Comprehensive knowledge of the brain’s wiring diagram is fundamental for understanding how the nervous system processes information at both local and global scales. However, with the singular exception of the C. elegans microscale connectome, there are no complete connectivity data sets in other species. Here we report a brain-wide, cellular-level, mesoscale connectome for the mouse. The Allen Mouse Brain Connectivity Atlas uses enhanced green fluorescent protein (EGFP)-expressing adeno-associated viral vectors to trace axonal projections from defined regions and cell types, and high-throughput serial two-photon tomography to image the EGFP-labelled axons throughout the brain. This systematic and standardized approach allows spatial registration of individual experiments into a common three dimensional (3D) reference space, resulting in a whole-brain connectivity matrix. A computational model yields insights into connectional strength distribution, symmetry and other network properties. Virtual tractography illustrates 3D topography among interconnected regions. Cortico-thalamic pathway analysis demonstrates segregation and integration of parallel pathways. The Allen Mouse Brain Connectivity Atlas is a freely available, foundational resource for structural and functional investigations into the neural circuits that support behavioural and cognitive processes in health and disease. In mouse, an axonal connectivity map showing the wiring patterns across the entire brain has been created using an EGFP-expressing adeno-associated virus tracing technique, providing the first such whole-brain map for a vertebrate species. 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.

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.

Summary

 Recent large-scale collaborations are generating major surveys of cell types and connections in the mouse brain, collecting large amounts of data across modalities, spatial scales, and brain areas. Successful integration of these data requires a standard 3D reference atlas. Here, we present the Allen Mouse Brain Common Coordinate Framework (CCFv3) as such a resource. We constructed an average template brain at 10 μm voxel resolution by interpolating high resolution in-plane serial two-photon tomography images with 100 μm z-sampling from 1,675 young adult C57BL/6J mice. Then, using multimodal reference data, we parcellated the entire brain directly in 3D, labeling every voxel with a brain structure spanning 43 isocortical areas and their layers, 329 subcortical gray matter structures, 81 fiber tracts, and 8 ventricular structures. CCFv3 can be used to analyze, visualize, and integrate multimodal and multiscale datasets in 3D and is openly accessible (https://atlas.brain-map.org/).

Modern genetic approaches are powerful in providing access to diverse cell types in the brain and facilitating the study of their function. Here, we report a large set of driver and reporter transgenic mouse lines, including 23 new driver lines targeting a variety of cortical and subcortical cell populations and 26 new reporter lines expressing an array of molecular tools. In particular, we describe the TIGRE2.0 transgenic platform and introduce Cre-dependent reporter lines that enable optical physiology, optogenetics, and sparse labeling of genetically defined cell populations. TIGRE2.0 reporters broke the barrier in transgene expression level of single-copy targeted-insertion transgenesis in a wide range of neuronal types, along with additional advantage of a simplified breeding strategy compared to our first-generation TIGRE lines. These novel transgenic lines greatly expand the repertoire of high-precision genetic tools available to effectively identify, monitor, and manipulate distinct cell types in the mouse brain.

The mammalian cortex is a laminar structure containing many areas and cell types that are densely interconnected in complex ways, and for which generalizable principles of organization remain mostly unknown. Here we describe a major expansion of the Allen Mouse Brain Connectivity Atlas resource

Significant advances in circuit-level analyses of the brain require tools that allow for labeling, modulation of gene expression, and monitoring and manipulation of cellular activity in specific cell types and/or anatomical regions. Large-scale projects and individual laboratories have produced hundreds of gene-specific promoter-driven Cre mouse lines invaluable for enabling genetic access to subpopulations of cells in the brain. However, the potential utility of each line may not be fully realized without systematic whole brain characterization of transgene expression patterns. We established a high-throughput in situ hybridization, imaging and data processing pipeline to describe whole brain gene expression patterns in Cre driver mice. Currently, anatomical data from over 100 Cre driver lines are publicly available via the Allen Institute’s Transgenic Characterization database, which can be used to assist researchers in choosing the appropriate Cre drivers for functional, molecular, or connectional studies of different regions and/or cell types in the brain.

