The human brain directs a wide range of complex behaviors ranging from fine motor skills to abstract intelligence and emotion. However, the diversity of cell types that support these skills has not been fully described. Here we used high-throughput single-nucleus RNA sequencing to systematically survey cells across the entire adult human brain in three postmortem donors. We sampled over three million nuclei from approximately 100 dissections across the forebrain, midbrain, and hindbrain. Our analysis identified 461 clusters and 3313 subclusters organized largely according to developmental origins. We found area-specific cortical neurons, as well as an unexpectedly high diversity of midbrain and hindbrain neurons. Astrocytes also exhibited regional diversity at multiple scales, comprising subtypes specific to the telencephalon and to more precise anatomical locations. Oligodendrocyte precursors comprised two distinct major types specific to the telencephalon and to the rest of the brain. Together, these findings demonstrate the unique cellular composition of the telencephalon with respect to all major brain cell types. As the first single-cell transcriptomic census of the entire human brain, we provide a resource for understanding the molecular diversity of the human brain in health and disease.

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 Neurons in the developing brain undergo extensive structural refinement as nascent circuits adopt their mature form 1 . This transformation is facilitated by the engulfment and degradation of excess axonal branches and inappropriate synapses by surrounding glial cells, including microglia and astrocytes 2,3 . However, the small size of phagocytic organelles and the complex, highly ramified morphology of glia has made it difficult to determine the contribution of these and other glial cell types to this process. Here, we used large scale, serial electron microscopy (ssEM) with computational volume segmentation to reconstruct the complete 3D morphologies of distinct glial types in the mouse visual cortex. Unexpectedly, we discovered that the fine processes of oligodendrocyte precursor cells (OPCs), a population of abundant, highly dynamic glial progenitors 4 , frequently surrounded terminal axon branches and included numerous phagolysosomes (PLs) containing fragments of axons and presynaptic terminals. Single- nucleus RNA sequencing indicated that cortical OPCs express key phagocytic genes, as well as neuronal transcripts, consistent with active axonal engulfment. PLs were ten times more abundant in OPCs than in microglia in P36 mice, and declined with age and lineage progression, suggesting that OPCs contribute very substantially to refinement of neuronal circuits during later phases of cortical development.

Abstract Single cell genomics is rapidly advancing our knowledge of cell phenotypic types and states. Driven by single cell/nucleus RNA sequencing (scRNA-seq) data, comprehensive atlas projects covering a wide range of organisms and tissues are currently underway. As a result, it is critical that the cell transcriptional phenotypes discovered are defined and disseminated in a consistent and concise manner. Molecular biomarkers have historically played an important role in biological research, from defining immune cell-types by surface protein expression to defining diseases by molecular drivers. Here we describe a machine learning-based marker gene selection algorithm, NS-Forest version 2.0, which leverages the non-linear attributes of random forest feature selection and a binary expression scoring approach to discover the minimal marker gene expression combinations that precisely captures the cell type identity represented in the complete scRNA-seq transcriptional profiles. The marker genes selected provide a barcode of the necessary and sufficient characteristics for semantic cell type definition and serve as useful tools for downstream biological investigation. The use of NS-Forest to identify marker genes for human brain middle temporal gyrus cell types reveals the importance of cell signaling and non-coding RNAs in neuronal cell type identity.

Abstract Humans have unique cognitive abilities among primates, including language, but their molecular, cellular, and circuit substrates are poorly understood. We used comparative single nucleus transcriptomics in adult humans, chimpanzees, gorillas, rhesus macaques, and common marmosets from the middle temporal gyrus (MTG) to understand human-specific features of cellular and molecular organization. Human, chimpanzee, and gorilla MTG showed highly similar cell type composition and laminar organization, and a large shift in proportions of deep layer intratelencephalic-projecting neurons compared to macaque and marmoset. Species differences in gene expression generally mirrored evolutionary distance and were seen in all cell types, although chimpanzees were more similar to gorillas than humans, consistent with faster divergence along the human lineage. Microglia, astrocytes, and oligodendrocytes showed accelerated gene expression changes compared to neurons or oligodendrocyte precursor cells, indicating either relaxed evolutionary constraints or positive selection in these cell types. Only a few hundred genes showed human-specific patterning in all or specific cell types, and were significantly enriched near human accelerated regions (HARs) and conserved deletions (hCONDELS) and in cell adhesion and intercellular signaling pathways. These results suggest that relatively few cellular and molecular changes uniquely define adult human cortical structure, particularly by affecting circuit connectivity and glial cell function.

Abstract Variation in cortical cytoarchitecture is the basis for histology-based definition of cortical areas, such as Brodmann areas. Single cell transcriptomics enables higher-resolution characterization of cell types in human cortex, which we used to revisit the idea of the canonical cortical microcircuit and to understand functional areal specialization. Deeply sampled single nucleus RNA-sequencing of eight cortical areas spanning cortical structural variation showed highly consistent cellular makeup for 24 coarse cell subclasses. However, proportions of excitatory neuron subclasses varied strikingly, reflecting differences in intra- and extracortical connectivity across primary sensorimotor and association cortices. Astrocytes and oligodendrocytes also showed differences in laminar organization across areas. Primary visual cortex showed dramatically different organization, including major differences in the ratios of excitatory to inhibitory neurons, expansion of layer 4 excitatory neuron types and specialized inhibitory neurons. Finally, gene expression variation in conserved neuron subclasses predicts differences in synaptic function across areas. Together these results provide a refined cellular and molecular characterization of human cortical cytoarchitecture that reflects functional connectivity and predicts areal specialization.

