Mammalian cortex comprises a variety of cells, but the extent of this cellular diversity is unknown. The authors defined cell types in the primary visual cortex of adult mice using single-cell transcriptomics. This revealed 49 cell types, including 23 GABAergic, 19 glutamatergic and 7 non-neuronal types. Nervous systems are composed of various cell types, but the extent of cell type diversity is poorly understood. We constructed a cellular taxonomy of one cortical region, primary visual cortex, in adult mice on the basis of single-cell RNA sequencing. We identified 49 transcriptomic cell types, including 23 GABAergic, 19 glutamatergic and 7 non-neuronal types. We also analyzed cell type–specific mRNA processing and characterized genetic access to these transcriptomic types by many transgenic Cre lines. Finally, we found that some of our transcriptomic cell types displayed specific and differential electrophysiological and axon projection properties, thereby confirming that the single-cell transcriptomic signatures can be associated with specific cellular properties.

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.

The authors applied a correlation-based metric, ‘differential stability’ (DS), to assess reproducibility of gene expression patterning across individual brains, revealing mesoscale genetic organization. The highest DS genes were enriched for brain-related biological annotations, disease associations and drug targets, and their anatomical expression pattern correlated with resting state functional connectivity. The structure and function of the human brain are highly stereotyped, implying a conserved molecular program responsible for its development, cellular structure and function. We applied a correlation-based metric called differential stability to assess reproducibility of gene expression patterning across 132 structures in six individual brains, revealing mesoscale genetic organization. The genes with the highest differential stability are highly biologically relevant, with enrichment for brain-related annotations, disease associations, drug targets and literature citations. Using genes with high differential stability, we identified 32 anatomically diverse and reproducible gene expression signatures, which represent distinct cell types, intracellular components and/or associations with neurodevelopmental and neurodegenerative disorders. Genes in neuron-associated compared to non-neuronal networks showed higher preservation between human and mouse; however, many diversely patterned genes displayed marked shifts in regulation between species. Finally, highly consistent transcriptional architecture in neocortex is correlated with resting state functional connectivity, suggesting a link between conserved gene expression and functionally relevant circuitry.

Abstract The extent of microglial heterogeneity in humans remains a central yet poorly explored question in light of the development of therapies targeting this cell type. Here, we investigate the population structure of live microglia purified from human cerebral cortex samples obtained at autopsy and during neurosurgical procedures. Using single cell RNA sequencing, we find that some subsets are enriched for disease-related genes and RNA signatures. We confirm the presence of four of these microglial subpopulations histologically and illustrate the utility of our data by characterizing further microglial cluster 7, enriched for genes depleted in the cortex of individuals with Alzheimer’s disease (AD). Histologically, these cluster 7 microglia are reduced in frequency in AD tissue, and we validate this observation in an independent set of single nucleus data. Thus, our live human microglia identify a range of subtypes, and we prioritize one of these as being altered in AD.

Activity in the motor cortex predicts movements, seconds before they are initiated. This preparatory activity has been observed across cortical layers, including in descending pyramidal tract neurons in layer 5. A key question is how preparatory activity is maintained without causing movement, and is ultimately converted to a motor command to trigger appropriate movements. Here, using single-cell transcriptional profiling and axonal reconstructions, we identify two types of pyramidal tract neuron. Both types project to several targets in the basal ganglia and brainstem. One type projects to thalamic regions that connect back to motor cortex; populations of these neurons produced early preparatory activity that persisted until the movement was initiated. The second type projects to motor centres in the medulla and mainly produced late preparatory activity and motor commands. These results indicate that two types of motor cortex output neurons have specialized roles in motor control.

To provide a temporal framework for the genoarchitecture of brain development, we generated in situ hybridization data for embryonic and postnatal mouse brain at seven developmental stages for ∼2,100 genes, which were processed with an automated informatics pipeline and manually annotated. This resource comprises 434,946 images, seven reference atlases, an ontogenetic ontology, and tools to explore coexpression of genes across neurodevelopment. Gene sets coinciding with developmental phenomena were identified. A temporal shift in the principles governing the molecular organization of the brain was detected, with transient neuromeric, plate-based organization of the brain present at E11.5 and E13.5. Finally, these data provided a transcription factor code that discriminates brain structures and identifies the developmental age of a tissue, providing a foundation for eventual genetic manipulation or tracking of specific brain structures over development. The resource is available as the Allen Developing Mouse Brain Atlas (http://developingmouse.brain-map.org).

Variants of UNC13A, a critical gene for synapse function, increase the risk of amyotrophic lateral sclerosis and frontotemporal dementia

Abstract The role of different cell types and their interactions in Alzheimer’s disease (AD) is an open question. Here we pursued it by assembling a high-resolution cellular map of the aging frontal cortex by single nucleus RNA-seq of 24 individuals with different clinicopathologic characteristics. We used the map to infer the neocortical cellular architecture of 638 individuals profiled by bulk RNA-seq, providing the sample size necessary for identifying statistically robust associations. We uncovered diverse cell populations associated with AD, including inhibitory neuronal subtypes and oligodendroglial states. We further recovered a network of multicellular communities, each composed of coordinated subpopulations of neuronal, glial and endothelial cells, and found that two of these communities are altered in AD. Finally, we used mediation analyses to prioritize cellular changes that might contribute to cognitive decline. Thus, our deconstruction of the aging neocortex provides a roadmap for evaluating the cellular microenvironments underlying AD and dementia.

Abstract Recent studies of bulk microglia have provided insights into the role of this immune cell type in central nervous system development, homeostasis and dysfunction. Nonetheless, our understanding of the diversity of human microglial cell states remains limited; microglia are highly plastic and have multiple different roles, making the extent of phenotypic heterogeneity a central question, especially in light of the development of therapies targeting this cell type. Here, we investigated the population structure of human microglia by single-cell RNA-sequencing. Using surgical- and autopsy-derived cortical brain samples, we identified 14 human microglial subpopulations and noted substantial intra- and inter-individual heterogeneity. These putative subpopulations display divergent associations with Alzheimer’s disease, multiple sclerosis, and other diseases. Several states show enrichment for genes found in disease-associated mouse microglial states, suggesting additional diversity among human microglia. Overall, human microglia appear to exist in different functional states with varying levels of involvement in different brain pathologies.

Abstract Human microglia play a pivotal role in neurological diseases, but few targeted therapies that directly modulate microglial state or function exist due to an incomplete understanding of microglial heterogeneity. We use single-cell RNA sequencing to profile live human microglia from autopsies or surgical resections across diverse neurological diseases and central nervous system regions. We observe a central divide between oxidative and heterocyclic metabolism and identify subsets associated with antigen presentation, motility, and proliferation. Specific subsets are enriched in susceptibility genes for neurodegenerative diseases or the disease-associated microglial signature. We validate subtypes in situ with an RNAscope-immunofluorescence pipeline and leverage our dataset as a classification resource, finding that iPSC model systems recapitulate substantial in vivo heterogeneity. Finally, we identify and validate candidates for chemically inducing subtype-specific states in vitro , showing that Camptothecin downregulates the transcriptional signature of disease-enriched subsets and upregulates a signature previously shown to be depleted in Alzheimer’s.