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.

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 To elucidate cortical microcircuit structure and synaptic properties we present a unique, extensive, and public synaptic physiology dataset and analysis platform. Through its application, we reveal principles that relate cell type to synapse properties and intralaminar circuit organization in the mouse and human cortex. The dynamics of excitatory synapses align with the postsynaptic cell subclass, whereas inhibitory synapse dynamics partly align with presynaptic cell subclass but with considerable overlap. Despite these associations, synaptic properties are heterogeneous in most subclass to subclass connections. The two main axes of heterogeneity are strength and variability. Cell subclasses divide along the variability axis, while the strength axis accounts for significant heterogeneity within the subclass. In human cortex, excitatory to excitatory synapse dynamics are distinct from those in mouse and short-term plasticity varies with depth across layers 2 and 3. With a novel connectivity analysis that enables fair comparisons between circuit elements, we find that intralaminar connection probability among cell subclasses exhibits a strong layer dependence.These and other findings combined with the analysis platform create new opportunities for the neuroscience community to advance our understanding of cortical microcircuits.

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 Generating a comprehensive description of cortical networks requires a large-scale, systematic approach. To that end, the Allen Institute is engaged in a pipeline project using multipatch electrophysiology, supplemented with 2-photon optogenetics, to characterize connectivity and synaptic signaling between classes of neurons in adult mouse and human cortex. We focus on producing results detailed enough for the generation of computational models and enabling comparison with future studies. Here we report our examination of intralaminar connectivity within each of several classes of excitatory neurons. We find that connections are sparse but present among all excitatory cell types and layers we sampled, with the most sparse connections in layers 5 and 6. Almost all mouse synapses exhibited short-term depression with similar dynamics. Synaptic signaling between a subset of layer 2/3 neurons; however, exhibited facilitation. These results contribute to a body of evidence describing recurrent excitatory connectivity as a conserved feature of cortical microcircuits.

Abstract Human cortical interneurons have been challenging to study due to high diversity and lack of mature brain tissue platforms and genetic targeting tools. We employed rapid GABAergic neuron viral labeling plus unbiased Patch-seq sampling in brain slices to define the signature morpho-electric properties of GABAergic neurons in the human neocortex. Viral targeting greatly facilitated sampling of the SST subclass, including primate specialized double bouquet cells which mapped to two SST transcriptomic types. Multimodal analysis uncovered an SST neuron type with properties inconsistent with original subclass assignment; we instead propose reclassification into PVALB subclass. Our findings provide novel insights about functional properties of human cortical GABAergic neuron subclasses and types and highlight the essential role of multimodal annotation for refinement of emerging transcriptomic cell type taxonomies. One Sentence Summary Viral genetic labeling of GABAergic neurons in human ex vivo brain slices paired with Patch-seq recording yields an in-depth functional annotation of human cortical interneuron subclasses and types and highlights the essential role of multimodal functional annotation for refinement of emerging transcriptomic cell type taxonomies.

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 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.