The anatomy of the mammalian visual system, from the retina to the neocortex, is organized hierarchically1. However, direct observation of cellular-level functional interactions across this hierarchy is lacking due to the challenge of simultaneously recording activity across numerous regions. Here we describe a large, open dataset—part of the Allen Brain Observatory2—that surveys spiking from tens of thousands of units in six cortical and two thalamic regions in the brains of mice responding to a battery of visual stimuli. Using cross-correlation analysis, we reveal that the organization of inter-area functional connectivity during visual stimulation mirrors the anatomical hierarchy from the Allen Mouse Brain Connectivity Atlas3. We find that four classical hierarchical measures—response latency, receptive-field size, phase-locking to drifting gratings and response decay timescale—are all correlated with the hierarchy. Moreover, recordings obtained during a visual task reveal that the correlation between neural activity and behavioural choice also increases along the hierarchy. Our study provides a foundation for understanding coding and signal propagation across hierarchically organized cortical and thalamic visual areas. A large, open dataset containing parallel recordings from six visual cortical and two thalamic areas of the mouse brain is presented, from which the relative timing of activity in response to visual stimuli and behaviour is used to construct a hierarchy scheme that corresponds to anatomical connectivity data.

Understanding the diversity of cell types in the brain has been an enduring challenge and requires detailed characterization of individual neurons in multiple dimensions. To systematically profile morpho-electric properties of mammalian neurons, we established a single-cell characterization pipeline using standardized patch-clamp recordings in brain slices and biocytin-based neuronal reconstructions. We built a publicly accessible online database, the Allen Cell Types Database, to display these datasets. Intrinsic physiological properties were measured from 1,938 neurons from the adult laboratory mouse visual cortex, morphological properties were measured from 461 reconstructed neurons, and 452 neurons had both measurements available. Quantitative features were used to classify neurons into distinct types using unsupervised methods. We established a taxonomy of morphologically and electrophysiologically defined cell types for this region of the cortex, with 17 electrophysiological types, 38 morphological types and 46 morpho-electric types. There was good correspondence with previously defined transcriptomic cell types and subclasses using the same transgenic mouse lines. Gouwens et al. established a morpho-electrical taxonomy of cell types for the mouse visual cortex via unsupervised clustering analysis of multiple quantitative features from 1,938 neurons available online at the Allen Cell Types Database.

Amyloid-β oligomers may cause cognitive deficits in Alzheimer's disease by impairing neuronal NMDA-type glutamate receptors, whose function is regulated by the receptor tyrosine kinase EphB2. Here we show that amyloid-β oligomers bind to the fibronectin repeats domain of EphB2 and trigger EphB2 degradation in the proteasome. To determine the pathogenic importance of EphB2 depletions in Alzheimer's disease and related models, we used lentiviral constructs to reduce or increase neuronal expression of EphB2 in memory centres of the mouse brain. In nontransgenic mice, knockdown of EphB2 mediated by short hairpin RNA reduced NMDA receptor currents and impaired long-term potentiation in the dentate gyrus, which are important for memory formation. Increasing EphB2 expression in the dentate gyrus of human amyloid precursor protein transgenic mice reversed deficits in NMDA receptor-dependent long-term potentiation and memory impairments. Thus, depletion of EphB2 is critical in amyloid-β-induced neuronal dysfunction. Increasing EphB2 levels or function could be beneficial in Alzheimer's disease.

The entorhinal cortex (EC) is one of the earliest affected, most vulnerable brain regions in Alzheimer's disease (AD), which is associated with amyloid-β (Aβ) accumulation in many brain areas. Selective overexpression of mutant amyloid precursor protein (APP) predominantly in layer II/III neurons of the EC caused cognitive and behavioral abnormalities characteristic of mouse models with widespread neuronal APP overexpression, including hyperactivity, disinhibition, and spatial learning and memory deficits. APP/Aβ overexpression in the EC elicited abnormalities in synaptic functions and activity-related molecules in the dentate gyrus and CA1 and epileptiform activity in parietal cortex. Soluble Aβ was observed in the dentate gyrus, and Aβ deposits in the hippocampus were localized to perforant pathway terminal fields. Thus, APP/Aβ expression in EC neurons causes transsynaptic deficits that could initiate the cortical-hippocampal network dysfunction in mouse models and human patients with AD.