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.

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.

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.

Delineating the gene regulatory programs underlying complex cell types is fundamental for understanding brain functions in health and disease. Here, we comprehensively examine human brain cell epigenomes by probing DNA methylation and chromatin conformation at single-cell resolution in over 500,000 cells from 46 brain regions. We identified 188 cell types and characterized their molecular signatures. Integrative analyses revealed concordant changes in DNA methylation, chromatin accessibility, chromatin organization, and gene expression across cell types, cortical areas, and basal ganglia structures. With these resources, we developed scMCodes that reliably predict brain cell types using their methylation status at select genomic sites. This multimodal epigenomic brain cell atlas provides new insights into the complexity of cell type-specific gene regulation in the adult human brain.

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 The human brain contains an extraordinarily diverse set of neuronal and glial cell types. Recent advances in single cell transcriptomics have begun to delineate the cellular heterogeneity in different brain regions, but the transcriptional regulatory programs responsible for the identity and function of each brain cell type remain to be defined. Here, we carried out single nucleus ATAC-seq analysis to probe the open chromatin landscape from over 1.1 million cells in 42 brain regions of three neurotypical adult donors. Integrative analysis of the resulting data identified 107 distinct cell types and revealed the cell-type-specific usage of 544,735 candidate cis-regulatory DNA elements (cCREs) in the human genome. Nearly 1/3 of them displayed sequence conservation as well as chromatin accessibility in the mouse brain. On the other hand, nearly 40% cCREs were human specific, with chromatin accessibility associated with species-restricted gene expression. Interestingly, these human specific cCREs were enriched for distinct families of retrotransposable elements, which displayed cell-type-specific chromatin accessibility. We uncovered strong associations between specific brain cell types and neuropsychiatric disorders. We futher developed deep learning models to predict regulatory function of non-coding disease risk variants.

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.

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.