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.

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.

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 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.

Summary Viral genetic tools to target specific brain cell types in humans and non-genetic model organisms will transform basic neuroscience and targeted gene therapy. Here we used comparative epigenetics to identify thousands of human neuronal subclass-specific putative enhancers to regulate viral tools, and 34% of these were conserved in mouse. We established an AAV platform to evaluate cellular specificity of functional enhancers by multiplexed fluorescent in situ hybridization (FISH) and single cell RNA sequencing. Initial testing in mouse neocortex yields a functional enhancer discovery success rate of over 30%. We identify enhancers with specificity for excitatory and inhibitory classes and subclasses including PVALB, LAMP5, and VIP/LAMP5 cells, some of which maintain specificity in vivo or ex vivo in monkey and human neocortex. Finally, functional enhancers can be proximal or distal to cellular marker genes, conserved or divergent across species, and could yield brain-wide specificity greater than the most selective marker genes.

Abstract Single cell transcriptomic studies have identified a conserved set of neocortical cell types from small post-mortem cohorts. We extend these efforts by assessing cell type variation across 75 adult individuals undergoing epilepsy and tumor surgeries. Nearly all nuclei map to one of 125 robust cell types identified in middle temporal gyrus, but with varied abundances and gene expression signatures across donors, particularly in deep layer glutamatergic neurons. A minority of variance is explainable by known factors including donor identity and small contributions from age, sex, ancestry, and disease state. Genomic variation was significantly associated with variable expression of 150-250 genes for most cell types. Thus, human individuals display a highly consistent cellular makeup, but with significant variation reflecting donor characteristics, disease condition, and genetic regulation. One-Sentence Summary Inter-individual variation in human cortex is greatest for deep layer excitatory neurons and largely unexplainable by known factors.

Elucidating the cellular architecture of the human neocortex is central to understanding our cognitive abilities and susceptibility to disease. Here we applied single nucleus RNA-sequencing to perform a comprehensive analysis of cell types in the middle temporal gyrus of human cerebral cortex. We identify a highly diverse set of excitatory and inhibitory neuronal types that are mostly sparse, with excitatory types being less layer-restricted than expected. Comparison to a similar mouse cortex single cell RNA-sequencing dataset revealed a surprisingly well-conserved cellular architecture that enables matching of homologous types and predictions of human cell type properties. Despite this general conservation, we also find extensive differences between homologous human and mouse cell types, including dramatic alterations in proportions, laminar distributions, gene expression, and morphology. These species-specific features emphasize the importance of directly studying human brain.

The mammalian cortex is comprised of cells with different morphological, physiological, and molecular properties that can be classified according to shared properties into cell types. Defining the contribution of each cell type to the computational and cognitive processes that are guided by the cortex is essential for understanding its function in health and disease. We use transcriptomic and epigenomic cortical cell type taxonomies from mice and humans to define marker genes and enhancers, and to build genetic tools for cortical cell types. Here, we present a large toolkit for selective targeting of cortical populations, including mouse transgenic lines and recombinant adeno-associated virus (AAV) vectors containing genomic enhancers. We report evaluation of fifteen new transgenic driver lines and over 680 different enhancer AAVs covering all major subclasses of cortical cells, with many achieving a high degree of specificity, comparable with existing transgenic lines. We find that the transgenic lines based on marker genes can provide exceptional specificity and completeness of cell type labeling, but frequently require generation of a triple-transgenic cross for best usability/specificity. On the other hand, enhancer AAVs are easy to screen and use, and can be easily modified to express diverse cargo, such as recombinases. However, their use depends on many factors, such as viral titer and route of administration. The tools reported here as well as the scaled process of tool creation provide an unprecedented resource that should enable diverse experimental strategies towards understanding mammalian cortex and brain function.

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.