Abstract Single cell transcriptomics has transformed the characterization of brain cell identity by providing quantitative molecular signatures for large, unbiased samples of brain cell populations. With the proliferation of taxonomies based on individual datasets, a major challenge is to integrate and validate results toward defining biologically meaningful cell types. We used a battery of single-cell transcriptome and epigenome measurements generated by the BRAIN Initiative Cell Census Network (BICCN) to comprehensively assess the molecular signatures of cell types in the mouse primary motor cortex (MOp). We further developed computational and statistical methods to integrate these multimodal data and quantitatively validate the reproducibility of the cell types. The reference atlas, based on more than 600,000 high quality single-cell or -nucleus samples assayed by six molecular modalities, is a comprehensive molecular account of the diverse neuronal and non-neuronal cell types in MOp. Collectively, our study indicates that the mouse primary motor cortex contains over 55 neuronal cell types that are highly replicable across analysis methods, sequencing technologies, and modalities. We find many concordant multimodal markers for each cell type, as well as thousands of genes and gene regulatory elements with discrepant transcriptomic and epigenomic signatures. These data highlight the complex molecular regulation of brain cell types and will directly enable design of reagents to target specific MOp cell types for functional analysis.

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 The gEAR portal (gene Expression Analysis Resource, umgear.org) is an open access community-driven tool for multi-omic and multi-species data visualization, analysis and sharing. The gEAR supports visualization of multiple RNA-seq data types (bulk, sorted, single cell/nucleus) and epigenomics data, from multiple species, time points and tissues in a single-page, user-friendly browsable format. An integrated scRNA-seq workbench provides access to raw data of scRNA-seq datasets for de novo analysis, as well as marker-gene and cluster comparisons of pre-assigned clusters. Users can upload, view, analyze and privately share their own data in the context of previously published datasets. Short, permanent URLs can be generated for dissemination of individual or collections of datasets in published manuscripts. While the gEAR is currently curated for auditory research with over 90 high-value datasets organized in thematic profiles, the gEAR also supports the BRAIN initiative (via nemoanalytics.org) and is easily adaptable for other research domains.

Abstract Characterizing cellular diversity at different levels of biological organization across data modalities is a prerequisite to understanding the function of cell types in the brain. Classification of neurons is also required to manipulate cell types in controlled ways, and to understand their variation and vulnerability in brain disorders. The BRAIN Initiative Cell Census Network (BICCN) is an integrated network of data generating centers, data archives and data standards developers, with the goal of systematic multimodal brain cell type profiling and characterization. Emphasis of the BICCN is on the whole mouse brain and demonstration of prototypes for human and non-human primate (NHP) brains. Here, we provide a guide to the cellular and spatial approaches employed, and to accessing and using the BICCN data and its extensive resources, including the BRAIN Cell Data Center (BCDC) which serves to manage and integrate data across the ecosystem. We illustrate the power of the BICCN data ecosystem through vignettes highlighting several BICCN analysis and visualization tools. Finally, we present emerging standards that have been developed or adopted by the BICCN toward FAIR (Wilkinson et al. 2016a) neuroscience. The combined BICCN ecosystem provides a comprehensive resource for the exploration and analysis of cell types in the brain.

Summary Progressive striatal gene expression changes and epigenetic alterations are a prominent feature of Huntington’s disease (HD), but direct relationships between the huntingtin (HTT) protein and chromatin remain poorly described. Here, using chromatin immunoprecipitation and sequencing (ChIP-seq), we show that HTT reproducibly occupies specific locations in the mouse genome, including thousands of genomic loci that are differentially occupied in striatal tissue from a knock-in mouse model of HD (B6. Htt Q111/+ ) versus wildtype controls. ChIP-seq of histone modifications, generated in parallel, revealed genotype-specific colocalization of HTT with trimethylation of histone 3 lysine 27 (H3K27me3), a repressive chromatin mark. Near genes that are differentially regulated in HD, greater HTT occupancy in Htt Q111/+ vs. wildtype mice predicted increased H3K27me3, reduced histone 3 lysine 4 (H3K4me3), a marker of poised and active promoters, and down-regulated gene expression. Altered huntingtin-chromatin interactions may therefore play a direct role in driving transcriptional dysregulation in HD.

ABSTRACT Huntington’s disease (HD) is a dominantly inherited neurodegenerative disorder caused by a trinucleotide expansion in exon 1 of the huntingtin ( Htt ) gene. Cell death in HD occurs primarily in striatal medium spiny neurons (MSNs), but the involvement of specific MSN subtypes and of other striatal cell types remains poorly understood. To gain insight into cell type-specific disease processes, we studied the nuclear transcriptomes of 4,524 cells from the striatum of a genetically precise knock-in mouse model of the HD mutation, Htt Q175/+ , and from wildtype controls. We used 14-15-month-old mice, a time point roughly equivalent to an early stage of symptomatic human disease. Cell type distributions indicated selective loss of D2 MSNs and increased microglia in aged Htt Q175/+ mice. Thousands of differentially expressed genes were distributed across most striatal cell types, including transcriptional changes in glial populations that are not apparent from RNA-seq of bulk tissue. Reconstruction of cell typespecific transcriptional networks revealed a striking pattern of bidirectional dysregulation for many cell type-specific genes. Typically, these genes were repressed in their primary cell type, yet de-repressed in other striatal cell types. Integration with existing epigenomic and transcriptomic data suggest that partial loss-of-function of the Polycomb Repressive Complex 2 (PRC2) may underlie many of these transcriptional changes, leading to deficits in the maintenance of cell identity across virtually all cell types in the adult striatum.

