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.

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 isocortex and hippocampal formation (HPF) in the mammalian brain play critical roles in perception, cognition, emotion, and learning. We profiled ∼1.3 million cells covering the entire adult mouse isocortex and HPF and derived a transcriptomic cell-type taxonomy revealing a comprehensive repertoire of glutamatergic and GABAergic neuron types. Contrary to the traditional view of HPF as having a simpler cellular organization, we discover a complete set of glutamatergic types in HPF homologous to all major subclasses found in the six-layered isocortex, suggesting that HPF and the isocortex share a common circuit organization. We also identify large-scale continuous and graded variations of cell types along isocortical depth, across the isocortical sheet, and in multiple dimensions in hippocampus and subiculum. Overall, our study establishes a molecular architecture of the mammalian isocortex and hippocampal formation and begins to shed light on its underlying relationship with the development, evolution, connectivity, and function of these two brain structures.

Neurons are frequently classified into distinct types on the basis of structural, physiological, or genetic attributes. To better constrain the definition of neuronal cell types, we characterized the transcriptomes and intrinsic physiological properties of over 4,200 mouse visual cortical GABAergic interneurons and reconstructed the local morphologies of 517 of those neurons. We find that most transcriptomic types (t-types) occupy specific laminar positions within visual cortex, and, for most types, the cells mapping to a t-type exhibit consistent electrophysiological and morphological properties. These properties display both discrete and continuous variation among t-types. Through multimodal integrated analysis, we define 28 met-types that have congruent morphological, electrophysiological, and transcriptomic properties and robust mutual predictability. We identify layer-specific axon innervation pattern as a defining feature distinguishing different met-types. These met-types represent a unified definition of cortical GABAergic interneuron types, providing a systematic framework to capture existing knowledge and bridge future analyses across different modalities.

Abstract Single cell transcriptomics has transformed the characterization of brain cell identity by providing quantitative molecular signatures for large, unbiased samples of brain cell populations. With the proliferation of taxonomies based on individual datasets, a major challenge is to integrate and validate results toward defining biologically meaningful cell types. We used a battery of single-cell transcriptome and epigenome measurements generated by the BRAIN Initiative Cell Census Network (BICCN) to comprehensively assess the molecular signatures of cell types in the mouse primary motor cortex (MOp). We further developed computational and statistical methods to integrate these multimodal data and quantitatively validate the reproducibility of the cell types. The reference atlas, based on more than 600,000 high quality single-cell or -nucleus samples assayed by six molecular modalities, is a comprehensive molecular account of the diverse neuronal and non-neuronal cell types in MOp. Collectively, our study indicates that the mouse primary motor cortex contains over 55 neuronal cell types that are highly replicable across analysis methods, sequencing technologies, and modalities. We find many concordant multimodal markers for each cell type, as well as thousands of genes and gene regulatory elements with discrepant transcriptomic and epigenomic signatures. These data highlight the complex molecular regulation of brain cell types and will directly enable design of reagents to target specific MOp cell types for functional analysis.

ABSTRACT We report the generation of a multimodal cell census and atlas of the mammalian primary motor cortex (MOp or M1) as the initial product of the BRAIN Initiative Cell Census Network (BICCN). This was achieved by coordinated large-scale analyses of single-cell transcriptomes, chromatin accessibility, DNA methylomes, spatially resolved single-cell transcriptomes, morphological and electrophysiological properties, and cellular resolution input-output mapping, integrated through cross-modal computational analysis. Together, our results advance the collective knowledge and understanding of brain cell type organization: First, our study reveals a unified molecular genetic landscape of cortical cell types that congruently integrates their transcriptome, open chromatin and DNA methylation maps. Second, cross-species analysis achieves a unified taxonomy of transcriptomic types and their hierarchical organization that are conserved from mouse to marmoset and human. Third, cross-modal analysis provides compelling evidence for the epigenomic, transcriptomic, and gene regulatory basis of neuronal phenotypes such as their physiological and anatomical properties, demonstrating the biological validity and genomic underpinning of neuron types and subtypes. Fourth, in situ single-cell transcriptomics provides a spatially-resolved cell type atlas of the motor cortex. Fifth, integrated transcriptomic, epigenomic and anatomical analyses reveal the correspondence between neural circuits and transcriptomic cell types. We further present an extensive genetic toolset for targeting and fate mapping glutamatergic projection neuron types toward linking their developmental trajectory to their circuit function. Together, our results establish a unified and mechanistic framework of neuronal cell type organization that integrates multi-layered molecular genetic and spatial information with multi-faceted phenotypic properties.

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 The evolutionarily conserved default mode network (DMN) is characterized by temporally correlated activity between brain regions during resting states. The DMN has emerged as a selectively vulnerable network in multiple disorders, so understanding its anatomical composition will provide fundamental insight into how its function is impacted by disease. Reproducible rodent analogs of the human DMN offer an opportunity to investigate the underlying brain regions and structural connectivity (SC) with high spatial and cell type resolution. Here, we performed systematic analyses using mouse resting state functional magnetic resonance imaging to identify the DMN and whole brain axonal tracing data, co-registered to the 3D Allen Mouse Common Coordinate Framework reference atlas. We identified the specific, predominantly cortical, brain regions comprising the mouse DMN and report preferential SC between these regions. Next, at the cell class level, we report that cortical layer (L) 2/3 neurons in DMN regions project almost exclusively to other DMN regions, whereas L5 neurons project to targets both in and out of the DMN. We then test the hypothesis that in- and out-DMN projection patterns originate from distinct L5 neuron sub-classes using an intersectional viral tracing strategy to label all the axons from neurons defined by a single target. In the ventral retrosplenial cortex, a core DMN region, we found two L5 projection types related to the DMN and mapped them to unique transcriptomically-defined cell types. Together, our results provide a multi-scale description of the anatomical correlates of the mouse DMN.

Modern genetic approaches are powerful in providing access to diverse types of neurons within the mammalian brain and greatly facilitating the study of their function. We here 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.