Abstract Human cortical interneurons have been challenging to study due to high diversity and lack of mature brain tissue platforms and genetic targeting tools. We employed rapid GABAergic neuron viral labeling plus unbiased Patch-seq sampling in brain slices to define the signature morpho-electric properties of GABAergic neurons in the human neocortex. Viral targeting greatly facilitated sampling of the SST subclass, including primate specialized double bouquet cells which mapped to two SST transcriptomic types. Multimodal analysis uncovered an SST neuron type with properties inconsistent with original subclass assignment; we instead propose reclassification into PVALB subclass. Our findings provide novel insights about functional properties of human cortical GABAergic neuron subclasses and types and highlight the essential role of multimodal annotation for refinement of emerging transcriptomic cell type taxonomies. One Sentence Summary Viral genetic labeling of GABAergic neurons in human ex vivo brain slices paired with Patch-seq recording yields an in-depth functional annotation of human cortical interneuron subclasses and types and highlights the essential role of multimodal functional annotation for refinement of emerging transcriptomic cell type taxonomies.

ABSTRACT Most genetic studies consider autism spectrum disorder (ASD) and developmental disorder (DD) separately despite overwhelming comorbidity and shared genetic etiology. Here we analyzed de novo mutations (DNMs) from 15,560 ASD (6,557 are new) and 31,052 DD trios independently and combined as broader neurodevelopmental disorders (NDD) using three models. We identify 615 candidate genes (FDR 5%, 189 potentially novel) by one or more models, including 138 reaching exome-wide significance (p < 3.64e-07) in all models. We find no evidence for ASD-specific genes in contrast to 18 genes significantly enriched for DD. There are 53 genes show particular mutational-bias including enrichments for missense (n=41) or truncating DNM (n=12). We find 22 genes with evidence of sex-bias including five X chromosome genes also with significant female burden ( DDX3X, MECP2, SMC1A, WDR45 , and HDAC8) . NDD risk genes group into five functional networks associating with different brain developmental lineages based on single-cell nuclei transcriptomic data, which provides important insights into disease subtypes and future functional studies.

Summary Seeking new insights into the homeostasis, modulation and plasticity of cortical synaptic networks, we have analyzed results from a single-cell RNA-seq study of 22,439 mouse neocortical neurons. Our analysis exposes transcriptomic evidence for dozens of molecularly distinct neuropeptidergic modulatory networks that directly interconnect all cortical neurons. This evidence begins with a discovery that transcripts of one or more neuropeptide precursor (NPP) and one or more neuropeptide-selective G-protein-coupled receptor (NP-GPCR) genes are highly abundant in all, or very nearly all, cortical neurons. Individual neurons express diverse subsets of NP signaling genes from palettes encoding 18 NPPs and 29 NP-GPCRs. These 47 genes comprise 37 cognate NPP/NP-GPCR pairs, implying the likelihood of local neuropeptide signaling. Here we use neuron-type-specific patterns of NP gene expression to offer specific, testable predictions regarding 37 peptidergic neuromodulatory networks that may play prominent roles in cortical homeostasis and plasticity. Impact Single-cell mRNA sequencing data from mouse neocortex expose evidence for peptidergic neuromodulatory networks that locally interconnect every cortical neuron Data Highlights At least 97% of mouse neocortical neurons express one or more of 18 neuropeptide precursor proteins (NPP) genes at very high levels At least 98% of cortical neurons express one or more of 29 neuropeptide-selective G-protein-coupled receptor (NP-GPCR) genes cognate to the 18 highly expressed NPP genes Neocortical expression of these 18 NPP and 29 NP-GPCR genes is highly neuron-type-specific and their expression patterns differentiate transcriptomic neuron types with exceptional power Neuron-type taxonomy and type-specific expression of 37 cognate NPP / NP-GPCR gene pairs generate testable predictions of at least 37 local intracortical neuromodulation networks

Abstract Neocortical layer 1 (L1) is a site of convergence between pyramidal neuron dendrites and feedback axons where local inhibitory signaling can profoundly shape cortical processing. Evolutionary expansion of human neocortex is marked by distinctive pyramidal neuron types with extensive branching in L1, but whether L1 interneurons are similarly diverse is underexplored. Using patch-seq recordings from human neurosurgically resected tissues, we identified four transcriptomically defined subclasses, unique subtypes within those subclasses and additional types with no mouse L1 homologue. Compared with mouse, human subclasses were more strongly distinct from each other across all modalities. Accompanied by higher neuron density and more variable cell sizes compared with mouse, these findings suggest L1 is an evolutionary hotspot, reflecting the increasing demands of regulating the expanding human neocortical circuit. One Sentence Summary Using transcriptomics and morpho-electric analyses, we describe innovations in human neocortical layer 1 interneurons.