Summary

 The mammalian brain is composed of diverse, specialized cell populations. To systematically ascertain and learn from these cellular specializations, we used Drop-seq to profile RNA expression in 690,000 individual cells sampled from 9 regions of the adult mouse brain. We identified 565 transcriptionally distinct groups of cells using computational approaches developed to distinguish biological from technical signals. Cross-region analysis of these 565 cell populations revealed features of brain organization, including a gene-expression module for synthesizing axonal and presynaptic components, patterns in the co-deployment of voltage-gated ion channels, functional distinctions among the cells of the vasculature and specialization of glutamatergic neurons across cortical regions. Systematic neuronal classifications for two complex basal ganglia nuclei and the striatum revealed a rare population of spiny projection neurons. This adult mouse brain cell atlas, accessible through interactive online software (DropViz), serves as a reference for development, disease, and evolution.

Amyotrophic Lateral Sclerosis (ALS) is a fatal neurodegenerative disorder characterised by a progressive loss of motor function. The eponymous spinal sclerosis observed at autopsy is the result of the degeneration of extratelencephalic neurons, Betz cells (ETNs, Cortico-Spinal Motor Neuron). It remains unclear why this neuronal subtype is selectively affected. To understand the unique molecular properties that sensitise these cells to ALS, we performed RNA sequencing of 79,169 single nuclei from cortices of patients and controls. In unaffected individuals, we found that expression of ALS risk genes was significantly enriched in THY1 + -ETNs and not in other cell types. In patients, these genetic risk factors, as well as genes involved in protein homeostasis and stress responses, were significantly induced in a wide collection of ETNs, but not in neurons with more superficial identities. Examination of oligodendroglial and microglial nuclei revealed patient-specific changes that were at least in part a response to alterations in neurons: downregulation of myelinating genes in oligodendrocytes and upregulation of a reactive state connected to endo-lysosomal pathways in microglia. Our findings suggest that the selective vulnerability of extratelencephalic neurons is partly connected to their intrinsic molecular properties sensitising them to genetics and mechanisms of degeneration. Graphical abstract and working model Our study highlights cell type specific changes in premotor/motor cortex of sporadic ALS patients. Specifically, we identify upregulation of synaptic molecules in excitatory neurons of upper cortical layers, interestingly correlating to hyperexcitability phenotypes seen in patients. Moreover, excitatory neurons of the deeper layers of the cortex, that project to the spinal cord and are most affected by the disease, show higher levels of cellular stresses than other neuronal types. Correspondently, oligodendrocytes transition from a highly myelinating state to a more neuronally engaged state, probably to counteract stressed phenotypes seen in excitatory neurons. At the same time, microglia show a reactive state with specific upregulation of endo-lysosomal pathways.

Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) is a neurodegenerative disorder characterized by a progressive loss of motor function linked to degenerating extratelencephalic neurons/Betz cells (ETNs). The reasons why these neurons are selectively affected remain unclear. Here, to understand the unique molecular properties that may sensitize ETNs to ALS, we performed RNA sequencing of 79,169 single nuclei from cortices of patients and controls. In both patients and unaffected individuals, we found significantly higher expression of ALS risk genes in THY1

Primates and rodents, which descended from a common ancestor more than 90 million years ago, exhibit profound differences in behavior and cognitive capacity. Modifications, specializations, and innovations to brain cell types may have occurred along each lineage. We used Drop-seq to profile RNA expression in more than 184,000 individual telencephalic interneurons from humans, macaques, marmosets, and mice. Conserved interneuron types varied significantly in abundance and RNA expression between mice and primates, but varied much more modestly among primates. In adult primates, the expression patterns of dozens of genes exhibited spatial expression gradients among neocortical interneurons, suggesting that adult neocortical interneurons are imprinted by their local cortical context. In addition, we found that an interneuron type previously associated with the mouse hippocampus--the "ivy cell", which has neurogliaform characteristics--has become abundant across the neocortex of humans, macaques, and marmosets. The most striking innovation was subcortical: we identified an abundant striatal interneuron type in primates that had no molecularly homologous cell population in mouse striatum, cortex, thalamus, or hippocampus. These interneurons, which expressed a unique combination of transcription factors, receptors, and neuropeptides, including the neuropeptide TAC3, constituted almost 30% of striatal interneurons in marmosets and humans. Understanding how gene and cell-type attributes changed or persisted over the evolutionary divergence of primates and rodents will guide the choice of models for human brain disorders and mutations and help to identify the cellular substrates of expanded cognition in humans and other primates.