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.

The anatomical and functional architecture of the human brain is mainly determined by prenatal transcriptional processes. We describe an anatomically comprehensive atlas of the mid-gestational human brain, including de novo reference atlases, in situ hybridization, ultra-high-resolution magnetic resonance imaging (MRI) and microarray analysis on highly discrete laser-microdissected brain regions. In developing cerebral cortex, transcriptional differences are found between different proliferative and post-mitotic layers, wherein laminar signatures reflect cellular composition and developmental processes. Cytoarchitectural differences between human and mouse have molecular correlates, including species differences in gene expression in subplate, although surprisingly we find minimal differences between the inner and outer subventricular zones even though the outer zone is expanded in humans. Both germinal and post-mitotic cortical layers exhibit fronto-temporal gradients, with particular enrichment in the frontal lobe. Finally, many neurodevelopmental disorder and human-evolution-related genes show patterned expression, potentially underlying unique features of human cortical formation. These data provide a rich, freely-accessible resource for understanding human brain development. A spatially resolved transcriptional atlas of the mid-gestational developing human brain has been created using laser-capture microdissection and microarray technology, providing a comprehensive reference resource which also enables new hypotheses about the nature of human brain evolution and the origins of neurodevelopmental disorders. 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.

Summary

 Recent large-scale collaborations are generating major surveys of cell types and connections in the mouse brain, collecting large amounts of data across modalities, spatial scales, and brain areas. Successful integration of these data requires a standard 3D reference atlas. Here, we present the Allen Mouse Brain Common Coordinate Framework (CCFv3) as such a resource. We constructed an average template brain at 10 μm voxel resolution by interpolating high resolution in-plane serial two-photon tomography images with 100 μm z-sampling from 1,675 young adult C57BL/6J mice. Then, using multimodal reference data, we parcellated the entire brain directly in 3D, labeling every voxel with a brain structure spanning 43 isocortical areas and their layers, 329 subcortical gray matter structures, 81 fiber tracts, and 8 ventricular structures. CCFv3 can be used to analyze, visualize, and integrate multimodal and multiscale datasets in 3D and is openly accessible (https://atlas.brain-map.org/).

The isocortex and hippocampal formation (HPF) in the mammalian brain play critical roles in perception, cognition, emotion, and learning. We profiled ∼1.3 million cells covering the entire adult mouse isocortex and HPF and derived a transcriptomic cell-type taxonomy revealing a comprehensive repertoire of glutamatergic and GABAergic neuron types. Contrary to the traditional view of HPF as having a simpler cellular organization, we discover a complete set of glutamatergic types in HPF homologous to all major subclasses found in the six-layered isocortex, suggesting that HPF and the isocortex share a common circuit organization. We also identify large-scale continuous and graded variations of cell types along isocortical depth, across the isocortical sheet, and in multiple dimensions in hippocampus and subiculum. Overall, our study establishes a molecular architecture of the mammalian isocortex and hippocampal formation and begins to shed light on its underlying relationship with the development, evolution, connectivity, and function of these two brain structures.

We evaluate a fully automatic technique for labeling hippocampal subfields and cortical subregions in the medial temporal lobe in in vivo 3 Tesla MRI. The method performs segmentation on a T2-weighted MRI scan with 0.4 × 0.4 × 2.0 mm(3) resolution, partial brain coverage, and oblique orientation. Hippocampal subfields, entorhinal cortex, and perirhinal cortex are labeled using a pipeline that combines multi-atlas label fusion and learning-based error correction. In contrast to earlier work on automatic subfield segmentation in T2-weighted MRI [Yushkevich et al., 2010], our approach requires no manual initialization, labels hippocampal subfields over a greater anterior-posterior extent, and labels the perirhinal cortex, which is further subdivided into Brodmann areas 35 and 36. The accuracy of the automatic segmentation relative to manual segmentation is measured using cross-validation in 29 subjects from a study of amnestic mild cognitive impairment (aMCI) and is highest for the dentate gyrus (Dice coefficient is 0.823), CA1 (0.803), perirhinal cortex (0.797), and entorhinal cortex (0.786) labels. A larger cohort of 83 subjects is used to examine the effects of aMCI in the hippocampal region using both subfield volume and regional subfield thickness maps. Most significant differences between aMCI and healthy aging are observed bilaterally in the CA1 subfield and in the left Brodmann area 35. Thickness analysis results are consistent with volumetry, but provide additional regional specificity and suggest nonuniformity in the effects of aMCI on hippocampal subfields and MTL cortical subregions.

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.

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.

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.

Detailed anatomical understanding of the human brain is essential for unraveling its functional architecture, yet current reference atlases have major limitations such as lack of whole-brain coverage, relatively low image resolution, and sparse structural annotation. We present the first digital human brain atlas to incorporate neuroimaging, high-resolution histology, and chemoarchitecture across a complete adult female brain, consisting of magnetic resonance imaging (MRI), diffusion-weighted imaging (DWI), and 1,356 large-format cellular resolution (1 µm/pixel) Nissl and immunohistochemistry anatomical plates. The atlas is comprehensively annotated for 862 structures, including 117 white matter tracts and several novel cyto- and chemoarchitecturally defined structures, and these annotations were transferred onto the matching MRI dataset. Neocortical delineations were done for sulci, gyri, and modified Brodmann areas to link macroscopic anatomical and microscopic cytoarchitectural parcellations. Correlated neuroimaging and histological structural delineation allowed fine feature identification in MRI data and subsequent structural identification in MRI data from other brains. This interactive online digital atlas is integrated with existing Allen Institute for Brain Science gene expression atlases and is publicly accessible as a resource for the neuroscience community. J. Comp. Neurol. 524:3127-3481, 2016. © 2016 The Authors The Journal of Comparative Neurology Published by Wiley Periodicals, Inc.

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.