetics can effectively manipulate neurons within the intact mammalian brain, a method that could be used across species.

Abstract Ultrasound has been used to non-invasively manipulate neuronal functions in humans and other animals 1–4 . However, this approach is limited as it has been challenging to target specific cells within the brain or body 5–8 . Here, we identify human Transient Receptor Potential A1 ( hs TRPA1) as a candidate that confers ultrasound sensitivity to mammalian cells. Ultrasound-evoked gating of hs TRPA1 specifically requires its N-terminal tip region and cholesterol interactions; and target cells with an intact actin cytoskeleton, revealing elements of the sonogenetic mechanism. Next, we use calcium imaging and electrophysiology to show that hs TRPA1 potentiates ultrasound-evoked responses in primary neurons. Furthermore, unilateral expression of hs TRPA1 in mouse layer V motor cortical neurons leads to c-fos expression and contralateral limb responses in response to ultrasound delivered through an intact skull. Collectively, we demonstrate that hs TRPA1-based sonogenetics can effectively manipulate neurons within the intact mammalian brain, a method that could be used across species.