The formation of toxic Amyloid β-peptide (Aβ) oligomers is one of the earliest events in the molecular pathology of Alzheimer's Disease (AD). These oligomers lead to a variety of downstream effects, including impaired neuronal signaling, neuroinflammation, tau phosphorylation, and neurodegeneration, and it is estimated that these events begin 10 to 20 y before the presentation of symptoms. Toxic Aβ oligomers contain a nonstandard protein structure, termed α-sheet, and designed α-sheet peptides target this main-chain structure in toxic oligomers independent of sequence. Here we show that a designed α-sheet peptide inhibits the deleterious effects on neuronal signaling and also serves as a capture agent in our soluble oligomer binding assay (SOBA). Pre-incubated synthetic α-sheet-containing Aβ oligomers produce strong SOBA signals, while monomeric and β-sheet protofibrillar Aβ do not. α-sheet containing oligomers were also present in cerebrospinal fluid (CSF) from an AD patient versus a noncognitively impaired control. For the detection of toxic oligomers in plasma, we developed a plate coating to increase the density of the capture peptide. The proof of concept was achieved by testing 379 banked human plasma samples. SOBA detected Aβ oligomers in patients on the AD continuum, including controls who later progressed to mild cognitive impairment. In addition, SOBA discriminated AD from other forms of dementia, yielding sensitivity and specificity of 99% relative to clinical and neuropathological diagnoses. To explore the broader potential of SOBA, we adapted the assay for a-synuclein oligomers and confirmed their presence in CSF from patients with Parkinson's disease and Lewy body dementia.

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.

Single-cell analysis has become a powerful approach for the molecular characterization of complex tissues. Methods for quantifying gene expression 1 and chromatin accessibility 2 of single cells are now well-established, but analysis of chromatin regions with specific histone modifications has been technically challenging. Here, we adapt the recently published CUT&Tag method 3 to scalable single-cell platforms to profile chromatin landscapes in single cells (scCUT&Tag) from complex tissues. We focus on profiling Polycomb Group (PcG) silenced regions marked by H3K27 trimethylation (H3K27me3) in single cells as an orthogonal approach to chromatin accessibility for identifying cell states. We show that scCUT&Tag profiling of H3K27me3 distinguishes cell types in human blood and allows the generation of cell-type-specific PcG landscapes from heterogeneous tissues. Furthermore, we use scCUT&Tag to profile H3K27me3 in a brain tumor patient before and after treatment, identifying cell types in the tumor microenvironment and heterogeneity in PcG activity in the primary sample and after treatment.

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.

Abstract Neocortical layer 1 (L1) is a site of convergence between pyramidal neuron dendrites and feedback axons where local inhibitory signaling can profoundly shape cortical processing. Evolutionary expansion of human neocortex is marked by distinctive pyramidal neuron types with extensive branching in L1, but whether L1 interneurons are similarly diverse is underexplored. Using patch-seq recordings from human neurosurgically resected tissues, we identified four transcriptomically defined subclasses, unique subtypes within those subclasses and additional types with no mouse L1 homologue. Compared with mouse, human subclasses were more strongly distinct from each other across all modalities. Accompanied by higher neuron density and more variable cell sizes compared with mouse, these findings suggest L1 is an evolutionary hotspot, reflecting the increasing demands of regulating the expanding human neocortical circuit. One Sentence Summary Using transcriptomics and morpho-electric analyses, we describe innovations in human neocortical layer 1 interneurons.

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.

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.

Despite the presence of significant Alzheimer's disease (AD) pathology, characterized by amyloid β (Aβ) plaques and phosphorylated tau (pTau) tangles, some cognitively normal elderly individuals do not inevitably develop dementia. These findings give rise to the notion of cognitive 'resilience', suggesting maintained cognitive function despite the presence of AD neuropathology, highlighting the influence of factors beyond classical pathology. Cortical astroglial inflammation, a ubiquitous feature of symptomatic AD, shows a strong correlation with cognitive impairment severity, potentially contributing to the diversity of clinical presentations. However, noninvasively imaging neuroinflammation, particularly astrogliosis, using MRI remains a significant challenge. Here we sought to address this challenge and to leverage multidimensional (MD) MRI, a powerful approach that combines relaxation with diffusion MR contrasts, to map cortical astrogliosis in the human brain by accessing sub-voxel information. Our goal was to test whether MD-MRI can map astroglial pathology in the cerebral cortex, and if so, whether it can distinguish cognitive resiliency from dementia in the presence of hallmark AD neuropathological changes. We adopted a multimodal approach by integrating histological and MRI analyses using human postmortem brain samples. Ex vivo cerebral cortical tissue specimens derived from three groups comprised of non-demented individuals with significant AD pathology postmortem, individuals with both AD pathology and dementia, and non-demented individuals with minimal AD pathology postmortem as controls, underwent MRI at 7 T. We acquired and processed MD-MRI, diffusion tensor, and quantitative T1 and T2 MRI data, followed by histopathological processing on slices from the same tissue. By carefully co-registering MRI and microscopy data, we performed quantitative multimodal analyses, leveraging targeted immunostaining to assess MD-MRI sensitivity and specificity towards Aβ, pTau, and glial fibrillary acidic protein (GFAP), a marker for astrogliosis. Our findings reveal a distinct MD-MRI signature of cortical astrogliosis, enabling the creation of predictive maps for cognitive resilience amid AD neuropathological changes. Multiple linear regression linked histological values to MRI changes, revealing that the MD-MRI cortical astrogliosis biomarker was significantly associated with GFAP burden (standardized β=0.658, pFDR<0.0001), but not with Aβ (standardized β=0.009, pFDR=0.913) or pTau (standardized β=-0.196, pFDR=0.051). Conversely, none of the conventional MRI parameters showed significant associations with GFAP burden in the cortex. While the extent to which pathological glial activation contributes to neuronal damage and cognitive impairment in AD is uncertain, developing a noninvasive imaging method to see its affects holds promise from a mechanistic perspective and as a potential predictor of cognitive outcomes.

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.