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 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 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.

ABSTRACT Rodent studies have demonstrated that synaptic dynamics from excitatory to inhibitory neuron types are often dependent on the target cell type. However, these target cell-specific properties have not been well investigated in human cortex, where there are major technical challenges in reliably identifying cell types. Here, we take advantage of newly developed methods for human neurosurgical tissue analysis with multiple patch-clamp recordings, post-hoc fluorescent in situ hybridization (FISH), and prospective GABAergic AAV-based labeling to investigate synaptic properties between pyramidal neurons and PVALB- vs. SST- positive interneurons. We find that there are robust molecular differences in synapse-associated genes between these neuron types, and that individual presynaptic pyramidal neurons evoke postsynaptic responses with heterogeneous synaptic dynamics in different postsynaptic cell types. Using molecular identification with FISH and classifiers based on transcriptomically identified PVALB neurons analyzed with Patch-seq methods, we find that PVALB neurons typically show depressing synaptic characteristics, whereas other interneuron types including SST-positive neurons show facilitating characteristics. Together, these data support the existence of target cell-specific synaptic properties in human cortex that are similar to rodent, thereby indicating evolutionary conservation of local circuit connectivity motifs from excitatory to inhibitory neurons and their synaptic dynamics.

The mammalian brain is composed of diverse neuron types that play different functional roles. Recent single-cell RNA sequencing approaches have led to a whole brain taxonomy of transcriptomically-defined cell types, yet cell type definitions that include multiple cellular properties can offer additional insights into a neuron's role in brain circuits. While the Patch-seq method can investigate how transcriptomic properties relate to the local morphological and electrophysiological properties of cell types, linking transcriptomic identities to long-range projections is a major unresolved challenge. To address this, we collected coordinated Patch-seq and whole brain morphology data sets of excitatory neurons in mouse visual cortex. From the Patch-seq data, we defined 16 integrated morpho-electric-transcriptomic (MET)-types; in parallel, we reconstructed the complete morphologies of 300 neurons. We unified the two data sets with a multi-step classifier, to integrate cell type assignments and interrogate cross-modality relationships. We find that transcriptomic variations within and across MET-types correspond with morphological and electrophysiological phenotypes. In addition, this variation, along with the anatomical location of the cell, can be used to predict the projection targets of individual neurons. We also shed new light on infragranular cell types and circuits, including cell-type-specific, interhemispheric projections. With this approach, we establish a comprehensive, integrated taxonomy of excitatory neuron types in mouse visual cortex and create a system for integrated, high-dimensional cell type classification that can be extended to the whole brain and potentially across species.

Delivering genes to and across the brain vasculature efficiently and specifically across species remains a critical challenge for addressing neurological diseases. We have evolved adeno-associated virus (AAV9) capsids into vectors that transduce brain endothelial cells specifically and efficiently following systemic administration in wild-type mice with diverse genetic backgrounds and rats. These AAVs also exhibit superior transduction of the CNS across non-human primates (marmosets and rhesus macaques), and ex vivo human brain slices although the endothelial tropism is not conserved across species. The capsid modifications translate from AAV9 to other serotypes such as AAV1 and AAV-DJ, enabling serotype switching for sequential AAV administration in mice. We demonstrate that the endothelial specific mouse capsids can be used to genetically engineer the blood-brain barrier by transforming the mouse brain vasculature into a functional biofactory. Vasculature-secreted Hevin (a synaptogenic protein) rescued synaptic deficits in a mouse model.

Abstract Dravet syndrome (DS) is a devastating developmental epileptic encephalopathy marked by treatment-resistant seizures, developmental delay, intellectual disability, motor deficits, and a 10-20% rate of premature death. Most DS patients harbor loss-of-function mutations in one copy of SCN1A , which has been associated with inhibitory neuron dysfunction. Here we developed an interneuron-targeting AAV human SCN1A gene replacement therapy using cell class-specific enhancers. We generated a split-intein fusion form of SCN1A to circumvent AAV packaging limitations and deliver SCN1A via a dual vector approach using cell class-specific enhancers. These constructs produced full-length Na V 1.1 protein and functional sodium channels in HEK293 cells and in brain cells in vivo . After packaging these vectors into enhancer-AAVs and administering to mice, immunohistochemical analyses showed telencephalic GABAergic interneuron-specific and dose-dependent transgene biodistribution. These vectors conferred strong dose-dependent protection against postnatal mortality and seizures in two DS mouse models carrying independent loss-of-function alleles of Scn1a, at two independent research sites, supporting the robustness of this approach. No mortality or toxicity was observed in wild-type mice injected with single vectors expressing either the N-terminal or C-terminal halves of SCN1A , or the dual vector system targeting interneurons. In contrast, nonselective neuronal targeting of SCN1A conferred less rescue against mortality and presented substantial preweaning lethality. These findings demonstrate proof-of-concept that interneuron-specific AAV-mediated SCN1A gene replacement is sufficient for significant rescue in DS mouse models and suggest it could be an effective therapeutic approach for patients with DS.

Hippocampal pyramidal neuron activity underlies episodic memory and spatial navigation. Although extensively studied in rodents, extremely little is known about human hippocampal pyramidal neurons, even though human hippocampus underwent strong evolutionary reorganization and shows lower theta rhythm frequencies. To test whether biophysical and computational properties of human CA1 pyramidal neurons can explain observed rhythms, we map the morpho-electric and computational properties of individual CA1 pyramidal neurons in human, non-pathological hippocampal slices from neurosurgery. Human CA1 pyramidal neurons have extensive dendrites and resonate at 2.9 Hz, optimally tuned to human theta frequencies. Morphological and biophysical properties reveal three cell types with distinct dendrite bifurcations and physiology. Data-driven biophysical models show that human CA1 pyramidal neurons use i) computationally independent dendritic compartments, ii) preferential routing of electrical activity towards soma or dendritic tree and iii) non-linear input-output transformations. Across cell types, morpho-electric properties consistently increase computational richness in human CA1 pyramidal neurons.