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 Generating a comprehensive description of cortical networks requires a large-scale, systematic approach. To that end, the Allen Institute is engaged in a pipeline project using multipatch electrophysiology, supplemented with 2-photon optogenetics, to characterize connectivity and synaptic signaling between classes of neurons in adult mouse and human cortex. We focus on producing results detailed enough for the generation of computational models and enabling comparison with future studies. Here we report our examination of intralaminar connectivity within each of several classes of excitatory neurons. We find that connections are sparse but present among all excitatory cell types and layers we sampled, with the most sparse connections in layers 5 and 6. Almost all mouse synapses exhibited short-term depression with similar dynamics. Synaptic signaling between a subset of layer 2/3 neurons; however, exhibited facilitation. These results contribute to a body of evidence describing recurrent excitatory connectivity as a conserved feature of cortical microcircuits.

Abstract Human cortical interneurons have been challenging to study due to high diversity and lack of mature brain tissue platforms and genetic targeting tools. We employed rapid GABAergic neuron viral labeling plus unbiased Patch-seq sampling in brain slices to define the signature morpho-electric properties of GABAergic neurons in the human neocortex. Viral targeting greatly facilitated sampling of the SST subclass, including primate specialized double bouquet cells which mapped to two SST transcriptomic types. Multimodal analysis uncovered an SST neuron type with properties inconsistent with original subclass assignment; we instead propose reclassification into PVALB subclass. Our findings provide novel insights about functional properties of human cortical GABAergic neuron subclasses and types and highlight the essential role of multimodal annotation for refinement of emerging transcriptomic cell type taxonomies. One Sentence Summary Viral genetic labeling of GABAergic neurons in human ex vivo brain slices paired with Patch-seq recording yields an in-depth functional annotation of human cortical interneuron subclasses and types and highlights the essential role of multimodal functional annotation for refinement of emerging transcriptomic cell type taxonomies.

Abstract Neocortical layer 1 (L1) is a site of convergence between pyramidal neuron dendrites and feedback axons where local inhibitory signaling can profoundly shape cortical processing. Evolutionary expansion of human neocortex is marked by distinctive pyramidal neuron types with extensive branching in L1, but whether L1 interneurons are similarly diverse is underexplored. Using patch-seq recordings from human neurosurgically resected tissues, we identified four transcriptomically defined subclasses, unique subtypes within those subclasses and additional types with no mouse L1 homologue. Compared with mouse, human subclasses were more strongly distinct from each other across all modalities. Accompanied by higher neuron density and more variable cell sizes compared with mouse, these findings suggest L1 is an evolutionary hotspot, reflecting the increasing demands of regulating the expanding human neocortical circuit. One Sentence Summary Using transcriptomics and morpho-electric analyses, we describe innovations in human neocortical layer 1 interneurons.

Abstract In the neocortex, subcerebral axonal projections originate largely from layer 5 (L5) extratelencephalic-projecting (ET) neurons. The highly distinctive morpho-electric properties of these neurons have mainly been described in rodents, where ET neurons can be labeled by retrograde tracers or transgenic lines. Similar labeling strategies are not possible in the human neocortex, rendering the translational relevance of findings in rodents unclear. We leveraged the recent discovery of a transcriptomically-defined L5 ET neuron type to study the properties of human L5 ET neurons in neocortical brain slices derived from neurosurgeries. Patch-seq recordings, where transcriptome, physiology and morphology are assayed from the same cell, revealed many conserved morpho-electric properties of human and rodent L5 ET neurons. Divergent properties were also apparent but were often smaller than differences between cell types within these two species. These data suggest a conserved function of L5 ET neurons in the neocortical hierarchy, but also highlight marked phenotypic divergence possibly related to functional specialization of human neocortex.

