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/).

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

Abstract The mammalian cortex is a laminar structure composed of many cell types densely interconnected in complex ways. Recent systematic efforts to map the mouse mesoscale connectome provide comprehensive projection data on interareal connections, but not at the level of specific cell classes or layers within cortical areas. We present here a significant expansion of the Allen Mouse Brain Connectivity Atlas, with ∼1,000 new axonal projection mapping experiments across nearly all isocortical areas in 49 Cre driver lines. Using 13 lines selective for cortical layer-specific projection neuron classes, we identify the differential contribution of each layer/class to the overall intracortical connectivity patterns. We find layer 5 (L5) projection neurons account for essentially all intracortical outputs. L2/3, L4, and L6 neurons contact a subset of the L5 cortical targets. We also describe the most common axon lamination patterns in cortical targets. Most patterns are consistent with previous anatomical rules used to determine hierarchical position between cortical areas (feedforward, feedback), with notable exceptions. While diverse target lamination patterns arise from every source layer/class, L2/3 and L4 neurons are primarily associated with feedforward type projection patterns and L6 with feedback. L5 has both feedforward and feedback projection patterns. Finally, network analyses revealed a modular organization of the intracortical connectome. By labeling interareal and intermodule connections as feedforward or feedback, we present an integrated view of the intracortical connectome as a hierarchical network.

Abstract An essential step toward understanding brain function is to establish a cellular-resolution structural framework upon which multi-scale and multi-modal information spanning molecules, cells, circuits and systems can be integrated and interpreted. Here, through a collaborative effort from the Brain Initiative Cell Census Network (BICCN), we derive a comprehensive cell type-based description of one brain structure - the primary motor cortex upper limb area (MOp-ul) of the mouse. Applying state-of-the-art labeling, imaging, computational, and neuroinformatics tools, we delineated the MOp-ul within the Mouse Brain 3D Common Coordinate Framework (CCF). We defined over two dozen MOp-ul projection neuron (PN) types by their anterograde targets; the spatial distribution of their somata defines 11 cortical sublayers, a significant refinement of the classic notion of cortical laminar organization. We further combine multiple complementary tracing methods (classic tract tracing, cell type-based anterograde, retrograde, and transsynaptic viral tracing, high-throughput BARseq, and complete single cell reconstruction) to systematically chart cell type-based MOp input-output streams. As PNs link distant brain regions at synapses as well as host cellular gene expression, our construction of a PN type resolution MOp-ul wiring diagram will facilitate an integrated analysis of motor control circuitry across the molecular, cellular, and systems levels. This work further provides a roadmap towards a cellular resolution description of mammalian brain architecture.

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.

Abstract Identification of the structural connections between neurons is a prerequisite to understanding brain function. We developed a pipeline to systematically map brain-wide monosynaptic inputs to specific neuronal populations using Cre-driver mouse lines and the recombinant rabies tracing system. We first improved the rabies virus tracing strategy to accurately identify starter cells and to efficiently quantify presynaptic inputs. We then mapped brain-wide presynaptic inputs to different excitatory and inhibitory neuron subclasses in the primary visual cortex and seven higher visual areas. Our results reveal quantitative target-, layer- and cell-class-specific differences in the retrograde connectomes, despite similar global input patterns to different neuronal populations in the same anatomical area. The retrograde connectivity we define is consistent with the presence of the ventral and dorsal visual information processing streams and reveals further subnetworks within the dorsal stream. The hierarchical organization of the entire visual cortex can be derived from intracortical feedforward and feedback pathways mediated by upper- and lower-layer input neurons, respectively. This study expands our knowledge of the brain-wide inputs regulating visual areas and demonstrates that our improved rabies virus tracing strategy can be used to scale up the effort in dissecting connectivity of genetically defined cell populations in the whole mouse brain.

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.

Summary The claustrum (CLA) is a conspicuous subcortical structure interconnected with cortical and subcortical regions. However, its regional anatomy and cell-type-specific connections in the mouse remain largely undetermined. Here, we accurately delineated the boundary of the mouse CLA and quantitatively investigated its inputs and outputs brain-wide using anterograde and retrograde viral tracing and fully reconstructed single claustral principal neurons. At a population level, the CLA reciprocally connects with all isocortical modules. It also receives inputs from at least 35 subcortical structures but sends projections back to only a few of them. We found that cell types projecting to the CLA are differentiated by cortical areas and layers. We classified single CLA principal neurons into at least 9 cell types that innervate the diverse sets of functionally linked cortical targets. Axons of interneurons within the CLA arborize along almost its entire anteroposterior extent. Together, this detailed wiring diagram of the cell-type-specific connections of the mouse CLA lays a foundation for studying its functions.