Intelligence is highly heritable1 and a major determinant of human health and well-being2. Recent genome-wide meta-analyses have identified 24 genomic loci linked to variation in intelligence3-7, but much about its genetic underpinnings remains to be discovered. Here, we present a large-scale genetic association study of intelligence (n = 269,867), identifying 205 associated genomic loci (190 new) and 1,016 genes (939 new) via positional mapping, expression quantitative trait locus (eQTL) mapping, chromatin interaction mapping, and gene-based association analysis. We find enrichment of genetic effects in conserved and coding regions and associations with 146 nonsynonymous exonic variants. Associated genes are strongly expressed in the brain, specifically in striatal medium spiny neurons and hippocampal pyramidal neurons. Gene set analyses implicate pathways related to nervous system development and synaptic structure. We confirm previous strong genetic correlations with multiple health-related outcomes, and Mendelian randomization analysis results suggest protective effects of intelligence for Alzheimer's disease and ADHD and bidirectional causation with pleiotropic effects for schizophrenia. These results are a major step forward in understanding the neurobiology of cognitive function as well as genetically related neurological and psychiatric disorders.

The human brain directs a wide range of complex behaviors ranging from fine motor skills to abstract intelligence and emotion. However, the diversity of cell types that support these skills has not been fully described. Here we used high-throughput single-nucleus RNA sequencing to systematically survey cells across the entire adult human brain in three postmortem donors. We sampled over three million nuclei from approximately 100 dissections across the forebrain, midbrain, and hindbrain. Our analysis identified 461 clusters and 3313 subclusters organized largely according to developmental origins. We found area-specific cortical neurons, as well as an unexpectedly high diversity of midbrain and hindbrain neurons. Astrocytes also exhibited regional diversity at multiple scales, comprising subtypes specific to the telencephalon and to more precise anatomical locations. Oligodendrocyte precursors comprised two distinct major types specific to the telencephalon and to the rest of the brain. Together, these findings demonstrate the unique cellular composition of the telencephalon with respect to all major brain cell types. As the first single-cell transcriptomic census of the entire human brain, we provide a resource for understanding the molecular diversity of the human brain in health and disease.

The mammalian brain develops through a complex interplay of spatial cues generated by diffusible morphogens, cell-cell interactions, and intrinsic genetic programs that result in the generation of likely more than a thousand distinct cell types. Therefore, a complete understanding of mammalian brain development requires systematic mapping of cell states covering the entire relevant spatiotemporal range. Here we report a comprehensive single-cell transcriptome atlas of mouse brain development spanning from gastrulation to birth. We identified almost a thousand distinct cellular states, including the initial emergence of the neuroepithelium, a rich set of region-specific secondary organizers and a complete developmental program for the functional elements of the brain and its enclosing membranes. We used the atlas to directly test the hypothesis that human glioblastoma reflects a return to a developmental cell state. In agreement, most aneuploid tumor cells matched embryonic rather than adult types, while karyotypically normal cells predominantly matched adult immune cell types.

The adult human brain likely comprises more than a thousand kinds of neurons, and an unknown number of glial cell types, but how cellular diversity arises during early brain development is not known. Here, in order to reveal the precise sequence of events during early brain development, we used single-cell RNA sequencing and spatial transcriptomics to uncover cell states and trajectories in human brains at 5 – 14 post-conceptional weeks (p.c.w.). We identified twelve major classes and over 600 distinct cell states, which mapped to precise spatial anatomical domains at 5 p.c.w. We uncovered detailed differentiation trajectories of the human forebrain, and a surprisingly large number of region-specific glioblasts maturing into distinct pre-astrocytes and pre-oligodendrocyte precursor cells (pre-OPCs). Our findings reveal the emergence of cell types during the critical first trimester of human brain development.

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.

Methods to spatially profile the transcriptome are dominated by a trade-off between resolution and throughput. Here, we developed a method named EEL FISH that can rapidly process large tissue samples without compromising spatial resolution. By electrophoretically transferring RNA from a tissue section onto a capture surface, EEL speeds up data acquisition by reducing the amount of imaging needed, while ensuring that RNA molecules move straight down towards the surface, preserving single-cell resolution. We applied EEL on eight entire sagittal sections of the mouse brain and measured the expression patterns of up to 440 genes to reveal complex tissue organisation. Moreover, EEL enabled the study of challenging human samples by removing autofluorescent lipofuscin, so that we could study the spatial transcriptome of the human visual cortex. We provide full hardware specification, all protocols and complete software for instrument control, image processing, data analysis and visualization.

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.

Delineating the gene regulatory programs underlying complex cell types is fundamental for understanding brain functions in health and disease. Here, we comprehensively examine human brain cell epigenomes by probing DNA methylation and chromatin conformation at single-cell resolution in over 500,000 cells from 46 brain regions. We identified 188 cell types and characterized their molecular signatures. Integrative analyses revealed concordant changes in DNA methylation, chromatin accessibility, chromatin organization, and gene expression across cell types, cortical areas, and basal ganglia structures. With these resources, we developed scMCodes that reliably predict brain cell types using their methylation status at select genomic sites. This multimodal epigenomic brain cell atlas provides new insights into the complexity of cell type-specific gene regulation in the adult human brain.

Summary The lung contains numerous specialized cell-types with distinct roles in tissue function and integrity. To clarify the origins and mechanisms generating cell heterogeneity, we created a first comprehensive topographic atlas of early human lung development. We report 83 cell states, several spatially-resolved developmental trajectories and predict cell interactions within defined tissue niches. We integrated scRNA-Seq and spatial transcriptomics into a web-based, open platform for interactive exploration. To illustrate the utility of our approach we show distinct states of secretory and neuroendocrine cells, largely overlapping with the programs activated either during lung fibrosis or small cell lung cancer progression. We define the origin of uncharacterized airway fibroblasts associated with airway smooth muscle in bronchovascular bundles, and describe a trajectory of Schwann cell progenitors to intrinsic parasympathetic neurons controlling bronchoconstriction. Our atlas provides a rich resource for further research and a reference for defining deviations from homeostatic and repair mechanisms leading to pulmonary diseases.