Abstract The expanded HTT CAG repeat causing Huntington’s disease (HD) exhibits somatic expansion proposed to drive the rate of disease onset by eliciting a pathological process that ultimately claims vulnerable cells. To gain insight into somatic expansion in humans, we performed comprehensive quantitative analyses of CAG expansion in ~50 central nervous system (CNS) and peripheral postmortem tissues from seven adult-onset and one juvenile-onset HD individual. We also assessed ATXN1 CAG repeat expansion in brain regions of an individual with a neurologically and pathologically distinct repeat expansion disorder, spinocerebellar ataxia type 1 (SCA1). Our findings reveal similar profiles of tissue instability in all HD individuals, which, notably, were also apparent in the SCA1 individual. CAG expansion was observed in all tissues, but to different degrees, with multiple cortical regions and neostriatum tending to have the greatest instability in the CNS, and liver in the periphery. These patterns indicate different propensities for CAG expansion contributed by disease locus-independent trans-factors and demonstrate that expansion per se is not sufficient to cause cell type or disease-specific pathology. Rather, pathology may reflect distinct toxic processes triggered by different repeat lengths across cell types and diseases. We also find that the HTT CAG length-dependent expansion propensity of an individual is reflected in all tissues and in cerebrospinal fluid. Our data indicate that peripheral cells may be a useful source to measure CAG expansion in biomarker assays for therapeutic efforts, prompting efforts to dissect underlying mechanisms of expansion that may differ between the brain and periphery.

A head computed tomography (CT) with positive results for acute intracranial hemorrhage is the gold-standard diagnostic biomarker for acute traumatic brain injury (TBI). In moderate to severe TBI (Glasgow Coma Scale [GCS] scores 3-12), some CT features have been shown to be associated with outcomes. In mild TBI (mTBI; GCS scores 13-15), distribution and co-occurrence of pathological CT features and their prognostic importance are not well understood.To identify pathological CT features associated with adverse outcomes after mTBI.The longitudinal, observational Transforming Research and Clinical Knowledge in Traumatic Brain Injury (TRACK-TBI) study enrolled patients with TBI, including those 17 years and older with GCS scores of 13 to 15 who presented to emergency departments at 18 US level 1 trauma centers between February 26, 2014, and August 8, 2018, and underwent head CT imaging within 24 hours of TBI. Evaluations of CT imaging used TBI Common Data Elements. Glasgow Outcome Scale-Extended (GOSE) scores were assessed at 2 weeks and 3, 6, and 12 months postinjury. External validation of results was performed via the Collaborative European NeuroTrauma Effectiveness Research in Traumatic Brain Injury (CENTER-TBI) study. Data analyses were completed from February 2020 to February 2021.Acute nonpenetrating head trauma.Frequency, co-occurrence, and clustering of CT features; incomplete recovery (GOSE scores <8 vs 8); and an unfavorable outcome (GOSE scores <5 vs ≥5) at 2 weeks and 3, 6, and 12 months.In 1935 patients with mTBI (mean [SD] age, 41.5 [17.6] years; 1286 men [66.5%]) in the TRACK-TBI cohort and 2594 patients with mTBI (mean [SD] age, 51.8 [20.3] years; 1658 men [63.9%]) in an external validation cohort, hierarchical cluster analysis identified 3 major clusters of CT features: contusion, subarachnoid hemorrhage, and/or subdural hematoma; intraventricular and/or petechial hemorrhage; and epidural hematoma. Contusion, subarachnoid hemorrhage, and/or subdural hematoma features were associated with incomplete recovery (odds ratios [ORs] for GOSE scores <8 at 1 year: TRACK-TBI, 1.80 [95% CI, 1.39-2.33]; CENTER-TBI, 2.73 [95% CI, 2.18-3.41]) and greater degrees of unfavorable outcomes (ORs for GOSE scores <5 at 1 year: TRACK-TBI, 3.23 [95% CI, 1.59-6.58]; CENTER-TBI, 1.68 [95% CI, 1.13-2.49]) out to 12 months after injury, but epidural hematoma was not. Intraventricular and/or petechial hemorrhage was associated with greater degrees of unfavorable outcomes up to 12 months after injury (eg, OR for GOSE scores <5 at 1 year in TRACK-TBI: 3.47 [95% CI, 1.66-7.26]). Some CT features were more strongly associated with outcomes than previously validated variables (eg, ORs for GOSE scores <5 at 1 year in TRACK-TBI: neuropsychiatric history, 1.43 [95% CI .98-2.10] vs contusion, subarachnoid hemorrhage, and/or subdural hematoma, 3.23 [95% CI 1.59-6.58]). Findings were externally validated in 2594 patients with mTBI enrolled in the CENTER-TBI study.In this study, pathological CT features carried different prognostic implications after mTBI to 1 year postinjury. Some patterns of injury were associated with worse outcomes than others. These results support that patients with mTBI and these CT features need TBI-specific education and systematic follow-up.

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.

Abstract To elucidate cortical microcircuit structure and synaptic properties we present a unique, extensive, and public synaptic physiology dataset and analysis platform. Through its application, we reveal principles that relate cell type to synapse properties and intralaminar circuit organization in the mouse and human cortex. The dynamics of excitatory synapses align with the postsynaptic cell subclass, whereas inhibitory synapse dynamics partly align with presynaptic cell subclass but with considerable overlap. Despite these associations, synaptic properties are heterogeneous in most subclass to subclass connections. The two main axes of heterogeneity are strength and variability. Cell subclasses divide along the variability axis, while the strength axis accounts for significant heterogeneity within the subclass. In human cortex, excitatory to excitatory synapse dynamics are distinct from those in mouse and short-term plasticity varies with depth across layers 2 and 3. With a novel connectivity analysis that enables fair comparisons between circuit elements, we find that intralaminar connection probability among cell subclasses exhibits a strong layer dependence.These and other findings combined with the analysis platform create new opportunities for the neuroscience community to advance our understanding of cortical microcircuits.

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.

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.

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 Diffusion tractography MRI can infer changes in network connectivity in patients with traumatic brain injury (TBI), but pathological substrates of disconnected tracts have not been well-defined due to a lack of high-resolution imaging with histopathological validation. We developed an ex vivo MRI protocol to analyze tract terminations at 750 μm resolution, followed by histopathologic evaluation of white matter pathology, and applied these methods to a 60-year-old man who died 26 days after TBI. Analysis of 74 cerebral hemispheric white matter regions revealed a heterogeneous distribution of tract disruptions. Associated histopathology identified variable white matter injury with patchy deposition of amyloid precursor protein and loss of neurofilament-positive axonal processes, myelin dissolution, astrogliosis, microgliosis, and perivascular hemosiderin-laden macrophages. Multiple linear regression revealed that tract disruption strongly correlated with neurofilament loss. Ex vivo diffusion MRI can detect tract disruptions in the human brain that reflect axonal injury.

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.