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.

Abstract Microglia have emerged as key players in the pathogenesis of neurodegenerative conditions such as Alzheimer’s disease (AD). In response to CNS stimuli, these cells adopt distinct transcriptional and functional subtypes known as states. However, an understanding of the function of these states has been elusive, especially in human microglia, due to lack of tools to model and manipulate this cell-type. Here, we provide a platform for modeling human microglia transcriptional states in vitro . Using single-cell RNA sequencing, we found that exposure of human stem-cell differentiated microglia (iMGLs) to brain-related challenges generated extensive transcriptional diversity which mapped to gene signatures identified in human brain microglia. We identified two in vitro transcriptional clusters that were analogous to human and mouse disease-associated microglia (DAMs), a state enriched in neurodegenerative disease contexts. To facilitate scalable functional analyses, we established a lentiviral approach enabling broad and highly efficient genetic transduction of microglia in vitro . Using this new technology, we demonstrated that MITF (Melanocyte Inducing Transcription Factor), an AD-enriched transcription factor in microglia, drives both a disease-associated transcriptional signature and a highly phagocytic state. Finally, we confirmed these results across iMGLs differentiated from multiple iPSC lines demonstrating the broad utility of this platform. Together, these tools provide a comprehensive resource that enables the manipulation and functional interrogation of human microglial states in both homeostatic and disease-relevant contexts.

We report a novel two-photon fluorescence microscope based on a fast-switching liquid crystal spatial light modulator and a pair of galvo-resonant scanners for large-scale recording of neural activity from the mammalian brain. The utilized imaging technique is capable of monitoring large populations of neurons spread across different layers of the neocortex in awake and behaving mice. During each imaging session, all visual stimulus driven somatic activity could be recorded in the same behavior state. We observed heterogeneous response to different types of visual stimuli from ~ 3,300 excitatory neurons reaching from layer II/III to V of the striate cortex.

Vasoactive intestinal peptide-expressing (VIP) interneurons in cortex regulate feedback inhibition of pyramidal neurons through suppression of somatostatin-expressing (SST) interneurons and, reciprocally, SST neurons inhibit VIP neurons. Here, we show that VIP neurons in mouse primary visual cortex have complementary contrast tuning to SST neurons and respond synergistically to front-to-back visual motion and locomotion. Network modeling indicates that this VIP-SST mutual antagonism regulates the gain of cortex to achieve both sensitivity to behaviorally-relevant stimuli and network stability.

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 neural activity in the awake mouse visual cortex: the Allen Brain Observatory Visual Coding dataset. This publicly available dataset includes cortical activity from nearly 60,000 neurons collected from 6 visual areas, 4 layers, and 12 transgenic mouse lines from 221 adult mice, in response to a systematic set of visual stimuli. Using this dataset, we reveal functional differences across these dimensions and show that visual cortical responses are sparse but correlated. Surprisingly, responses to different stimuli are largely independent, e.g. whether a neuron responds to natural scenes provides no information about whether it responds to natural movies or to gratings. We show that these phenomena cannot be explained by standard local filter-based models, but are consistent with multi-layer hierarchical computation, as found in deeper layers of standard convolutional neural networks.

The fact that only symptomatic therapies of small effect are available for Alzheimer's disease (AD) today highlights the need for new therapeutic targets with which to prevent a major contributor to aging-related cognitive decline. Here, we report the construction and validation of a molecular network of the aging human frontal cortex. Using RNA sequence data from 478 individuals, we first identify the role of modules of coexpressed genes, and then confirm them in independent AD datasets. Then, we prioritize influential genes in AD-related modules and test our predictions in human model systems. We functionally validate two putative regulator genes in human astrocytes: INPPL1 and PLXNB1, whose activity in AD may be related to semaphorin signalling and type II diabetes, which have both been implicated in AD. This arc of network identification followed by statistical and experimental validation provides specific new targets for therapeutic development and illustrates a network approach to a complex disease.

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.