Elucidating the cellular architecture of the human cerebral cortex is central to understanding our cognitive abilities and susceptibility to disease. Here we used single-nucleus RNA-sequencing analysis to perform a comprehensive study of cell types in the middle temporal gyrus of human cortex. We identified a highly diverse set of excitatory and inhibitory neuron types that are mostly sparse, with excitatory types being less layer-restricted than expected. Comparison to similar mouse cortex single-cell RNA-sequencing datasets revealed a surprisingly well-conserved cellular architecture that enables matching of homologous types and predictions of properties of human cell types. Despite this general conservation, we also found extensive differences between homologous human and mouse cell types, including marked alterations in proportions, laminar distributions, gene expression and morphology. These species-specific features emphasize the importance of directly studying human brain. RNA-sequencing analysis of cells in the human cortex enabled identification of diverse cell types, revealing well-conserved architecture and homologous cell types as well as extensive differences when compared with datasets covering the analogous region of the mouse brain.

With few exceptions, the marked advances in knowledge about the genetic basis of schizophrenia have not converged on findings that can be confidently used for precise experimental modeling. By applying knowledge of the cellular taxonomy of the brain from single-cell RNA sequencing, we evaluated whether the genomic loci implicated in schizophrenia map onto specific brain cell types. We found that the common-variant genomic results consistently mapped to pyramidal cells, medium spiny neurons (MSNs) and certain interneurons, but far less consistently to embryonic, progenitor or glial cells. These enrichments were due to sets of genes that were specifically expressed in each of these cell types. We also found that many of the diverse gene sets previously associated with schizophrenia (genes involved in synaptic function, those encoding mRNAs that interact with FMRP, antipsychotic targets, etc.) generally implicated the same brain cell types. Our results suggest a parsimonious explanation: the common-variant genetic results for schizophrenia point at a limited set of neurons, and the gene sets point to the same cells. The genetic risk associated with MSNs did not overlap with that of glutamatergic pyramidal cells and interneurons, suggesting that different cell types have biologically distinct roles in schizophrenia. Integration of single-cell RNA sequencing with genome-wide association data implicates specific brain cell types in schizophrenia. Gene sets previously associated with schizophrenia implicate the same cell types, which include pyramidal cells and medium spiny neurons.

Abstract The primary motor cortex (M1) is essential for voluntary fine-motor control and is functionally conserved across mammals 1 . Here, using high-throughput transcriptomic and epigenomic profiling of more than 450,000 single nuclei in humans, marmoset monkeys and mice, we demonstrate a broadly conserved cellular makeup of this region, with similarities that mirror evolutionary distance and are consistent between the transcriptome and epigenome. The core conserved molecular identities of neuronal and non-neuronal cell types allow us to generate a cross-species consensus classification of cell types, and to infer conserved properties of cell types across species. Despite the overall conservation, however, many species-dependent specializations are apparent, including differences in cell-type proportions, gene expression, DNA methylation and chromatin state. Few cell-type marker genes are conserved across species, revealing a short list of candidate genes and regulatory mechanisms that are responsible for conserved features of homologous cell types, such as the GABAergic chandelier cells. This consensus transcriptomic classification allows us to use patch–seq (a combination of whole-cell patch-clamp recordings, RNA sequencing and morphological characterization) to identify corticospinal Betz cells from layer 5 in non-human primates and humans, and to characterize their highly specialized physiology and anatomy. These findings highlight the robust molecular underpinnings of cell-type diversity in M1 across mammals, and point to the genes and regulatory pathways responsible for the functional identity of cell types and their species-specific adaptations.

