Responsible for perception, integration of sensory information, cognitive function, motor control, and consciousness, the complex, yet highly organized, six-layered mammalian neocortex contains distinct classes of neurons. Specific subtypes of cortical projection neurons are selectively vulnerable in distinct neurodegenerative, developmental, and acquired diseases of the central nervous system (CNS), resulting in irreversible functional deficits. Evidence for the existence of progenitors in restricted regions of the adult brain, and integration of new neurons into preexisting neural circuitry, support the feasibility of cellular repair in the CNS. However, functional repair of diseased or injured neuronal circuitry requires detailed understanding of molecular controls over development of neuronal lineages, and manipulation of these controls in progenitors to direct the differentiation of functional neurons with appropriate identity, maturity and circuit connectivity. In this study, I target endogenous cortical progenitors present in postnatal and adult brain to direct their differentiation into corticofugal projection neurons. Application of a select combination of central and complementary transcriptional controls, Ngn2, VP16:Olig2 and Fezf2, in cultured cortical Sox6+/NG2+ progenitors directs acquisition of cardinal morphological, molecular, and electrophysiological features of corticofugal projection neurons. These findings demonstrate the feasibility of achieving subtype-specific differentiation of cortical projection neurons from a widely distributed in vivo neocortical progenitor population. Further, in the framework of this thesis, I describe the ongoing effort to identify key molecular controls over development, diversity and connectivity of corticostriatal projection neurons, which would serve as a solid step toward achieving a holistic view of the establishment of corticostriatal circuitry and its potential dysgenesis in disease.

Algı, duyusal bilginin entegrasyonu, bilişsel işlevler, hareket kontrolü ve bilinçten sorumlu olan neokorteks, çok karmaşık olmasıyla birlikte son derece organize altı katmanlı yapısıyla birbirinden çok farklı nöron grupları içerir. Kortikal projeksiyon nöronlarının belirli alt-tipleri merkezi sinir sisteminin birçok nörodejeneratif, gelişimsel ve edinilmiş hastalıklarında seçici olarak zarar görerek beyinde kalıcı hasar bırakırlar. Yetişkin beyninin sınırlı bölgelerinde öncül hücrelerin varlığı ve bu öncül hücrelerden oluşan yeni nöronların mevcut sinir ağlarına entegrasyonu, merkezi sinir sisteminin hücresel tamirinin uygulanabilir bir yöntem olduğunu desteklemektedir. Bununla birlikte yaralanma ve hastalıklar dolayısıyla zarar gören sinir ağlarının işlevsel tamiri, özellikle farklı nöron gruplarının erken gelişimlerini düzenleyen moleküler kontrolleri derinlikli olarak anlamayı ve bunları öncül hücrelerde etkinleştirerek özgün kimlikleri olan olgunlaşmış ve sinir ağlarına bağlantı yapma kapasitesi olan işlevsel nöronlar oluşturmayı gerektirir. Bu tez çerçevesinde, postnatal ve yetişkin beyninde bulunan kortikal öncül hücrelerin kortikospinal projeksiyon nöronları da kapsayan kortikofugal projeksiyon nöronlara deneysel olarak dönüştürülmesi üzerinde çalıştım. Özgün seçilmiş merkezi ve birbirini tamamlayıcı bir dizi transkripsiyon kontrolünün (Ngn2, VP16: Olig2 ve Fezf2), kültürdeki kortikal Sox6+/NG2+ öncül hücrelere uygulanması, bunların kortikofugal hücrelerin çok önemli morfolojik, moleküler ve elektrofizyolojik özelliklerini kazanmasını sağlamaktadır. Bu bulgular, neokortekste yaygın olarak bulunan öncül hücrelerin belirli kimlikleri ve özgün alt-tipleri olan kortikal projeksiyon nöronlara dönüştürülebilir olduğunu göstermektedir. Ayrıca, bu tez çerçevesinde, kortikostriatal projeksiyon nöronların gelişimi, çeşitliliği ve mevcut sinir ağlarına bağlantı kapasitelerini oluşturmak için gerekli ana moleküler kontrol mekanizmaları üzerinde süregelen çalışmalarımı da anlatıyorum. Bu bulgular kortikostriatal sinir ağlarının oluşumu ve hastalık durumunda olası disgenezine bütüncül olarak bakabilmek için sağlam bir zemin oluşturacaktır.