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 For the past century, the anatomy of a neuron has been considered one of its defining features: The shape of a neuron’s dendrites and axon fundamentally determines what other neurons it can connect to. These neurites have been described using mathematical tools e.g. in the context of cell type classification, but generative models of these structures have only rarely been proposed and are often computationally inefficient. Here we propose M orph VAE, a sequence-to-sequence variational autoencoder with spherical latent space as a generative model for neural morphologies. The model operates on walks within the tree structure of a neuron and can incorporate expert annotations on a subset of the data using semi-supervised learning. We develop our model on artificially generated toy data and evaluate its performance on dendrites of excitatory cells and axons of inhibitory cells of mouse motor cortex (M1) and dendrites of retinal ganglion cells. We show that the learned latent feature space allows for better cell type discrimination than other commonly used features. By sampling new walks from the latent space we can easily construct new morphologies with a specified degree of similarity to their reference neuron, providing an efficient generative model for neural morphologies.

Layer 4 (L4) of mammalian neocortex plays a crucial role in cortical information processing, yet a complete census of its cell types and connectivity remains elusive. Using whole-cell recordings with morphological recovery, we identified one major excitatory and seven inhibitory types of neurons in L4 of adult mouse visual cortex (V1). Nearly all excitatory neurons were pyramidal and all somatostatin-positive (SOM+) non-fast-spiking neurons were Martinotti cells. In contrast, in somatosensory cortex (S1), excitatory neurons were mostly stellate and SOM+ neurons were non-Martinotti. These morphologically distinct SOM+ interneurons corresponded to different transcriptomic cell types and were differentially integrated into the local circuit with only S1 neurons receiving local excitatory input. We propose that cell-type specific circuit motifs, such as the Martinotti/pyramidal and non-Martinotti/stellate pairs, are optionally used across the cortex as building blocks to assemble cortical circuits.

Quantitative analysis of neuronal morphologies usually begins with choosing a particular feature representation in order to make individual morphologies amenable to standard statistics tools and machine learning algorithms. Many different feature representations have been suggested in the literature, ranging from density maps to intersection profiles, but they have never been compared side by side. Here we performed a systematic comparison of various representations, measuring how well they were able to capture the difference between known morphological cell types. For our benchmarking effort, we used several curated data sets consisting of mouse retinal bipolar cells and cortical inhibitory neurons. We found that the best performing feature representations were two-dimensional density maps closely followed by morphometric statistics, which both continued to perform well even when neurons were only partially traced. The same representations performed well in an unsupervised setting, implying that they can be suitable for dimensionality reduction or clustering.

Cortical neurons exhibit astounding diversity in gene expression as well as in morphological and electrophysiological properties. Most existing neural taxonomies are based on either transcriptomic or morpho-electric criteria, as it has been technically challenging to study both aspects of neuronal diversity in the same set of cells. Here we used Patch-seq to combine patch-clamp recording, biocytin staining, and single-cell RNA sequencing of over 1300 neurons in adult mouse motor cortex, providing a comprehensive morpho-electric annotation of almost all transcriptomically defined neural cell types. We found that, although broad families of transcriptomic types (Vip, Pvalb, Sst, etc.) had distinct and essentially non-overlapping morpho-electric phenotypes, individual transcriptomic types within the same family were not well-separated in the morpho-electric space. Instead, there was a continuum of variability in morphology and electrophysiology, with neighbouring transcriptomic cell types showing similar morpho-electric features, often without clear boundaries between them. Our results suggest that neural types in the neocortex do not always form discrete entities. Instead, neurons follow a hierarchy consisting of distinct non-overlapping branches at the level of families, but can form continuous and correlated transcriptomic and morpho-electrical landscapes within families.