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.

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 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.

Abstract In the neocortex, subcerebral axonal projections originate largely from layer 5 (L5) extratelencephalic-projecting (ET) neurons. The highly distinctive morpho-electric properties of these neurons have mainly been described in rodents, where ET neurons can be labeled by retrograde tracers or transgenic lines. Similar labeling strategies are not possible in the human neocortex, rendering the translational relevance of findings in rodents unclear. We leveraged the recent discovery of a transcriptomically-defined L5 ET neuron type to study the properties of human L5 ET neurons in neocortical brain slices derived from neurosurgeries. Patch-seq recordings, where transcriptome, physiology and morphology are assayed from the same cell, revealed many conserved morpho-electric properties of human and rodent L5 ET neurons. Divergent properties were also apparent but were often smaller than differences between cell types within these two species. These data suggest a conserved function of L5 ET neurons in the neocortical hierarchy, but also highlight marked phenotypic divergence possibly related to functional specialization of human neocortex.

ABSTRACT Rodent studies have demonstrated that synaptic dynamics from excitatory to inhibitory neuron types are often dependent on the target cell type. However, these target cell-specific properties have not been well investigated in human cortex, where there are major technical challenges in reliably identifying cell types. Here, we take advantage of newly developed methods for human neurosurgical tissue analysis with multiple patch-clamp recordings, post-hoc fluorescent in situ hybridization (FISH), and prospective GABAergic AAV-based labeling to investigate synaptic properties between pyramidal neurons and PVALB- vs. SST- positive interneurons. We find that there are robust molecular differences in synapse-associated genes between these neuron types, and that individual presynaptic pyramidal neurons evoke postsynaptic responses with heterogeneous synaptic dynamics in different postsynaptic cell types. Using molecular identification with FISH and classifiers based on transcriptomically identified PVALB neurons analyzed with Patch-seq methods, we find that PVALB neurons typically show depressing synaptic characteristics, whereas other interneuron types including SST-positive neurons show facilitating characteristics. Together, these data support the existence of target cell-specific synaptic properties in human cortex that are similar to rodent, thereby indicating evolutionary conservation of local circuit connectivity motifs from excitatory to inhibitory neurons and their synaptic dynamics.

The mammalian brain is composed of diverse neuron types that play different functional roles. Recent single-cell RNA sequencing approaches have led to a whole brain taxonomy of transcriptomically-defined cell types, yet cell type definitions that include multiple cellular properties can offer additional insights into a neuron's role in brain circuits. While the Patch-seq method can investigate how transcriptomic properties relate to the local morphological and electrophysiological properties of cell types, linking transcriptomic identities to long-range projections is a major unresolved challenge. To address this, we collected coordinated Patch-seq and whole brain morphology data sets of excitatory neurons in mouse visual cortex. From the Patch-seq data, we defined 16 integrated morpho-electric-transcriptomic (MET)-types; in parallel, we reconstructed the complete morphologies of 300 neurons. We unified the two data sets with a multi-step classifier, to integrate cell type assignments and interrogate cross-modality relationships. We find that transcriptomic variations within and across MET-types correspond with morphological and electrophysiological phenotypes. In addition, this variation, along with the anatomical location of the cell, can be used to predict the projection targets of individual neurons. We also shed new light on infragranular cell types and circuits, including cell-type-specific, interhemispheric projections. With this approach, we establish a comprehensive, integrated taxonomy of excitatory neuron types in mouse visual cortex and create a system for integrated, high-dimensional cell type classification that can be extended to the whole brain and potentially across species.

Neuronal anatomy is central to the organization and function of brain cell types. However, anatomical variability within apparently homogeneous populations of cells can obscure such insights. Here, we report large-scale automation of neuronal morphology reconstruction and analysis on a dataset of 813 inhibitory neurons characterized using the Patch-seq method, which enables measurement of multiple properties from individual neurons, including local morphology and transcriptional signature. We demonstrate that these automated reconstructions can be used in the same manner as manual reconstructions to understand the relationship between some, but not all, cellular properties used to define cell types. We uncover gene expression correlates of laminar innervation on multiple transcriptomically defined neuronal subclasses and types. In particular, our results reveal correlates of the variability in Layer 1 (L1) axonal innervation in a transcriptomically defined subpopulation of Martinotti cells in the adult mouse neocortex.

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 profile morpho-electric properties of mammalian neurons systematically, 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 data sets. Intrinsic physiological and morphological properties were measured from over 1,800 neurons from the adult laboratory mouse visual cortex. Quantitative features were used to classify neurons into distinct types using unsupervised methods. We establish a taxonomy of morphologically- and electrophysiologically-defined cell types for this region of cortex with 17 e-types and 35 m-types, as well as an initial correspondence with previously-defined transcriptomic cell types using the same transgenic mouse lines.

The primary motor cortex (M1) is essential for voluntary fine motor control and is functionally conserved across mammals. Using high-throughput transcriptomic and epigenomic profiling of over 450,000 single nuclei in human, marmoset monkey, and mouse, we demonstrate a broadly conserved cellular makeup of this region, whose similarity mirrors evolutionary distance and is consistent between the transcriptome and epigenome. The core conserved molecular identity of neuronal and non-neuronal types allowed the generation of a cross-species consensus cell type classification and inference of conserved cell type properties across species. Despite overall conservation, many species specializations were apparent, including differences in cell type proportions, gene expression, DNA methylation, and chromatin state. Few cell type marker genes were conserved across species, providing a short list of candidate genes and regulatory mechanisms responsible for conserved features of homologous cell types, such as the GABAergic chandelier cells. This consensus transcriptomic classification allowed the Patch-seq identification of layer 5 (L5) corticospinal Betz cells in non-human primate and human and characterization of 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.