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.

Summary Mammalian brain cells are remarkably diverse in gene expression, anatomy, and function, yet the regulatory DNA landscape underlying this extensive heterogeneity is poorly understood. We carried out a comprehensive assessment of the epigenomes of mouse brain cell types by applying single nucleus DNA methylation sequencing to profile 110,294 nuclei from 45 regions of the mouse cortex, hippocampus, striatum, pallidum, and olfactory areas. We identified 161 cell clusters with distinct spatial locations and projection targets. We constructed taxonomies of these epigenetic types, annotated with signature genes, regulatory elements, and transcription factors. These features indicate the potential regulatory landscape supporting the assignment of putative cell types, and reveal repetitive usage of regulators in excitatory and inhibitory cells for determining subtypes. The DNA methylation landscape of excitatory neurons in the cortex and hippocampus varied continuously along spatial gradients. Using this deep dataset, an artificial neural network model was constructed that precisely predicts single neuron cell-type identity and brain area spatial location. Integration of high-resolution DNA methylomes with single-nucleus chromatin accessibility data allowed prediction of high-confidence enhancer-gene interactions for all identified cell types, which were subsequently validated by cell-type-specific chromatin conformation capture experiments. By combining multi-omic datasets (DNA methylation, chromatin contacts, and open chromatin) from single nuclei and annotating the regulatory genome of hundreds of cell types in the mouse brain, our DNA methylation atlas establishes the epigenetic basis for neuronal diversity and spatial organization throughout the mouse brain.

Abstract Single-cell analyses parse the brain’s billions of neurons into thousands of ‘cell-type’ clusters residing in different brain structures 1 . Many cell types mediate their functions through targeted long-distance projections allowing interactions between specific cell types. Here we used epi-retro-seq 2 to link single-cell epigenomes and cell types to long-distance projections for 33,034 neurons dissected from 32 different regions projecting to 24 different targets (225 source-to-target combinations) across the whole mouse brain. We highlight uses of these data for interrogating principles relating projection types to transcriptomics and epigenomics, and for addressing hypotheses about cell types and connections related to genetics. We provide an overall synthesis with 926 statistical comparisons of discriminability of neurons projecting to each target for every source. We integrate this dataset into the larger BRAIN Initiative Cell Census Network atlas, composed of millions of neurons, to link projection cell types to consensus clusters. Integration with spatial transcriptomics further assigns projection-enriched clusters to smaller source regions than the original dissections. We exemplify this by presenting in-depth analyses of projection neurons from the hypothalamus, thalamus, hindbrain, amygdala and midbrain to provide insights into properties of those cell types, including differentially expressed genes, their associated cis -regulatory elements and transcription-factor-binding motifs, and neurotransmitter use.

Abstract The human frontal cortex and hippocampus play critical roles in learning and cognition. We investigated the epigenomic and 3D chromatin conformational reorganization during the development of the frontal cortex and hippocampus, using more than 53,000 joint single-nucleus profiles of chromatin conformation and DNA methylation (sn-m3C-seq). The remodeling of DNA methylation predominantly occurs during late-gestational to early-infant development and is temporally separated from chromatin conformation dynamics. Neurons have a unique Domain-Dominant chromatin conformation that is different from the Compartment-Dominant conformation of glial cells and non-brain tissues. We reconstructed the regulatory programs of cell-type differentiation and found putatively causal common variants for schizophrenia strongly overlap with chromatin loop-connected, cell-type-specific regulatory regions. Our data demonstrate that single-cell 3D-regulome is an effective approach for dissecting neuropsychiatric risk loci.

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.