ABSTRACT Rodent studies have demonstrated that synaptic dynamics from excitatory to inhibitory neuron types are often dependent on the target cell type. However, these target cell-specific properties have not been well investigated in human cortex, where there are major technical challenges in reliably identifying cell types. Here, we take advantage of newly developed methods for human neurosurgical tissue analysis with multiple patch-clamp recordings, post-hoc fluorescent in situ hybridization (FISH), and prospective GABAergic AAV-based labeling to investigate synaptic properties between pyramidal neurons and PVALB- vs. SST- positive interneurons. We find that there are robust molecular differences in synapse-associated genes between these neuron types, and that individual presynaptic pyramidal neurons evoke postsynaptic responses with heterogeneous synaptic dynamics in different postsynaptic cell types. Using molecular identification with FISH and classifiers based on transcriptomically identified PVALB neurons analyzed with Patch-seq methods, we find that PVALB neurons typically show depressing synaptic characteristics, whereas other interneuron types including SST-positive neurons show facilitating characteristics. Together, these data support the existence of target cell-specific synaptic properties in human cortex that are similar to rodent, thereby indicating evolutionary conservation of local circuit connectivity motifs from excitatory to inhibitory neurons and their synaptic dynamics.

Abstract Single cell transcriptomic studies have identified a conserved set of neocortical cell types from small post-mortem cohorts. We extend these efforts by assessing cell type variation across 75 adult individuals undergoing epilepsy and tumor surgeries. Nearly all nuclei map to one of 125 robust cell types identified in middle temporal gyrus, but with varied abundances and gene expression signatures across donors, particularly in deep layer glutamatergic neurons. A minority of variance is explainable by known factors including donor identity and small contributions from age, sex, ancestry, and disease state. Genomic variation was significantly associated with variable expression of 150-250 genes for most cell types. Thus, human individuals display a highly consistent cellular makeup, but with significant variation reflecting donor characteristics, disease condition, and genetic regulation. One-Sentence Summary Inter-individual variation in human cortex is greatest for deep layer excitatory neurons and largely unexplainable by known factors.

von Economo neurons (VENs) are bipolar, spindle-shaped neurons restricted to layer 5 of human frontoinsula and anterior cingulate cortex that appear to be selectively vulnerable to neuropsychiatric and neurodegenerative diseases, although little is known about other VEN cellular phenotypes. Single nucleus RNA-sequencing of frontoinsula layer 5 identified a transcriptomically-defined cell cluster that contained VENs, but also fork cells and a subset of pyramidal neurons. Cross-species alignment of this cell cluster with a well-annotated mouse classification shows strong homology to extratelencephalic (ET) excitatory neurons that project to subcerebral targets. This cluster also shows strong homology to a putative ET cluster in human temporal cortex, but with a strikingly specific regional signature. Together these results predict VENs are a regionally distinctive type of ET neuron, and we additionally describe the first patch clamp recordings of VENs from neurosurgically-resected tissue that show distinctive intrinsic membrane properties relative to neighboring pyramidal neurons.

Elucidating the cellular architecture of the human neocortex is central to understanding our cognitive abilities and susceptibility to disease. Here we applied single nucleus RNA-sequencing to perform a comprehensive analysis of cell types in the middle temporal gyrus of human cerebral cortex. We identify a highly diverse set of excitatory and inhibitory neuronal types that are mostly sparse, with excitatory types being less layer-restricted than expected. Comparison to a similar mouse cortex single cell RNA-sequencing dataset revealed a surprisingly well-conserved cellular architecture that enables matching of homologous types and predictions of human cell type properties. Despite this general conservation, we also find extensive differences between homologous human and mouse cell types, including dramatic alterations in proportions, laminar distributions, gene expression, and morphology. These species-specific features emphasize the importance of directly studying human brain.

Gene expression studies suggest that differential ion channel expression contributes to differences in rodent versus human neuronal physiology. We tested whether h-channels more prominently contribute to the physiological properties of human compared to mouse supragranular pyramidal neurons. Single cell/nucleus RNA sequencing revealed ubiquitous HCN1-subunit expression in excitatory neurons in human, but not mouse supragranular layers. Using patch-clamp recordings, we found stronger h-channel-related membrane properties in supragranular pyramidal neurons in human temporal cortex, compared to mouse supragranular pyramidal neurons in temporal association area. The magnitude of these differences depended upon cortical depth and was largest in pyramidal neurons in deep L3. Additionally, pharmacologically blocking h-channels produced a larger change in membrane properties in human compared to mouse neurons. Finally, using biophysical modeling, we provided evidence that h-channels promote the transfer of theta frequencies from dendrite-to-soma in human L3 pyramidal neurons. Thus, h-channels contribute to between-species differences in a fundamental neuronal property.