The anatomical and functional architecture of the human brain is mainly determined by prenatal transcriptional processes. We describe an anatomically comprehensive atlas of the mid-gestational human brain, including de novo reference atlases, in situ hybridization, ultra-high-resolution magnetic resonance imaging (MRI) and microarray analysis on highly discrete laser-microdissected brain regions. In developing cerebral cortex, transcriptional differences are found between different proliferative and post-mitotic layers, wherein laminar signatures reflect cellular composition and developmental processes. Cytoarchitectural differences between human and mouse have molecular correlates, including species differences in gene expression in subplate, although surprisingly we find minimal differences between the inner and outer subventricular zones even though the outer zone is expanded in humans. Both germinal and post-mitotic cortical layers exhibit fronto-temporal gradients, with particular enrichment in the frontal lobe. Finally, many neurodevelopmental disorder and human-evolution-related genes show patterned expression, potentially underlying unique features of human cortical formation. These data provide a rich, freely-accessible resource for understanding human brain development. A spatially resolved transcriptional atlas of the mid-gestational developing human brain has been created using laser-capture microdissection and microarray technology, providing a comprehensive reference resource which also enables new hypotheses about the nature of human brain evolution and the origins of neurodevelopmental disorders. With President Barack Obama's BRAIN (Brain Research through Advancing Innovative Neurotechnologies) initiative now entering year two, this issue of Nature presents two landmark papers that mobilize 'big science' resources to the cause. Hongkui Zeng and colleagues present the first brain-wide, mesoscale connectome for a mammalian species — the laboratory mouse — based on cell-type-specific tracing of axonal projections. The wiring diagram of a complete nervous system has long been available for a small roundworm, but neuronal connectivity data for larger animals has been patchy until now. The new three-dimensional Allen Mouse Brain Connectivity Atlas is a whole-brain connectivity matrix that will provide insights into how brain regions communicate. Much of the data generated in this project will be of relevance to investigations of neural networks in humans and should help to further our understanding of human brain connectivity and its involvement in brain disorders. In a separate report Ed Lein and colleagues present a transcriptional atlas of the mid-gestational human brain at high spatial resolution, based on laser microdissection and DNA microarray technology. The structure and function of the human brain is largely determined by prenatal transcriptional processes that initiate gene expression, but our understanding of the developing brain has been limited. The new data set reveals transcriptional signatures for developmental processes associated with the massive expansion of neocortex during human evolution, and suggests new cortical germinal zones or postmitotic neurons as sites of dynamic expression for many genes associated with neurological or psychiatric disorders.

The mammalian cortex is a laminar structure containing many areas and cell types that are densely interconnected in complex ways, and for which generalizable principles of organization remain mostly unknown. Here we describe a major expansion of the Allen Mouse Brain Connectivity Atlas resource

Anatomically correct tumor genomics Glioblastoma is the most lethal form of human brain cancer. The genomic alterations and gene expression profiles characterizing this tumor type have been widely studied. Puchalski et al. created the Ivy Glioblastoma Atlas, a freely available online resource for the research community. The atlas, a collaborative effort between bioinformaticians and pathologists, maps molecular features of glioblastomas, such as transcriptional signatures, to histologically defined anatomical regions of the tumors. The relationships identified in this atlas, in conjunction with associated databases of clinical and genomic information, could provide new insights into the pathogenesis, diagnosis, and treatment of glioblastoma. Science , this issue p. 660

The anatomy of the mammalian visual system, from the retina to the neocortex, is organized hierarchically1. However, direct observation of cellular-level functional interactions across this hierarchy is lacking due to the challenge of simultaneously recording activity across numerous regions. Here we describe a large, open dataset—part of the Allen Brain Observatory2—that surveys spiking from tens of thousands of units in six cortical and two thalamic regions in the brains of mice responding to a battery of visual stimuli. Using cross-correlation analysis, we reveal that the organization of inter-area functional connectivity during visual stimulation mirrors the anatomical hierarchy from the Allen Mouse Brain Connectivity Atlas3. We find that four classical hierarchical measures—response latency, receptive-field size, phase-locking to drifting gratings and response decay timescale—are all correlated with the hierarchy. Moreover, recordings obtained during a visual task reveal that the correlation between neural activity and behavioural choice also increases along the hierarchy. Our study provides a foundation for understanding coding and signal propagation across hierarchically organized cortical and thalamic visual areas. A large, open dataset containing parallel recordings from six visual cortical and two thalamic areas of the mouse brain is presented, from which the relative timing of activity in response to visual stimuli and behaviour is used to construct a hierarchy scheme that corresponds to anatomical connectivity data.