Abstract The ventral pallidum (VP) is central to reward seeking and withdrawal from drugs of abuse. A characteristic of the VP is the diversity of its projection targets. Yet, it remains unknown whether different VP projections also differ in other aspects, such as their transcriptome, physiology and relevance to drug reward. In this study we perform a multimodal dissection of four major projections of the VP – to the lateral hypothalamus (VP →LH ), ventral tegmental area (VP →VTA ), lateral habenula (VP →LHb ) and mediodorsal thalamus (VP →MDT ) – with physiological, anatomical, genetic and behavioral tools and show significant differences between projections in all aspects. Specifically, the VP →LH and VP →VTA projections show minimal overlap and stand out as having opposite properties – VP →LH neurons show higher excitability compared to VP →VTA neurons, different pattern of inputs and differentially expressed genes. Moreover, inhibition of VP →LH projections diminishes, while inhibition of VP →VTA enhances cocaine preference after cocaine withdrawal. This demonstrates that VP projections are heterogenous neuron populations with different roles in cocaine withdrawal.

Abstract The development and diversity of neuronal subtypes in the human hypothalamus has been insufficiently characterized. We sequenced the transcriptomes of 40,927 cells from the prenatal human hypothalamus spanning from 6 to 25 gestational weeks and 25,424 mature neurons in regions of the adult human hypothalamus, revealing a temporal trajectory from proliferative stem cell populations to mature neurons and glia. Developing hypothalamic neurons followed branching trajectories leading to 170 transcriptionally distinct neuronal subtypes in ten hypothalamic nuclei in the adult. The uniqueness of hypothalamic neuronal lineages was examined developmentally by comparing excitatory lineages present in cortex and inhibitory lineages in ganglionic eminence from the same individuals, revealing both distinct and shared drivers of neuronal maturation across the human forebrain. Cross-species comparisons to the mouse hypothalamus identified human-specific POMC populations expressing unique combinations of transcription factors and neuropeptides. These results provide the first comprehensive transcriptomic view of human hypothalamus development at cellular resolution. One-Sentence Summary Using single-cell genomics, we reconstructed the developmental lineages by which precursor populations give rise to 170 distinct neuronal subtypes in the human hypothalamus.

Abstract Altered activity of the ventral pallidum (VP) underlies disrupted motivation in stress and drug exposure. The VP is a very heterogeneous structure comprised of many neuron types with distinct physiological properties and projections. Neuronal PAS 1-positive (Npas1+) VP neurons are thought to send projections to brain regions critical for motivational behavior. While Npas1+ neurons have been characterized in the globus pallidus external, there is limited information on these neurons in the VP. To address this limitation, we evaluated the projection targets of the VP Npas1+ neurons and performed RNA-seq on ribosome-associated mRNA from VP Npas1+ neurons to determine their molecular identity. Finally, we used a chemogenetic approach to manipulate VP Npas1+ neurons during social defeat stress (SDS) and behavioral tasks related to anxiety and motivation in Npas1-Cre mice. We employed a similar approach in females using the chronic witness defeat stress (CWDS). We identified VP Npas1+ projections to the nucleus accumbens, ventral tegmental area, medial and lateral habenula, lateral hypothalamus, thalamus, medial and lateral septum, and periaqueductal gray area. VP Npas1+ neurons displayed distinct transcriptomes representing distinct biological processes. Chemogenetic activation of VP Npas1+ neurons increased susceptibility to a subthreshold (S)SDS and anxiety-like behavior in the elevated plus maze and open field while the inhibition of VP Npas1+ neurons enhanced resilience to chronic (C)SDS and CWDS. Thus, the activity of VP Npas1+ neurons modulates susceptibility to social stressors and anxiety-like behavior. Our studies provide new information into VP Npas1+ neuron circuitry, molecular identity, and their role in stress response.

ABSTRACT Genetic risk for complex traits is strongly enriched in non-coding genomic regions involved in gene regulation, especially enhancers. However, we lack adequate tools to connect the characteristics of these disruptions to genetic risk. Here, we propose RWAS (Regulome Wide Association Study), a new framework to identify the characteristics of enhancers that contribute to genetic risk for disease. Applying our technique to interrogate genetic risk for schizophrenia, we found that risk-associated enhancers in this disease are predominantly active in the brain, evolutionarily conserved, and AT-rich. The association between AT percentage and risk corresponds to an overrepresentation in risk-associated enhancers for the binding sites of transcription factors that recognize AT-rich cis-regulatory motifs. Several of the TFs identified in our model as being overrepresented in risk-associated enhancers, including MEF2C, are master regulators of neuronal development. The genes that encode several of these TFs are themselves located at genetic risk loci for schizophrenia. This list also includes brain-expressed TFs that have not previously been linked to schizophrenia. In summary, we developed a generalizable approach that integrates GWAS summary statistics with enhancer characteristics to identify risk factors in tissue-specific regulatory regions. AUTHOR SUMMARY Enhancers are regulatory regions that influence gene expression via the binding of transcription factors. Risk for many heritable diseases is enriched in regulatory regions, including enhancers. In this study, we introduce a novel method of testing for association between enhancer attributes and risk and use this method to determine the enhancer characteristics that are associated with risk for schizophrenia. We found that enhancers associated with schizophrenia risk are both evolutionarily conserved and in physical contact with mutation-intolerant genes, many of which have neurodevelopmental functions. Risk-associated enhancers are also AT-rich and contain binding sites for neurodevelopmental transcription factors.