The Cre/lox system is widely used in mice to achieve cell-type-specific gene expression. However, a strong and universally responding system to express genes under Cre control is still lacking. We have generated a set of Cre reporter mice with strong, ubiquitous expression of fluorescent proteins of different spectra. The robust native fluorescence of these reporters enables direct visualization of fine dendritic structures and axonal projections of the labeled neurons, which is useful in mapping neuronal circuitry, imaging and tracking specific cell populations in vivo. Using these reporters and a high-throughput in situ hybridization platform, we are systematically profiling Cre-directed gene expression throughout the mouse brain in several Cre-driver lines, including new Cre lines targeting different cell types in the cortex. Our expression data are displayed in a public online database to help researchers assess the utility of various Cre-driver lines for cell-type-specific genetic manipulation.

Neuroanatomically precise, genome-wide maps of transcript distributions are critical resources to complement genomic sequence data and to correlate functional and genetic brain architecture. Here we describe the generation and analysis of a transcriptional atlas of the adult human brain, comprising extensive histological analysis and comprehensive microarray profiling of ∼900 neuroanatomically precise subdivisions in two individuals. Transcriptional regulation varies enormously by anatomical location, with different regions and their constituent cell types displaying robust molecular signatures that are highly conserved between individuals. Analysis of differential gene expression and gene co-expression relationships demonstrates that brain-wide variation strongly reflects the distributions of major cell classes such as neurons, oligodendrocytes, astrocytes and microglia. Local neighbourhood relationships between fine anatomical subdivisions are associated with discrete neuronal subtypes and genes involved with synaptic transmission. The neocortex displays a relatively homogeneous transcriptional pattern, but with distinct features associated selectively with primary sensorimotor cortices and with enriched frontal lobe expression. Notably, the spatial topography of the neocortex is strongly reflected in its molecular topography—the closer two cortical regions, the more similar their transcriptomes. This freely accessible online data resource forms a high-resolution transcriptional baseline for neurogenetic studies of normal and abnormal human brain function. Laser microdissection and microarrays are used to assess 900 precise subdivisions of the brains from three healthy men with 60,000 gene expression probes; the resulting atlas allows comparisons between humans and other animals, and will facilitate studies of human neurological and psychiatric diseases. High-resolution maps of genome-wide gene expression have been available for mice for a few years, but only relatively coarse equivalents have been published for the human brain because of the challenges presented by the 1,000-fold increase in size and the limited availability and quality of postmortem tissue. Now Michael Hawrylycz and colleagues at the Allen Institute for Brain Science in Seattle, Washington, have used laser microdissection and microarrays to assess 900 precise subdivisions in brains from two healthy men with 60,000 gene-expression probes. The resulting atlas, freely available at www.brain-map.org, allows comparisons between humans and other animals, and will facilitate studies of human neurological and psychiatric diseases. One early observation from the data is a human-specific pattern — compared with the mouse and rhesus monkey — for the calcium-binding protein CALB1 in the hippocampus.

We present a high-quality genome sequence of a Neanderthal woman from Siberia. We show that her parents were related at the level of half-siblings and that mating among close relatives was common among her recent ancestors. We also sequenced the genome of a Neanderthal from the Caucasus to low coverage. An analysis of the relationships and population history of available archaic genomes and 25 present-day human genomes shows that several gene flow events occurred among Neanderthals, Denisovans and early modern humans, possibly including gene flow into Denisovans from an unknown archaic group. Thus, interbreeding, albeit of low magnitude, occurred among many hominin groups in the Late Pleistocene. In addition, the high-quality Neanderthal genome allows us to establish a definitive list of substitutions that became fixed in modern humans after their separation from the ancestors of Neanderthals and Denisovans. A complete genome sequence is presented of a female Neanderthal from Siberia, providing information about interbreeding between close relatives and uncovering gene flow events among Neanderthals, Denisovans and early modern humans, as well as establishing substitutions that became fixed in modern humans after their separation from the ancestors of Neanderthals and Denisovans. Recent excavations in the Denisova Cave in the Altai Mountains of southern Siberia have yielded a wealth of hominin fossils from a site that has been occupied for perhaps 250,000 years or more. Now a high-quality genome sequence has been determined from a circa 50,000-year-old toe bone — a proximal toe phalanx — excavated from the east gallery of Denisova Cave in 2010. The sequence is that of a Neanderthal woman whose parents were closely related — perhaps half-siblings or uncle and niece. Such inbreeding was also common among her recent ancestors. Comparisons with other archaic and present-day human genomes reveal several gene-flow events among Neanderthals, the closely related Denisovans and early modern humans, possibly including gene flow into Denisovans from an unknown archaic group. The high-quality Neanderthal genome also helps to establish a definitive list of substitutions that became fixed in modern humans after their separation from the ancestors of Neanderthals and Denisovans.

The neocortex contains a multitude of cell types that are segregated into layers and functionally distinct areas. To investigate the diversity of cell types across the mouse neocortex, here we analysed 23,822 cells from two areas at distant poles of the mouse neocortex: the primary visual cortex and the anterior lateral motor cortex. We define 133 transcriptomic cell types by deep, single-cell RNA sequencing. Nearly all types of GABA (γ-aminobutyric acid)-containing neurons are shared across both areas, whereas most types of glutamatergic neurons were found in one of the two areas. By combining single-cell RNA sequencing and retrograde labelling, we match transcriptomic types of glutamatergic neurons to their long-range projection specificity. Our study establishes a combined transcriptomic and projectional taxonomy of cortical cell types from functionally distinct areas of the adult mouse cortex. Single-cell transcriptomics of more than 20,000 cells from two functionally distinct areas of the mouse neocortex identifies 133 transcriptomic types, and provides a foundation for understanding the diversity of cortical cell types.

