The mammalian nervous system executes complex behaviors controlled by specialized, precisely positioned, and interacting cell types. Here, we used RNA sequencing of half a million single cells to create a detailed census of cell types in the mouse nervous system. We mapped cell types spatially and derived a hierarchical, data-driven taxonomy. Neurons were the most diverse and were grouped by developmental anatomical units and by the expression of neurotransmitters and neuropeptides. Neuronal diversity was driven by genes encoding cell identity, synaptic connectivity, neurotransmission, and membrane conductance. We discovered seven distinct, regionally restricted astrocyte types that obeyed developmental boundaries and correlated with the spatial distribution of key glutamate and glycine neurotransmitters. In contrast, oligodendrocytes showed a loss of regional identity followed by a secondary diversification. The resource presented here lays a solid foundation for understanding the molecular architecture of the mammalian nervous system and enables genetic manipulation of specific cell types.

Oligodendrocyte pathology is increasingly implicated in neurodegenerative diseases as oligodendrocytes both myelinate and provide metabolic support to axons. In multiple sclerosis (MS), demyelination in the central nervous system thus leads to neurodegeneration, but the severity of MS between patients is very variable. Disability does not correlate well with the extent of demyelination1, which suggests that other factors contribute to this variability. One such factor may be oligodendrocyte heterogeneity. Not all oligodendrocytes are the same—those from the mouse spinal cord inherently produce longer myelin sheaths than those from the cortex2, and single-cell analysis of the mouse central nervous system identified further differences3,4. However, the extent of human oligodendrocyte heterogeneity and its possible contribution to MS pathology remain unknown. Here we performed single-nucleus RNA sequencing from white matter areas of post-mortem human brain from patients with MS and from unaffected controls. We identified subclusters of oligodendroglia in control human white matter, some with similarities to mouse, and defined new markers for these cell states. Notably, some subclusters were underrepresented in MS tissue, whereas others were more prevalent. These differences in mature oligodendrocyte subclusters may indicate different functional states of oligodendrocytes in MS lesions. We found similar changes in normal-appearing white matter, showing that MS is a more diffuse disease than its focal demyelination suggests. Our findings of an altered oligodendroglial heterogeneity in MS may be important for understanding disease progression and developing therapeutic approaches. Single-nucleus RNA sequencing analysis identifies different subclusters of oligodendroglia in white matter from individuals with multiple sclerosis compared with controls, and these differences may be important for understanding disease progression.

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 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 Understanding midbrain dopaminergic (mDA) neuron development is key to advancing cell replacement therapies for Parkinson’s disease (PD). Recent single-cell RNA-sequencing (scRNA-seq) studies have identified different subtypes of transient radial glia (Rgl) cell types in the developing mouse and human ventral midbrain. However, their individual functions and their impact on mDA neuron development are unclear. Here we analyze the transcriptome of endogenous mouse and human ventral midbrain Rgl and assess the function of key midbrain floor plate Rgl factors in human stem cells during mDA neuron differentiation. We find that Rgl1 is defined by a neurogenic network centered on Arntl , and that this transcription factor regulates human mDA neurogenesis. Conversely, the transcriptome of Rgl3 is dominated by signaling and extracellular matrix molecules that control different aspects of human mDA neuron development. Thus, our results suggest a function of Rgl1 as a mDA progenitor, and of Rgl3 as a signaling mDA niche cell. Moreover, using human stem cells we demonstrate that new knowledge of cell-type specific intrinsic and extrinsic developmental factors can readily be applied to improve the generation of cells with therapeutic interest, such as human mDA neurons for PD.

Summary Stem cell technologies provide new opportunities for modeling cells in the healthy and diseased states and for regenerative medicine. In both cases developmental knowledge as well as the quality and molecular properties of the cells are essential for their future application. In this study we identify developmental factors important for the differentiation of human embryonic stem cells (hESCs) into midbrain dopaminergic (mDA) neurons. We found that Laminin-511, and dual canonical and non-canonical WNT activation followed by GSK3β inhibition plus FGF8b, improved midbrain patterning. In addition, mDA neurogenesis and differentiation was enhanced by activation of liver X receptors and inhibition of fibroblast growth factor signaling. Moreover, single-cell RNA-sequencing analysis revealed a developmental dynamics similar to that of the endogenous human ventral midbrain and the emergence of high quality molecularly-defined midbrain cell types, including mDA neurons that become functional. Thus, our study identifies novel factors important for human midbrain development and opens the door for a future application of molecularly-defined hESC-derived midbrain cell types in Parkinson’s disease.