Transcriptomic profiling of complex tissues by single-nucleus RNA-sequencing (snRNA-seq) affords some advantages over single-cell RNA-sequencing (scRNA-seq). snRNA-seq provides less biased cellular coverage, does not appear to suffer cell isolation-based transcriptional artifacts, and can be applied to archived frozen specimens. We used well-matched snRNA-seq and scRNA-seq datasets from mouse visual cortex to compare cell type detection. Although more transcripts are detected in individual whole cells (~11,000 genes) than nuclei (~7,000 genes), we demonstrate that closely related neuronal cell types can be similarly discriminated with both methods if intronic sequences are included in snRNA-seq analysis. We estimate that the nuclear proportion of total cellular mRNA varies from 20% to over 50% for large and small pyramidal neurons, respectively. Together, these results illustrate the high information content of nuclear RNA for characterization of cellular diversity in brain tissues.

This protocol describes how to sequence the transcriptome from a single nucleus. It is particularly suited to cell types that are difficult to isolate as intact whole cells, such as neurons. A protocol is described for sequencing the transcriptome of a cell nucleus. Nuclei are isolated from specimens and sorted by FACS, cDNA libraries are constructed and RNA-seq is performed, followed by data analysis. Some steps follow published methods (Smart-seq2 for cDNA synthesis and Nextera XT barcoded library preparation) and are not described in detail here. Previous single-cell approaches for RNA-seq from tissues include cell dissociation using protease treatment at 30 °C, which is known to alter the transcriptome. We isolate nuclei at 4 °C from tissue homogenates, which cause minimal damage. Nuclear transcriptomes can be obtained from postmortem human brain tissue stored at −80 °C, making brain archives accessible for RNA-seq from individual neurons. The method also allows investigation of biological features unique to nuclei, such as enrichment of certain transcripts and precursors of some noncoding RNAs. By following this procedure, it takes about 4 d to construct cDNA libraries that are ready for sequencing.

The developing cerebral cortex contains apical and basal types of neurogenic progenitor cells. Here, we investigated the cellular properties and neurogenic output of basal progenitors, also called intermediate neuronal progenitors (INPs). We found that basal mitoses expressing transcription factor Tbr2 (an INP marker) were present throughout corticogenesis, from embryonic day 10.5 through birth. Postnatally, Tbr2+ progenitors were present in the dentate gyrus, subventricular zone (SVZ), and posterior periventricle (pPV). Two morphological subtypes of INPs were distinguished in the embryonic cortex, “short radial” in the ventricular zone (VZ) and multipolar in the SVZ, probably corresponding to molecularly defined INP subtypes. Unexpectedly, many short radial INPs appeared to contact the apical (ventricular) surface and some divided there. Time-lapse video microscopy suggested that apical INP divisions produced daughter INPs. Analysis of neurogenic divisions (Tis21-green fluorescent protein [GFP]+) indicated that INPs may produce the majority of projection neurons for preplate, deep, and superficial layers. Conversely, proliferative INP divisions (Tis21-GFP−) increased from early to middle corticogenesis, concomitant with SVZ growth. Our findings support the hypothesis that regulated amplification of INPs may be an important factor controlling the balance of neurogenesis among different cortical layers.

Neural stem cells in the adult mouse SVZ are thought to only generate GABAergic olfactory bulb interneurons. This study reports that a dorsal region of the adult SVZ gives rise to a glutamatergic type of olfactory bulb neurons. These newborn glutamatergic neurons can be diverted to migrate into the cortex towards an injury, possibly contributing to repair. The adult mouse subependymal zone (SEZ) harbors neural stem cells that are thought to exclusively generate GABAergic interneurons of the olfactory bulb. We examined the adult generation of glutamatergic juxtaglomerular neurons, which had dendritic arborizations that projected into adjacent glomeruli, identifying them as short-axon cells. Fate mapping revealed that these originate from Neurog2- and Tbr2-expressing progenitors located in the dorsal region of the SEZ. Examination of the progenitors of these glutamatergic interneurons allowed us to determine the sequential expression of transcription factors in these cells that are thought to be hallmarks of glutamatergic neurogenesis in the developing cerebral cortex and adult hippocampus. Indeed, the molecular specification of these SEZ progenitors allowed for their recruitment into the cerebral cortex after a lesion was induced. Taken together, our data indicate that SEZ progenitors not only produce a population of adult-born glutamatergic juxtaglomerular neurons, but may also provide a previously unknown source of progenitors for endogenous repair.