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.

The recent advent of methods for high-throughput single-cell molecular profiling has catalyzed a growing sense in the scientific community that the time is ripe to complete the 150-year-old effort to identify all cell types in the human body. The Human Cell Atlas Project is an international collaborative effort that aims to define all human cell types in terms of distinctive molecular profiles (such as gene expression profiles) and to connect this information with classical cellular descriptions (such as location and morphology). An open comprehensive reference map of the molecular state of cells in healthy human tissues would propel the systematic study of physiological states, developmental trajectories, regulatory circuitry and interactions of cells, and also provide a framework for understanding cellular dysregulation in human disease. Here we describe the idea, its potential utility, early proofs-of-concept, and some design considerations for the Human Cell Atlas, including a commitment to open data, code, and community.

The anatomical and functional architecture of the human brain is mainly determined by prenatal transcriptional processes. We describe an anatomically comprehensive atlas of the mid-gestational human brain, including de novo reference atlases, in situ hybridization, ultra-high-resolution magnetic resonance imaging (MRI) and microarray analysis on highly discrete laser-microdissected brain regions. In developing cerebral cortex, transcriptional differences are found between different proliferative and post-mitotic layers, wherein laminar signatures reflect cellular composition and developmental processes. Cytoarchitectural differences between human and mouse have molecular correlates, including species differences in gene expression in subplate, although surprisingly we find minimal differences between the inner and outer subventricular zones even though the outer zone is expanded in humans. Both germinal and post-mitotic cortical layers exhibit fronto-temporal gradients, with particular enrichment in the frontal lobe. Finally, many neurodevelopmental disorder and human-evolution-related genes show patterned expression, potentially underlying unique features of human cortical formation. These data provide a rich, freely-accessible resource for understanding human brain development. A spatially resolved transcriptional atlas of the mid-gestational developing human brain has been created using laser-capture microdissection and microarray technology, providing a comprehensive reference resource which also enables new hypotheses about the nature of human brain evolution and the origins of neurodevelopmental disorders. With President Barack Obama's BRAIN (Brain Research through Advancing Innovative Neurotechnologies) initiative now entering year two, this issue of Nature presents two landmark papers that mobilize 'big science' resources to the cause. Hongkui Zeng and colleagues present the first brain-wide, mesoscale connectome for a mammalian species — the laboratory mouse — based on cell-type-specific tracing of axonal projections. The wiring diagram of a complete nervous system has long been available for a small roundworm, but neuronal connectivity data for larger animals has been patchy until now. The new three-dimensional Allen Mouse Brain Connectivity Atlas is a whole-brain connectivity matrix that will provide insights into how brain regions communicate. Much of the data generated in this project will be of relevance to investigations of neural networks in humans and should help to further our understanding of human brain connectivity and its involvement in brain disorders. In a separate report Ed Lein and colleagues present a transcriptional atlas of the mid-gestational human brain at high spatial resolution, based on laser microdissection and DNA microarray technology. The structure and function of the human brain is largely determined by prenatal transcriptional processes that initiate gene expression, but our understanding of the developing brain has been limited. The new data set reveals transcriptional signatures for developmental processes associated with the massive expansion of neocortex during human evolution, and suggests new cortical germinal zones or postmitotic neurons as sites of dynamic expression for many genes associated with neurological or psychiatric disorders.

Autism spectrum disorder (ASD) is a complex developmental syndrome of unknown etiology. Recent studies employing exome- and genome-wide sequencing have identified nine high-confidence ASD (hcASD) genes. Working from the hypothesis that ASD-associated mutations in these biologically pleiotropic genes will disrupt intersecting developmental processes to contribute to a common phenotype, we have attempted to identify time periods, brain regions, and cell types in which these genes converge. We have constructed coexpression networks based on the hcASD "seed" genes, leveraging a rich expression data set encompassing multiple human brain regions across human development and into adulthood. By assessing enrichment of an independent set of probable ASD (pASD) genes, derived from the same sequencing studies, we demonstrate a key point of convergence in midfetal layer 5/6 cortical projection neurons. This approach informs when, where, and in what cell types mutations in these specific genes may be productively studied to clarify ASD pathophysiology.

Autism spectrum disorder (ASD) is a heterogeneous disease in which efforts to define subtypes behaviorally have met with limited success. Hypothesizing that genetically based subtype identification may prove more productive, we resequenced the ASD-associated gene CHD8 in 3,730 children with developmental delay or ASD. We identified a total of 15 independent mutations; no truncating events were identified in 8,792 controls, including 2,289 unaffected siblings. In addition to a high likelihood of an ASD diagnosis among patients bearing CHD8 mutations, characteristics enriched in this group included macrocephaly, distinct faces, and gastrointestinal complaints. chd8 disruption in zebrafish recapitulates features of the human phenotype, including increased head size as a result of expansion of the forebrain/midbrain and impairment of gastrointestinal motility due to a reduction in postmitotic enteric neurons. Our findings indicate that CHD8 disruptions define a distinct ASD subtype and reveal unexpected comorbidities between brain development and enteric innervation.