Understanding the diversity of cell types in the brain has been an enduring challenge and requires detailed characterization of individual neurons in multiple dimensions. To systematically profile morpho-electric properties of mammalian neurons, we established a single-cell characterization pipeline using standardized patch-clamp recordings in brain slices and biocytin-based neuronal reconstructions. We built a publicly accessible online database, the Allen Cell Types Database, to display these datasets. Intrinsic physiological properties were measured from 1,938 neurons from the adult laboratory mouse visual cortex, morphological properties were measured from 461 reconstructed neurons, and 452 neurons had both measurements available. Quantitative features were used to classify neurons into distinct types using unsupervised methods. We established a taxonomy of morphologically and electrophysiologically defined cell types for this region of the cortex, with 17 electrophysiological types, 38 morphological types and 46 morpho-electric types. There was good correspondence with previously defined transcriptomic cell types and subclasses using the same transgenic mouse lines. Gouwens et al. established a morpho-electrical taxonomy of cell types for the mouse visual cortex via unsupervised clustering analysis of multiple quantitative features from 1,938 neurons available online at the Allen Cell Types Database.

The transcriptional underpinnings of brain development remain poorly understood, particularly in humans and closely related non-human primates. We describe a high-resolution transcriptional atlas of rhesus monkey (Macaca mulatta) brain development that combines dense temporal sampling of prenatal and postnatal periods with fine anatomical division of cortical and subcortical regions associated with human neuropsychiatric disease. Gene expression changes more rapidly before birth, both in progenitor cells and maturing neurons. Cortical layers and areas acquire adult-like molecular profiles surprisingly late in postnatal development. Disparate cell populations exhibit distinct developmental timing of gene expression, but also unexpected synchrony of processes underlying neural circuit construction including cell projection and adhesion. Candidate risk genes for neurodevelopmental disorders including primary microcephaly, autism spectrum disorder, intellectual disability, and schizophrenia show disease-specific spatiotemporal enrichment within developing neocortex. Human developmental expression trajectories are more similar to monkey than rodent, although approximately 9% of genes show human-specific regulation with evidence for prolonged maturation or neoteny compared to monkey. A high-resolution gene expression atlas of prenatal and postnatal brain development of rhesus monkey charts global transcriptional dynamics in relation to brain maturation, while comparative analysis reveals human-specific gene trajectories; candidate risk genes associated with human neurodevelopmental disorders tend to be co-expressed in disease-specific patterns in the developing monkey neocortex. Following the publication of the mouse and human brain gene expression atlases in recent years, Ed Lein and colleagues now present a high-resolution transcriptional atlas of pre- and post-natal brain development for the rhesus monkey — the dominant non-human primate model for human brain development and disease. The data charts global transcriptional dynamics in relation to brain maturation, while comparative analysis reveals human-specific gene trajectories; candidate risk genes associated with human neurodevelopmental disorders tend to be co-expressed in disease-specific patterns in the developing monkey neocortex.

Detailed anatomical understanding of the human brain is essential for unraveling its functional architecture, yet current reference atlases have major limitations such as lack of whole-brain coverage, relatively low image resolution, and sparse structural annotation. We present the first digital human brain atlas to incorporate neuroimaging, high-resolution histology, and chemoarchitecture across a complete adult female brain, consisting of magnetic resonance imaging (MRI), diffusion-weighted imaging (DWI), and 1,356 large-format cellular resolution (1 µm/pixel) Nissl and immunohistochemistry anatomical plates. The atlas is comprehensively annotated for 862 structures, including 117 white matter tracts and several novel cyto- and chemoarchitecturally defined structures, and these annotations were transferred onto the matching MRI dataset. Neocortical delineations were done for sulci, gyri, and modified Brodmann areas to link macroscopic anatomical and microscopic cytoarchitectural parcellations. Correlated neuroimaging and histological structural delineation allowed fine feature identification in MRI data and subsequent structural identification in MRI data from other brains. This interactive online digital atlas is integrated with existing Allen Institute for Brain Science gene expression atlases and is publicly accessible as a resource for the neuroscience community. J. Comp. Neurol. 524:3127-3481, 2016. © 2016 The Authors The Journal of Comparative Neurology Published by Wiley Periodicals, Inc.

