Neurodevelopmental defects of the thalamocortical pathway as a convergent feature of psychiatric disorders

丘脑皮质通路的神经发育缺陷是精神疾病的共同特征

基本信息

项目摘要

PROJECT SUMMARY Brain function emerges from the activity of hundreds of neuronal types embedded within a complex network of neural circuits. Although the formation of neural circuits is guided by the emergent activity, many of the initial ‘wiring instructions’ are genetically encoded. Mutations in genes associated with neurodevelopmental psychiatric disorders may disrupt the early stages of cell type and circuit development, leading to long-lasting deficits in function. Our overarching goal is to identify the molecular and cellular mechanisms that govern neuronal cell type specification and their early connectivity preferences. Disease associated mutations serve as a discovery platform of molecular mechanisms that likely disrupt connectivity. In this project, we focus on the development of the human thalamus and early stages of thalamocortical pathway formation. Given the central role of the thalamocortical pathway in sensory, motor, and cognitive tasks, understanding its development in the human brain would be fundamental to studies modeling the consequences of mutations associated with multiple neuropsychiatric symptoms. Remarkable differences between mouse and human development of the thalamocortical pathway pose a scientific challenge for studying the impact of genetic variants on human thalamocortical pathway development, especially during its early formation. Innovations of in vitro differentiation protocols for induced pluripotent stem cells have recently enabled studies of early formation of the human thalamocortical pathway using organoids. As an exemplar, we propose to investigate thalamocortical and corticothalamic axon outgrowth in organoids derived from patients with 22q11.2 microdeletion syndrome, which is associated with schizophrenia, autism, movement disorders, developmental delays, and epilepsies. Neuroimaging studies in 22Q11 Deletion Syndrome (22Q11DS) patients have identified differences in functional thalamocortical connectivity between patients and healthy control, establishing a scientific premise for examining thalamocortical pathway development in cells with 22q11.2 microdeletion. Investigations of neurodevelopmental defects using stem cell models will be complemented by a parallel effort using a mouse model of human 22q11.2 microdeletion. We will identify molecular changes in cell fate specification of thalamic neurons, and compare axonal outgrowth phenotypes in control and cells with the 22q11.2 microdeletion. Our preliminary data implicate FOXP2 transcription factor activity in mediating thalamocortical pathway growth phenotypes in 22q11.2 DS thalamic neurons. The proposed project will establish groundwork for studying the growing list of rare genetic mutations with high effect size discovered through large scale studies of Autism, ADHD, and schizophrenia patients for their role in brain development, focusing on the development of the thalamocortical pathway.
项目摘要 大脑功能来自数百种神经元类型的活性,这些神经元类型嵌入了复杂的网络中 神经回路。尽管神经回路的形成是由紧急活动的指导,但许多初始活动 “接线说明”是基因编码的。与神经发育相关的基因突变 精神疾病可能会破坏细胞类型和电路发育的早期阶段,导致持久 功能缺陷。我们的总体目标是确定控制的分子和细胞机制 神经元细胞类型规范及其早期连通性偏好。疾病相关的突变服务 作为可能破坏连通性的分子机制的发现平台。在这个项目中,我们专注于 人丘脑的发展和丘脑皮层途径形成的早期阶段。鉴于 丘脑皮质途径在感觉,运动和认知任务中的中心作用,了解其 人脑中的发展对于研究建模突变的后果将是基础 与多种神经精神症状有关。小鼠和人之间的显着差异 丘脑皮层途径的发展提出了研究通用影响的科学挑战 关于人丘脑皮层途径发育的变体,尤其是在其早期形成期间。创新 诱导多能干细胞的体外分化方案最近已实现了早期的研究 使用类器官形成人丘脑皮层途径。作为一个典范,我们建议调查 从22q11.2的患者衍生的类器官中丘脑皮质和皮质丘脑轴突的生长 微缺失综合征与精神分裂症,自闭症,运动障碍,发育性有关 延迟和情节。 22q11缺失综合征(22q11ds)患者的神经影像学研究已经鉴定 患者与健康对照之间的功能性丘脑皮质连通性差异,建立 科学前提,用于检查具有微骨骼22q11.2细胞中丘脑皮质途径的发育。 使用干细胞模型对神经发育缺陷的研究将通过平行努力来完成 使用人类22q11.2微缺失的小鼠模型。我们将确定细胞脂肪的分子变化 丘脑神经元的规范,并比较对照和细胞中的轴突生长表型 22Q11.2微骨骼。我们的初步数据暗示FOXP2转录因子活性在介导 22q11.2 ds丘脑神经元中的丘脑皮质途径生长表型。拟议的项目将 建立研究基础,以研究发现的稀有遗传突变列表的较高效果尺寸已发现 通过对自闭症,多动症和精神分裂症患者在大脑发育中作用的大规模研究, 专注于丘脑皮层途径的发展。

项目成果

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