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 Abundant anatomical and physiological evidence supports the presence of at least three distinct types of relay glutamatergic neurons in the primate dorsal lateral geniculate nucleus (dLGN) of the thalamus, the brain region that conveys visual information from the retina to the primary visual cortex. Relay neuron diversity has also been described in the mouse dLGN (also known as LGd). Different types of relay neurons in mice, humans and macaques have distinct morphologies, distinct connectivity patterns, and convey different aspects of visual information to the cortex. To investigate the molecular underpinnings of these cell types, and how these relate to other cellular properties and differences in dLGN between human, macaque, and mice, we profiled gene expression in single nuclei and cells using RNA-sequencing. These efforts identified four distinct types of relay neurons in the primate dLGN, magnocellular neurons, parvocellular neurons, and two cell types expressing canonical marker genes for koniocellular neurons. Surprisingly, despite extensive documented morphological and physiological differences between magno- and parvocellular neurons, we identified few genes with significant differential expression between transcriptomic cell types corresponding to these two neuronal populations. We also detected strong donor-specific gene expression signatures in both macaque and human relay neurons. Likewise, the dominant feature of relay neurons of the adult mouse dLGN is high transcriptomic similarity, with an axis of heterogeneity that aligns with core vs. shell portions of mouse dLGN. Together, these data show that transcriptomic differences between principal cell types in the mature mammalian dLGN are subtle relative to striking differences in morphology and cortical projection targets. Finally, we align cellular expression profiles across species and find homologous types of relay neurons in macaque and human, and distinct relay neurons in mouse.

Abstract Perceptual decisions arise through the transformation of samples of evidence into a commitment to a proposition or plan of action. Such transformation is thought to involve cortical circuits capable of computation over time scales associated with working memory, attention, and planning. Neurons in the lateral intraparietal area (LIP) are thought to play a role in all of these functions, and much of what is known about the neurobiology of decision making has been influenced by studies of LIP and its network of cortical and subcortical connections. However a causal role of neurons in LIP remains controversial. We used pharmacological and chemogenetic methods to inactivate LIP in one hemisphere of four rhesus monkeys. Inactivation produced clear biases in decisions, but the effects dissipated despite the persistence of neural inactivation, implying compensation by other unaffected areas. Compensation occurs on a rapid times scale, within an experimental session, and more gradually, across sessions. The findings resolve disparate studies and inform interpretation of focal perturbations of brain function.

ABSTRACT Color perception relies on spatial comparisons of chromatic signals, but how the brain performs these comparisons is poorly understood. Here, we show that many V1 neurons compare signals across their receptive fields (RF) using a common principle. We estimated the spatial-chromatic RFs of each neuron, and then measured neural selectivity to customized colored edges that were sampled using a novel closed-loop technique. We found that many double-opponent (DO) cells, which have spatially and chromatically opponent RFs, responded to chromatic contrast as a weighted sum, akin to how simple cells respond to luminance contrast. Other neurons integrated chromatic signals non-linearly, confirming that linear signal integration is not an obligate property of V1 neurons. The functional similarity of DO and simple cells suggests a common underlying neural circuitry, promotes the construction of image-computable models for full-color image representation, and sheds new light on V1 complex cells.

The visibility of a periodic light modulation depends on its temporal frequency and spectral properties. Contrast sensitivity is highest at 8 to 10 Hz for modulations of luminance but is substantially lower for modulations between equiluminant lights. This difference between luminance and chromatic contrast sensitivity is rooted in retinal filtering, but additional filtering occurs in the cerebral cortex. To measure the cortical contributions to luminance and chromatic temporal contrast sensitivity, signals in the lateral geniculate nucleus (LGN) were compared to the behavioral contrast sensitivity of macaque monkeys. Long wavelength-sensitive (L) and medium wavelength-sensitive (M) cones were modulated in phase, to produce a luminance modulation (L+M), or in counterphase, to produce a chromatic modulation (L-M). The sensitivity of LGN neurons was well matched to behavioral sensitivity at low temporal frequencies but was approximately 7 times greater at high temporal frequencies. Similar results were obtained for L+M and L-M modulations. These results show that differences in the shapes of the luminance and chromatic temporal contrast sensitivity functions are due almost entirely to pre-cortical mechanisms. Simulations of cone photoreceptor currents show that temporal information loss in the retina and at the retinogeniculate synapse exceeds cortical information loss under most of the conditions tested.

Abstract Proper brain function requires the assembly and function of diverse populations of neurons and glia. Single cell gene expression studies have mostly focused on characterization of neuronal cell diversity; however, recent studies have revealed substantial diversity of glial cells, particularly astrocytes. To better understand glial cell types and their roles in neurobiology, we built a new suite of adeno-associated viral (AAV)-based genetic tools to enable genetic access to astrocytes and oligodendrocytes. These oligodendrocyte and astrocyte enhancer-AAVs are highly specific (usually > 95% cell type specificity) with variable expression levels, and our astrocyte enhancer-AAVs show multiple distinct expression patterns reflecting the spatial distribution of astrocyte cell types. To provide the best glial-specific functional tools, several enhancer-AAVs were: optimized for higher expression levels, shown to be functional and specific in rat and macaque, shown to maintain specific activity in epilepsy where traditional promoters changed activity, and used to drive functional transgenes in astrocytes including Cre recombinase and acetylcholine-responsive sensor iAChSnFR. The astrocyte-specific iAChSnFR revealed a clear reward-dependent acetylcholine response in astrocytes of the nucleus accumbens during reinforcement learning. Together, this collection of glial enhancer-AAVs will enable characterization of astrocyte and oligodendrocyte populations and their roles across species, disease states, and behavioral epochs.

Abstract Internal models are essential for the production of accurate movements. The accuracy of saccadic eye movements is thought to be mediated by an internal model of oculomotor mechanics encoded in the cerebellum. The cerebellum may also be part of a feedback loop that predicts the displacement of the eye and compares it to the desired displacement in real time to ensure that saccades land on target. To investigate the role of the cerebellum in these two aspects of saccade production, we delivered saccade-triggered light pulses to channelrhodopsin-2-expressing Purkinje cells in the oculomotor vermis (OMV) of two macaque monkeys. Light pulses delivered during the acceleration phase of ipsiversive saccades slowed the deceleration phase. The long latency of these effects, and their scaling with light pulse duration, are consistent with an integration of neural signals downstream of the stimulation. In contrast, light pulses delivered during contraversive saccades reduced saccade velocity at a short latency (∼6 ms) that was followed by a compensatory reacceleration which caused gaze to land near or on the target. We conclude that the contribution of the OMV to saccade production depends on saccade direction; the ipsilateral OMV is part of a forward model that predicts eye displacement, whereas the contralateral OMV is part of an inverse model that creates the force required to move the eyes accurately. Significance Statement Theory and experiment suggest that saccade production involves an internal model of oculomotor mechanics that resides inside the cerebellum. How cerebellar neurons implement this model is poorly understood. To illuminate this issue, we stimulated Purkinje cells in the oculomotor vermis (OMV) optogenetically during saccades and examined the resultant movement deviations. Stimulation of the contralateral OMV affected saccade dynamics at short latency, suggesting that the contralateral OMV is part of the feedforward circuit that produces the saccade motor command. In contrast, perturbation of the ipsilateral OMV affected saccade dynamics at a longer latency; it prolonged the saccade deceleration phase, leading to hypermetria. This dysmetria is consistent with perturbation of the eye displacement integrator in the feedback loop of the saccade generator.

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.