To understand how the brain processes sensory information to guide behavior, we must know how stimulus representations are transformed throughout the visual cortex. Here we report an open, large-scale physiological survey of activity in the awake mouse visual cortex: the Allen Brain Observatory Visual Coding dataset. This publicly available dataset includes the cortical activity of nearly 60,000 neurons from six visual areas, four layers, and 12 transgenic mouse lines in a total of 243 adult mice, in response to a systematic set of visual stimuli. We classify neurons on the basis of joint reliabilities to multiple stimuli and validate this functional classification with models of visual responses. While most classes are characterized by responses to specific subsets of the stimuli, the largest class is not reliably responsive to any of the stimuli and becomes progressively larger in higher visual areas. These classes reveal a functional organization wherein putative dorsal areas show specialization for visual motion signals. By comparing neural responses to diverse visual stimuli measured with a standardized two-photon imaging pipeline, the authors reveal response specializations within the mouse visual cortex.

Abstract The mammalian cortex is a laminar structure composed of many cell types densely interconnected in complex ways. Recent systematic efforts to map the mouse mesoscale connectome provide comprehensive projection data on interareal connections, but not at the level of specific cell classes or layers within cortical areas. We present here a significant expansion of the Allen Mouse Brain Connectivity Atlas, with ∼1,000 new axonal projection mapping experiments across nearly all isocortical areas in 49 Cre driver lines. Using 13 lines selective for cortical layer-specific projection neuron classes, we identify the differential contribution of each layer/class to the overall intracortical connectivity patterns. We find layer 5 (L5) projection neurons account for essentially all intracortical outputs. L2/3, L4, and L6 neurons contact a subset of the L5 cortical targets. We also describe the most common axon lamination patterns in cortical targets. Most patterns are consistent with previous anatomical rules used to determine hierarchical position between cortical areas (feedforward, feedback), with notable exceptions. While diverse target lamination patterns arise from every source layer/class, L2/3 and L4 neurons are primarily associated with feedforward type projection patterns and L6 with feedback. L5 has both feedforward and feedback projection patterns. Finally, network analyses revealed a modular organization of the intracortical connectome. By labeling interareal and intermodule connections as feedforward or feedback, we present an integrated view of the intracortical connectome as a hierarchical network.

Abstract Scientists have long conjectured that the neocortex learns the structure of the environment in a predictive, hierarchical manner. According to this conjecture, expected, predictable features are differentiated from unexpected ones by comparing bottom-up and top-down streams of information. It is theorized that the neocortex then changes the representation of incoming stimuli, guided by differences in the responses to expected and unexpected events. In line with this conjecture, different responses to expected and unexpected sensory features have been observed in spiking and somatic calcium events. However, it remains unknown whether these unexpected event signals occur in the distal apical dendrites where many top-down signals are received, and whether these signals govern subsequent changes in the brain’s stimulus representations. Here, we show that both somata and distal apical dendrites of cortical pyramidal neurons exhibit distinct unexpected event signals that systematically change over days. These findings were obtained by tracking the responses of individual somata and dendritic branches of layer 2/3 and layer 5 pyramidal neurons over multiple days in primary visual cortex of awake, behaving mice using two-photon calcium imaging. Many neurons in both layers 2/3 and 5 showed large differences between their responses to expected and unexpected events. Interestingly, these responses evolved in opposite directions in the somata and distal apical dendrites. These differences between the somata and distal apical dendrites may be important for hierarchical computation, given that these two compartments tend to receive bottom-up and top-down information, respectively.