Epigenetic Brainscape Epigenetic modifications and their potential changes during development are of high interest, but few studies have characterized such differences. Lister et al. ( 1237905 , published online 4 July; see the Perspective by Gabel and Greenberg ) report whole-genome base-resolution analysis of DNA cytosine modifications and transcriptome analysis in the frontal cortex of human and mouse brains at multiple developmental stages. The high-resolution mapping of DNA cytosine methylation (5mC) and one of its oxidation derivatives (5hmC) at key developmental stages provides a comprehensive resource covering the temporal dynamics of these epigenetic modifications in neurons compared to glia. The data suggest that methylation marks are dynamic during brain development in both humans and mice.

Significance Anesthesiologists reversibly manipulate the brain function of nearly 60,000 patients each day, but brain-state monitoring is not an accepted practice in anesthesia care because markers that reliably track changes in level of consciousness under general anesthesia have yet to be identified. We found specific behavioral and electrophysiological changes that mark the transition between consciousness and unconsciousness induced by propofol, one of the most commonly used anesthetic drugs. Our results provide insights into the mechanisms of propofol-induced unconsciousness and establish EEG signatures of this brain state that could be used to monitor the brain activity of patients receiving general anesthesia.

Recent advances in fluorescence imaging permit studies of Ca2+ dynamics in large numbers of cells, in anesthetized and awake behaving animals. However, unlike for electrophysiological signals, standardized algorithms for assigning optically recorded signals to individual cells have not yet emerged. Here, we describe an automated sorting procedure that combines independent component analysis and image segmentation for extracting cells' locations and their dynamics with minimal human supervision. In validation studies using simulated data, automated sorting significantly improved estimation of cellular signals compared to conventional analysis based on image regions of interest. We used automated procedures to analyze data recorded by two-photon Ca2+ imaging in the cerebellar vermis of awake behaving mice. Our analysis yielded simultaneous Ca2+ activity traces for up to >100 Purkinje cells and Bergmann glia from single recordings. Using this approach, we found microzones of Purkinje cells that were stable across behavioral states and in which synchronous Ca2+ spiking rose significantly during locomotion.

Neuronal diversity is essential for mammalian brain function but poses a challenge to molecular profiling. To address the need for tools that facilitate cell-type-specific epigenomic studies, we developed the first affinity purification approach to isolate nuclei from genetically defined cell types in a mammal. We combine this technique with next-generation sequencing to show that three subtypes of neocortical neurons have highly distinctive epigenomic landscapes. Over 200,000 regions differ in chromatin accessibility and DNA methylation signatures characteristic of gene regulatory regions. By footprinting and motif analyses, these regions are predicted to bind distinct cohorts of neuron subtype-specific transcription factors. Neuronal epigenomes reflect both past and present gene expression, with DNA hyper-methylation at developmentally critical genes appearing as a novel epigenomic signature in mature neurons. Taken together, our findings link the functional and transcriptional complexity of neurons to their underlying epigenomic diversity.

As part of the Epigenome Roadmap Project, genome-wide maps of DNA methylation and transcriptomes together with genomic DNA sequencing of 18 different primary human tissue types from 4 individuals are presented; analysis reveals widespread differential methylation of CG sites between tissues, and the presence of non-CG methylation in adult tissues. As part of the Epigenome Roadmap project, Joseph Ecker and colleagues provide genome-wide maps of DNA methylation and transcriptomes, in conjunction with genomic DNA sequencing, of 18 different primary human tissue types from four individuals. Analysis of the datasets reveals widespread differential methylation of CG sites between tissues, and methylation at regulatory elements generally has a negative correlation with gene expression as expected. A surprising amount of non-CG methylation is found in a subpopulation of cells in many tissues. Understanding the diversity of human tissues is fundamental to disease and requires linking genetic information, which is identical in most of an individual’s cells, with epigenetic mechanisms that could have tissue-specific roles. Surveys of DNA methylation in human tissues have established a complex landscape including both tissue-specific and invariant methylation patterns1,2. Here we report high coverage methylomes that catalogue cytosine methylation in all contexts for the major human organ systems, integrated with matched transcriptomes and genomic sequence. By combining these diverse data types with each individuals’ phased genome3, we identified widespread tissue-specific differential CG methylation (mCG), partially methylated domains, allele-specific methylation and transcription, and the unexpected presence of non-CG methylation (mCH) in almost all human tissues. mCH correlated with tissue-specific functions, and using this mark, we made novel predictions of genes that escape X-chromosome inactivation in specific tissues. Overall, DNA methylation in several genomic contexts varies substantially among human tissues.

Methylation and the single neuronal cell The presence or absence of methylation on chromosomal DNA can drive or repress gene expression. Now, a comprehensive map of methylation variation in neuronal cell populations, including a between-species comparison, illustrates how epigenetic diversity plays important roles in neuronal development. Luo et al. examined how DNA methylation is both similar and different within neurons at the single-nucleus level in humans and mice. They identified 16 mouse and 21 human neuronal clusters, with greater complexity of excitatory neurons in deep brain layers than in superficial layers. Science , this issue p. 600

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.

A central goal in biomedicine is to explain organismic behavior in terms of causal cellular processes. However, concurrent observation of mammalian behavior and underlying cellular dynamics has been a longstanding challenge. We describe a miniaturized (1.1 g mass) epifluorescence microscope for cellular-level brain imaging in freely moving mice, and its application to imaging microcirculation and neuronal Ca(2+) dynamics.

Identification of the cis-regulatory elements controlling cell-type specific gene expression patterns is essential for understanding the origin of cellular diversity. Conventional assays to map regulatory elements via open chromatin analysis of primary tissues is hindered by sample heterogeneity. Single cell analysis of accessible chromatin (scATAC-seq) can overcome this limitation. However, the high-level noise of each single cell profile and the large volume of data pose unique computational challenges. Here, we introduce SnapATAC, a software package for analyzing scATAC-seq datasets. SnapATAC dissects cellular heterogeneity in an unbiased manner and map the trajectories of cellular states. Using the Nyström method, SnapATAC can process data from up to a million cells. Furthermore, SnapATAC incorporates existing tools into a comprehensive package for analyzing single cell ATAC-seq dataset. As demonstration of its utility, SnapATAC is applied to 55,592 single-nucleus ATAC-seq profiles from the mouse secondary motor cortex. The analysis reveals ~370,000 candidate regulatory elements in 31 distinct cell populations in this brain region and inferred candidate cell-type specific transcriptional regulators.

Although it is firmly established that neuronal activity is a prime determinant of animal behavior, relationships between astrocytic excitation and animal behavior have remained opaque. Cerebellar Bergmann glia are radial astrocytes that are implicated in motor behavior and exhibit Ca2+ excitation. However, Ca2+ excitation in these cells has not previously been studied in behaving animals. Using two-photon microscopy we found that Bergmann glia exhibit three forms of Ca2+ excitation in awake, behaving mice. Two of these are ongoing within the cerebellar vermis. During locomotor performance concerted Ca2+ excitation arises in networks of at least hundreds of Bergmann glia extending across several hundred microns or more. Concerted Ca2+ excitation was abolished by anesthesia or blockade of either neural activity or glutamatergic transmission. Thus, large networks of Bergmann glia can be activated by specific animal behaviors and undergo excitation of sufficient magnitude to potentially initiate macroscopic changes in brain dynamics or blood flow.