Comprehensive knowledge of the brain’s wiring diagram is fundamental for understanding how the nervous system processes information at both local and global scales. However, with the singular exception of the C. elegans microscale connectome, there are no complete connectivity data sets in other species. Here we report a brain-wide, cellular-level, mesoscale connectome for the mouse. The Allen Mouse Brain Connectivity Atlas uses enhanced green fluorescent protein (EGFP)-expressing adeno-associated viral vectors to trace axonal projections from defined regions and cell types, and high-throughput serial two-photon tomography to image the EGFP-labelled axons throughout the brain. This systematic and standardized approach allows spatial registration of individual experiments into a common three dimensional (3D) reference space, resulting in a whole-brain connectivity matrix. A computational model yields insights into connectional strength distribution, symmetry and other network properties. Virtual tractography illustrates 3D topography among interconnected regions. Cortico-thalamic pathway analysis demonstrates segregation and integration of parallel pathways. The Allen Mouse Brain Connectivity Atlas is a freely available, foundational resource for structural and functional investigations into the neural circuits that support behavioural and cognitive processes in health and disease. In mouse, an axonal connectivity map showing the wiring patterns across the entire brain has been created using an EGFP-expressing adeno-associated virus tracing technique, providing the first such whole-brain map for a vertebrate species. With President Barack Obama's BRAIN (Brain Research through Advancing Innovative Neurotechnologies) initiative now entering year two, this issue of Nature presents two landmark papers that mobilize 'big science' resources to the cause. Hongkui Zeng and colleagues present the first brain-wide, mesoscale connectome for a mammalian species — the laboratory mouse — based on cell-type-specific tracing of axonal projections. The wiring diagram of a complete nervous system has long been available for a small roundworm, but neuronal connectivity data for larger animals has been patchy until now. The new three-dimensional Allen Mouse Brain Connectivity Atlas is a whole-brain connectivity matrix that will provide insights into how brain regions communicate. Much of the data generated in this project will be of relevance to investigations of neural networks in humans and should help to further our understanding of human brain connectivity and its involvement in brain disorders. In a separate report Ed Lein and colleagues present a transcriptional atlas of the mid-gestational human brain at high spatial resolution, based on laser microdissection and DNA microarray technology. The structure and function of the human brain is largely determined by prenatal transcriptional processes that initiate gene expression, but our understanding of the developing brain has been limited. The new data set reveals transcriptional signatures for developmental processes associated with the massive expansion of neocortex during human evolution, and suggests new cortical germinal zones or postmitotic neurons as sites of dynamic expression for many genes associated with neurological or psychiatric disorders.

Mammalian cortex comprises a variety of cells, but the extent of this cellular diversity is unknown. The authors defined cell types in the primary visual cortex of adult mice using single-cell transcriptomics. This revealed 49 cell types, including 23 GABAergic, 19 glutamatergic and 7 non-neuronal types. Nervous systems are composed of various cell types, but the extent of cell type diversity is poorly understood. We constructed a cellular taxonomy of one cortical region, primary visual cortex, in adult mice on the basis of single-cell RNA sequencing. We identified 49 transcriptomic cell types, including 23 GABAergic, 19 glutamatergic and 7 non-neuronal types. We also analyzed cell type–specific mRNA processing and characterized genetic access to these transcriptomic types by many transgenic Cre lines. Finally, we found that some of our transcriptomic cell types displayed specific and differential electrophysiological and axon projection properties, thereby confirming that the single-cell transcriptomic signatures can be associated with specific cellular properties.

The mammalian cortex is a laminar structure containing many areas and cell types that are densely interconnected in complex ways, and for which generalizable principles of organization remain mostly unknown. Here we describe a major expansion of the Allen Mouse Brain Connectivity Atlas resource

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.

Significant advances in circuit-level analyses of the brain require tools that allow for labeling, modulation of gene expression, and monitoring and manipulation of cellular activity in specific cell types and/or anatomical regions. Large-scale projects and individual laboratories have produced hundreds of gene-specific promoter-driven Cre mouse lines invaluable for enabling genetic access to subpopulations of cells in the brain. However, the potential utility of each line may not be fully realized without systematic whole brain characterization of transgene expression patterns. We established a high-throughput in situ hybridization, imaging and data processing pipeline to describe whole brain gene expression patterns in Cre driver mice. Currently, anatomical data from over 100 Cre driver lines are publicly available via the Allen Institute’s Transgenic Characterization database, which can be used to assist researchers in choosing the appropriate Cre drivers for functional, molecular, or connectional studies of different regions and/or cell types in the brain.

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 systematically profile morpho-electric properties of mammalian neurons, 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 datasets. Intrinsic physiological properties were measured from 1,938 neurons from the adult laboratory mouse visual cortex, morphological properties were measured from 461 reconstructed neurons, and 452 neurons had both measurements available. Quantitative features were used to classify neurons into distinct types using unsupervised methods. We established a taxonomy of morphologically and electrophysiologically defined cell types for this region of the cortex, with 17 electrophysiological types, 38 morphological types and 46 morpho-electric types. There was good correspondence with previously defined transcriptomic cell types and subclasses using the same transgenic mouse lines. Gouwens et al. established a morpho-electrical taxonomy of cell types for the mouse visual cortex via unsupervised clustering analysis of multiple quantitative features from 1,938 neurons available online at the Allen Cell Types Database.

Neurons are frequently classified into distinct types on the basis of structural, physiological, or genetic attributes. To better constrain the definition of neuronal cell types, we characterized the transcriptomes and intrinsic physiological properties of over 4,200 mouse visual cortical GABAergic interneurons and reconstructed the local morphologies of 517 of those neurons. We find that most transcriptomic types (t-types) occupy specific laminar positions within visual cortex, and, for most types, the cells mapping to a t-type exhibit consistent electrophysiological and morphological properties. These properties display both discrete and continuous variation among t-types. Through multimodal integrated analysis, we define 28 met-types that have congruent morphological, electrophysiological, and transcriptomic properties and robust mutual predictability. We identify layer-specific axon innervation pattern as a defining feature distinguishing different met-types. These met-types represent a unified definition of cortical GABAergic interneuron types, providing a systematic framework to capture existing knowledge and bridge future analyses across different modalities.

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.

Abstract The mammalian cortex is a laminar structure composed of many cell types densely interconnected in complex ways. Recent systematic efforts to map the mouse mesoscale connectome provide comprehensive projection data on interareal connections, but not at the level of specific cell classes or layers within cortical areas. We present here a significant expansion of the Allen Mouse Brain Connectivity Atlas, with ∼1,000 new axonal projection mapping experiments across nearly all isocortical areas in 49 Cre driver lines. Using 13 lines selective for cortical layer-specific projection neuron classes, we identify the differential contribution of each layer/class to the overall intracortical connectivity patterns. We find layer 5 (L5) projection neurons account for essentially all intracortical outputs. L2/3, L4, and L6 neurons contact a subset of the L5 cortical targets. We also describe the most common axon lamination patterns in cortical targets. Most patterns are consistent with previous anatomical rules used to determine hierarchical position between cortical areas (feedforward, feedback), with notable exceptions. While diverse target lamination patterns arise from every source layer/class, L2/3 and L4 neurons are primarily associated with feedforward type projection patterns and L6 with feedback. L5 has both feedforward and feedback projection patterns. Finally, network analyses revealed a modular organization of the intracortical connectome. By labeling interareal and intermodule connections as feedforward or feedback, we present an integrated view of the intracortical connectome as a hierarchical network.

ABSTRACT 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.