Areas and layers of the cerebral cortex are specified by genetic programs that are initiated in progenitor cells and then, implemented in postmitotic neurons. Here, we report that Tbr1, a transcription factor expressed in postmitotic projection neurons, exerts positive and negative control over both regional (areal) and laminar identity. Tbr1 null mice exhibited profound defects of frontal cortex and layer 6 differentiation, as indicated by down-regulation of gene-expression markers such as Bcl6 and Cdh9 . Conversely, genes that implement caudal cortex and layer 5 identity, such as Bhlhb5 and Fezf2 , were up-regulated in Tbr1 mutants. Tbr1 implements frontal identity in part by direct promoter binding and activation of Auts2 , a frontal cortex gene implicated in autism. Tbr1 regulates laminar identity in part by downstream activation or maintenance of Sox5 , an important transcription factor controlling neuronal migration and corticofugal axon projections. Similar to Sox5 mutants, Tbr1 mutants exhibit ectopic axon projections to the hypothalamus and cerebral peduncle. Together, our findings show that Tbr1 coordinately regulates regional and laminar identity of postmitotic cortical neurons.

Neurogenesis in the adult hippocampus is a highly regulated process that originates from multipotent progenitors in the subgranular zone (SGZ). Currently, little is known about molecular mechanisms that regulate proliferation and differentiation in the SGZ. To study the role of transcription factors (TFs), we focused on Tbr2 (T-box brain gene 2), which has been implicated previously in developmental glutamatergic neurogenesis. In adult mouse hippocampus, Tbr2 protein and Tbr2-GFP (green fluorescent protein) transgene expression were specifically localized to intermediate-stage progenitor cells (IPCs), a type of transit amplifying cells. The Tbr2+ IPCs were highly responsive to neurogenic stimuli, more than doubling after voluntary wheel running. Notably, the Tbr2+ IPCs formed cellular clusters, the average size of which (Tbr2+ cells per cluster) likewise more than doubled in runners. Conversely, Tbr2+ IPCs were selectively depleted by antimitotic drugs, known to suppress neurogenesis. After cessation of antimitotic treatment, recovery of neurogenesis was paralleled by recovery of Tbr2+ IPCs, including a transient rebound above baseline numbers. Finally, Tbr2 was examined in the context of additional TFs that, together, define a TF cascade in embryonic neocortical neurogenesis (Pax6 → Ngn2 → Tbr2 → NeuroD → Tbr1). Remarkably, the same TF cascade was found to be linked to stages of neuronal lineage progression in adult SGZ. These results suggest that Tbr2+ IPCs play a major role in the regulation of adult hippocampal neurogenesis, and that a similar transcriptional program controls neurogenesis in adult SGZ as in embryonic cerebral cortex.

We describe convergent evidence from transcriptomics, morphology, and physiology for a specialized GABAergic neuron subtype in human cortex. Using unbiased single-nucleus RNA sequencing, we identify ten GABAergic interneuron subtypes with combinatorial gene signatures in human cortical layer 1 and characterize a group of human interneurons with anatomical features never described in rodents, having large ‘rosehip’-like axonal boutons and compact arborization. These rosehip cells show an immunohistochemical profile (GAD1+CCK+, CNR1–SST–CALB2–PVALB–) matching a single transcriptomically defined cell type whose specific molecular marker signature is not seen in mouse cortex. Rosehip cells in layer 1 make homotypic gap junctions, predominantly target apical dendritic shafts of layer 3 pyramidal neurons, and inhibit backpropagating pyramidal action potentials in microdomains of the dendritic tuft. These cells are therefore positioned for potent local control of distal dendritic computation in cortical pyramidal neurons. The authors use single-nucleus RNA-seq to identify 10 GABAergic interneuron subtypes in human cortex layer 1. Molecular, morphological, and physiological evidence points to an emerging human cell type, the rosehip cell, not found in other species.