The neocortex contains a multitude of cell types that are segregated into layers and functionally distinct areas. To investigate the diversity of cell types across the mouse neocortex, here we analysed 23,822 cells from two areas at distant poles of the mouse neocortex: the primary visual cortex and the anterior lateral motor cortex. We define 133 transcriptomic cell types by deep, single-cell RNA sequencing. Nearly all types of GABA (γ-aminobutyric acid)-containing neurons are shared across both areas, whereas most types of glutamatergic neurons were found in one of the two areas. By combining single-cell RNA sequencing and retrograde labelling, we match transcriptomic types of glutamatergic neurons to their long-range projection specificity. Our study establishes a combined transcriptomic and projectional taxonomy of cortical cell types from functionally distinct areas of the adult mouse cortex. Single-cell transcriptomics of more than 20,000 cells from two functionally distinct areas of the mouse neocortex identifies 133 transcriptomic types, and provides a foundation for understanding the diversity of cortical cell types.

Modern genetic approaches are powerful in providing access to diverse cell types in the brain and facilitating the study of their function. Here, we report a large set of driver and reporter transgenic mouse lines, including 23 new driver lines targeting a variety of cortical and subcortical cell populations and 26 new reporter lines expressing an array of molecular tools. In particular, we describe the TIGRE2.0 transgenic platform and introduce Cre-dependent reporter lines that enable optical physiology, optogenetics, and sparse labeling of genetically defined cell populations. TIGRE2.0 reporters broke the barrier in transgene expression level of single-copy targeted-insertion transgenesis in a wide range of neuronal types, along with additional advantage of a simplified breeding strategy compared to our first-generation TIGRE lines. These novel transgenic lines greatly expand the repertoire of high-precision genetic tools available to effectively identify, monitor, and manipulate distinct cell types in the mouse brain.

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 Dendritic and axonal morphology reflects the input and output of neurons and is a defining feature of neuronal types 1,2 , yet our knowledge of its diversity remains limited. Here, to systematically examine complete single-neuron morphologies on a brain-wide scale, we established a pipeline encompassing sparse labelling, whole-brain imaging, reconstruction, registration and analysis. We fully reconstructed 1,741 neurons from cortex, claustrum, thalamus, striatum and other brain regions in mice. We identified 11 major projection neuron types with distinct morphological features and corresponding transcriptomic identities. Extensive projectional diversity was found within each of these major types, on the basis of which some types were clustered into more refined subtypes. This diversity follows a set of generalizable principles that govern long-range axonal projections at different levels, including molecular correspondence, divergent or convergent projection, axon termination pattern, regional specificity, topography, and individual cell variability. Although clear concordance with transcriptomic profiles is evident at the level of major projection type, fine-grained morphological diversity often does not readily correlate with transcriptomic subtypes derived from unsupervised clustering, highlighting the need for single-cell cross-modality studies. Overall, our study demonstrates the crucial need for quantitative description of complete single-cell anatomy in cell-type classification, as single-cell morphological diversity reveals a plethora of ways in which different cell types and their individual members may contribute to the configuration and function of their respective circuits.

Transgenic mouse lines are invaluable tools for neuroscience but, as with any technique, care must be taken to ensure that the tool itself does not unduly affect the system under study. Here we report aberrant electrical activity, similar to interictal spikes, and accompanying fluorescence events in some genotypes of transgenic mice expressing GCaMP6 genetically encoded calcium sensors. These epileptiform events have been observed particularly, but not exclusively, in mice with Emx1-Cre and Ai93 transgenes, of either sex, across multiple laboratories. The events occur at >0.1 Hz, are very large in amplitude (>1.0 mV local field potentials, >10% df/f widefield imaging signals), and typically cover large regions of cortex. Many properties of neuronal responses and behavior seem normal despite these events, although rare subjects exhibit overt generalized seizures. The underlying mechanisms of this phenomenon remain unclear, but we speculate about possible causes on the basis of diverse observations. We encourage researchers to be aware of these activity patterns while interpreting neuronal recordings from affected mouse lines and when considering which lines to study.

ABSTRACT We report the generation of a multimodal cell census and atlas of the mammalian primary motor cortex (MOp or M1) as the initial product of the BRAIN Initiative Cell Census Network (BICCN). This was achieved by coordinated large-scale analyses of single-cell transcriptomes, chromatin accessibility, DNA methylomes, spatially resolved single-cell transcriptomes, morphological and electrophysiological properties, and cellular resolution input-output mapping, integrated through cross-modal computational analysis. Together, our results advance the collective knowledge and understanding of brain cell type organization: First, our study reveals a unified molecular genetic landscape of cortical cell types that congruently integrates their transcriptome, open chromatin and DNA methylation maps. Second, cross-species analysis achieves a unified taxonomy of transcriptomic types and their hierarchical organization that are conserved from mouse to marmoset and human. Third, cross-modal analysis provides compelling evidence for the epigenomic, transcriptomic, and gene regulatory basis of neuronal phenotypes such as their physiological and anatomical properties, demonstrating the biological validity and genomic underpinning of neuron types and subtypes. Fourth, in situ single-cell transcriptomics provides a spatially-resolved cell type atlas of the motor cortex. Fifth, integrated transcriptomic, epigenomic and anatomical analyses reveal the correspondence between neural circuits and transcriptomic cell types. We further present an extensive genetic toolset for targeting and fate mapping glutamatergic projection neuron types toward linking their developmental trajectory to their circuit function. Together, our results establish a unified and mechanistic framework of neuronal cell type organization that integrates multi-layered molecular genetic and spatial information with multi-faceted phenotypic properties.