Altered transcriptional and epigenetic regulation of brain cell types may contribute to cognitive changes with advanced age. Using single-nucleus multi-omic DNA methylation and transcriptome sequencing (snmCT-seq) in frontal cortex from young adult and aged donors, we found widespread age- and sex-related variation in specific neuron types. The proportion of inhibitory SST- and VIP-expressing neurons was reduced in aged donors. Excitatory neurons had more profound age-related changes in their gene expression and DNA methylation than inhibitory cells. Hundreds of genes involved in synaptic activity, including EGR1, were less expressed in aged adults. Genes located in subtelomeric regions increased their expression with age and correlated with reduced telomere length. We further mapped cell-type-specific sex differences in gene expression and X-inactivation escape genes. Multi-omic single-nucleus epigenomes and transcriptomes provide new insight into the effects of age and sex on human neurons.

Abstract Integrating single-cell transcriptomes and epigenomes across diverse cell types can link genes with the cis -regulatory elements (CREs) that control expression. Gene co-expression across cell types confounds simple correlation-based analysis and results in high false prediction rates. We developed a procedure that controls for co-expression between genes and integrates multiple molecular modalities, and used it to identify >10,000 gene-CRE pairs that contribute to gene expression programs in different cell types in the mouse brain.

Abstract Neurodegenerative diseases, such as amyotrophic lateral sclerosis (ALS) and frontotemporal dementia (FTD), are strongly influenced by inherited genetic variation, but environmental and epigenetic factors also play key roles in the course of these diseases. A hexanucleotide repeat expansion in the C9orf72 (C9) gene is the most common genetic cause of ALS and FTD. To determine the cellular alterations associated with the C9 repeat expansion, we performed single nucleus transcriptomics (snRNA-seq) and epigenomics (snATAC-seq) in postmortem samples of motor and frontal cortices from C9-ALS and C9-FTD donors. We found pervasive alterations of gene expression across multiple cortical cell types in C9-ALS, with the largest number of affected genes in astrocytes and excitatory neurons. Astrocytes increased expression of markers of activation and pathways associated with structural remodeling. Excitatory neurons in upper and deep layers increased expression of genes related to proteostasis, metabolism, and protein expression, and decreased expression of genes related to neuronal function. Epigenetic analyses revealed concordant changes in chromatin accessibility, histone modifications, and gene expression in specific cell types. C9-FTD patients had a distinct pattern of changes, including loss of neurons in frontal cortex and altered expression of thousands of genes in astrocytes and oligodendrocyte-lineage cells. Overall, these findings demonstrate a context-dependent molecular disruption in C9-ALS and C9-FTD, resulting in distinct effects across cell types, brain regions, and disease phenotypes. One Sentence Summary C9orf72-associated ALS and FTD showed a distinct pattern of transcriptome changes, with the largest number of affected genes in C9-ALS in astrocytes and excitatory neurons in upper and deep layers.

Abstract Substance use disorders (SUD) and drug addiction are major threats to public health, impacting not only the millions of individuals struggling with SUD, but also surrounding families and communities. One of the seminal challenges in treating and studying addiction in human populations is the high prevalence of co-morbid conditions, including an increased risk of contracting a human immunodeficiency virus (HIV) infection. Of the ~15 million people who inject drugs globally, 17% are persons with HIV. Conversely, HIV is a risk factor for SUD because chronic pain syndromes, often encountered in persons with HIV, can lead to an increased use of opioid pain medications that in turn can increase the risk for opioid addiction. We hypothesize that SUD and HIV exert shared effects on brain cell types, including adaptations related to neuroplasticity, neurodegeneration, and neuroinflammation. Basic research is needed to refine our understanding of these affected cell types and adaptations. Studying the effects of SUD in the context of HIV at the single-cell level represents a compelling strategy to understand the reciprocal interactions among both conditions, made feasible by the availability of large, extensively-phenotyped human brain tissue collections that have been amassed by the Neuro-HIV research community. In addition, sophisticated animal models that have been developed for both conditions provide a means to precisely evaluate specific exposures and stages of disease. We propose that single-cell genomics is a uniquely powerful technology to characterize the effects of SUD and HIV in the brain, integrating data from human cohorts and animal models. We have formed the Single-Cell Opioid Responses in the Context of HIV (SCORCH) consortium to carry out this strategy.