Abstract To elucidate cortical microcircuit structure and synaptic properties we present a unique, extensive, and public synaptic physiology dataset and analysis platform. Through its application, we reveal principles that relate cell type to synapse properties and intralaminar circuit organization in the mouse and human cortex. The dynamics of excitatory synapses align with the postsynaptic cell subclass, whereas inhibitory synapse dynamics partly align with presynaptic cell subclass but with considerable overlap. Despite these associations, synaptic properties are heterogeneous in most subclass to subclass connections. The two main axes of heterogeneity are strength and variability. Cell subclasses divide along the variability axis, while the strength axis accounts for significant heterogeneity within the subclass. In human cortex, excitatory to excitatory synapse dynamics are distinct from those in mouse and short-term plasticity varies with depth across layers 2 and 3. With a novel connectivity analysis that enables fair comparisons between circuit elements, we find that intralaminar connection probability among cell subclasses exhibits a strong layer dependence.These and other findings combined with the analysis platform create new opportunities for the neuroscience community to advance our understanding of cortical microcircuits.

Transgenic mouse lines are invaluable tools for neuroscience but as with any technique, care must be taken to ensure that the tool itself does not unduly affect the system under study. Here we report aberrant electrical activity, similar to interictal spikes, and accompanying fluorescence events in some genotypes of transgenic mice expressing GCaMP6 genetically-encoded calcium sensors. These epileptiform events have been observed particularly, but not exclusively, in mice with Emx1-Cre and Ai93 transgenes, across multiple laboratories. The events occur at >0.1 Hz, are very large in amplitude (>1.0 mV local field potentials, >10% df/f widefield imaging signals), and typically cover large regions of cortex. Many properties of neuronal responses and behavior seem normal despite these events, though rare subjects exhibit overt generalized seizures. The underlying mechanisms of this phenomenon remain unclear, but we speculate about possible causes on the basis of diverse observations. We encourage researchers to be aware of these activity patterns while interpreting neuronal recordings from affected mouse lines and when considering which lines to study.

The rapid pace of cell type identification by new single-cell analysis methods has not been met with efficient experimental access to the newly discovered types. To enable flexible and efficient access to specific neural populations in the mouse cortex, we collected chromatin accessibility data from individual cells and clustered the single-cell data to identify enhancers specific for cell classes and subclasses. When cloned into adeno-associated viruses (AAVs) and delivered to the brain by retro-orbital injections, these enhancers drive transgene expression in specific cell subclasses in the cortex. We characterize several enhancer viruses in detail to show that they result in labeling of different projection neuron subclasses in mouse cortex, and that one of them can be used to label the homologous projection neuron subclass in human cortical slices. To enable the combinatorial labeling of more than one cell type by enhancer viruses, we developed a three-color Cre-, Flp- and Nigri- recombinase dependent reporter mouse line, Ai213. The delivery of three enhancer viruses driving these recombinases via a single retroorbital injection into a single Ai213 transgenic mouse results in labeling of three different neuronal classes/subclasses in the same brain tissue. This approach combines unprecedented flexibility with specificity for investigation of cell types in the mouse brain and beyond.### Competing Interest StatementThe authors have declared no competing interest.

Ever since the seminal findings of Ramon y Cajal, dendritic and axonal morphology has been recognized as a defining feature of neuronal types and their connectivity. Yet our knowledge about the diversity of neuronal morphology, in particular its distant axonal projections, is still extremely limited. To systematically obtain single neuron full morphology on a brain-wide scale in mice, we established a pipeline that encompasses five major components: sparse labeling, whole-brain imaging, reconstruction, registration, and classification. We achieved sparse, robust and consistent fluorescent labeling of a wide range of neuronal types across the mouse brain in an efficient way by combining transgenic or viral Cre delivery with novel transgenic reporter lines, and generated a large set of high-resolution whole-brain fluorescent imaging datasets containing thousands of reconstructable neurons using the fluorescence micro-optical sectioning tomography (fMOST) system. We developed a set of software tools based on the visualization and analysis suite, Vaa3D, for large-volume image data processing and computation-assisted morphological reconstruction. In a proof-of-principle case, we reconstructed full morphologies of 96 neurons from the claustrum and cortex that belong to a single transcriptomically-defined neuronal subclass. We developed a data-driven clustering approach to classify them into multiple morphological and projection types, suggesting that these neurons work in a targeted and coordinated manner to process cortical information. Imaging data and the new computational reconstruction tools are publicly available to enable community-based efforts towards large-scale full morphology reconstruction of neurons throughout the entire mouse brain.