A key aspect of nearly all single-cell sequencing experiments is dissociation of intact tissues into single-cell suspensions. While many protocols have been optimized for optimal cell yield, they have often overlooked the effects that dissociation can have on ex vivo gene expression. Here, we demonstrate that use of enzymatic dissociation on brain tissue induces an aberrant ex vivo gene expression signature, most prominently in microglia, which is prevalent in published literature and can substantially confound downstream analyses. To address this issue, we present a rigorously validated protocol that preserves both in vivo transcriptional profiles and cell-type diversity and yield across tissue types and species. We also identify a similar signature in postmortem human brain single-nucleus RNA-sequencing datasets, and show that this signature is induced in freshly isolated human tissue by exposure to elevated temperatures ex vivo. Together, our results provide a methodological solution for preventing artifactual gene expression changes during fresh tissue digestion and a reference for future deeper analysis of the potential confounding states present in postmortem human samples.

A head computed tomography (CT) with positive results for acute intracranial hemorrhage is the gold-standard diagnostic biomarker for acute traumatic brain injury (TBI). In moderate to severe TBI (Glasgow Coma Scale [GCS] scores 3-12), some CT features have been shown to be associated with outcomes. In mild TBI (mTBI; GCS scores 13-15), distribution and co-occurrence of pathological CT features and their prognostic importance are not well understood.To identify pathological CT features associated with adverse outcomes after mTBI.The longitudinal, observational Transforming Research and Clinical Knowledge in Traumatic Brain Injury (TRACK-TBI) study enrolled patients with TBI, including those 17 years and older with GCS scores of 13 to 15 who presented to emergency departments at 18 US level 1 trauma centers between February 26, 2014, and August 8, 2018, and underwent head CT imaging within 24 hours of TBI. Evaluations of CT imaging used TBI Common Data Elements. Glasgow Outcome Scale-Extended (GOSE) scores were assessed at 2 weeks and 3, 6, and 12 months postinjury. External validation of results was performed via the Collaborative European NeuroTrauma Effectiveness Research in Traumatic Brain Injury (CENTER-TBI) study. Data analyses were completed from February 2020 to February 2021.Acute nonpenetrating head trauma.Frequency, co-occurrence, and clustering of CT features; incomplete recovery (GOSE scores <8 vs 8); and an unfavorable outcome (GOSE scores <5 vs ≥5) at 2 weeks and 3, 6, and 12 months.In 1935 patients with mTBI (mean [SD] age, 41.5 [17.6] years; 1286 men [66.5%]) in the TRACK-TBI cohort and 2594 patients with mTBI (mean [SD] age, 51.8 [20.3] years; 1658 men [63.9%]) in an external validation cohort, hierarchical cluster analysis identified 3 major clusters of CT features: contusion, subarachnoid hemorrhage, and/or subdural hematoma; intraventricular and/or petechial hemorrhage; and epidural hematoma. Contusion, subarachnoid hemorrhage, and/or subdural hematoma features were associated with incomplete recovery (odds ratios [ORs] for GOSE scores <8 at 1 year: TRACK-TBI, 1.80 [95% CI, 1.39-2.33]; CENTER-TBI, 2.73 [95% CI, 2.18-3.41]) and greater degrees of unfavorable outcomes (ORs for GOSE scores <5 at 1 year: TRACK-TBI, 3.23 [95% CI, 1.59-6.58]; CENTER-TBI, 1.68 [95% CI, 1.13-2.49]) out to 12 months after injury, but epidural hematoma was not. Intraventricular and/or petechial hemorrhage was associated with greater degrees of unfavorable outcomes up to 12 months after injury (eg, OR for GOSE scores <5 at 1 year in TRACK-TBI: 3.47 [95% CI, 1.66-7.26]). Some CT features were more strongly associated with outcomes than previously validated variables (eg, ORs for GOSE scores <5 at 1 year in TRACK-TBI: neuropsychiatric history, 1.43 [95% CI .98-2.10] vs contusion, subarachnoid hemorrhage, and/or subdural hematoma, 3.23 [95% CI 1.59-6.58]). Findings were externally validated in 2594 patients with mTBI enrolled in the CENTER-TBI study.In this study, pathological CT features carried different prognostic implications after mTBI to 1 year postinjury. Some patterns of injury were associated with worse outcomes than others. These results support that patients with mTBI and these CT features need TBI-specific education and systematic follow-up.

Abstract Microglia, the tissue resident macrophages of the CNS, are implicated in a broad range of neurological pathologies, from acute brain injury to dementia. Here, we profiled gene expression variation in primary human microglia isolated from 141 patients undergoing neurosurgery. Using single cell and bulk RNA sequencing, we defined distinct cellular populations of acutely in vivo -activated microglia, and characterised a dramatic switch in microglial population composition in patients suffering from acute brain injury. We mapped expression quantitative trait loci (eQTLs) in human microglia and show that many disease-associated eQTLs in microglia replicate well in a human induced pluripotent stem cell (hIPSC) derived macrophage model system. Using ATAC-seq from 95 individuals in this hIPSC model we fine-map candidate causal variants at risk loci for Alzheimer’s disease, the most prevalent neurodegenerative condition in acute brain injury patients. Our study provides the first population-scale transcriptional map of a critically important cell for neurodegenerative disorders.

Abstract A key aspect of nearly all single cell experiments is the necessity to dissociate intact tissues into single cell suspensions for processing. While many protocols have been optimized for optimal cell yield, they have often overlooked the effects that dissociation can have on ex vivo gene expression changes during this process. Microglia, the brain’s resident macrophages, are a highly dynamic population that are extremely sensitive to their microenvironment and have been shown to dramatically alter their transcriptome upon stimulation. We demonstrate that use of enzymatic dissociation methods on mouse central nervous system (CNS) tissue induces an aberrant gene expression signature in microglia that can significantly confound downstream analysis. To minimize this issue, we developed a flexible protocol, that can be used with existing enzymatic protocols for fresh tissue, to eliminate artifactual gene expression while allowing for increased cell type diversity and yield. We demonstrate efficacy of this protocol in analysis of diverse CNS cell types and sorted myeloid populations while using enzymatic dissociation. Generation of new and reanalysis of previously published human brain single nucleus RNAseq (snRNA-seq) datasets reveal that a similar signature is also present in post-mortem tissue. Through novel snRNA-seq analysis of acutely-resected neurosurgical tissue we demonstrate that this signature can be induced in human tissue due to technical differences in sample processing. These results provide key insight into the potential confounds of enzymatic digestion and provide a solution to allow for enzymatic digestion for scRNA-seq while avoiding ex vivo transcriptional artifacts. Analysis of human tissue reveals potential for artifacts in current and future snRNA-seq datasets that will require deeper analysis and careful consideration to separate true biology from artifacts related to post-mortem processes.

During organogenesis, patterns and gradients of gene expression underlie organization and diversified cell specification to generate complex tissue architecture. While the cerebral cortex is organized into six excitatory neuronal layers, it is unclear whether glial cells are diversified to mimic neuronal laminae or show distinct layering. To determine the molecular architecture of the mammalian cortex, we developed a high- content pipeline that can quantify single-cell gene expression in situ. The Large-area Spatial Transcriptomic (LaST) map confirmed expected cortical neuron layer organization and also revealed a novel neuronal identity signature. Screening 46 candidate genes for astrocyte diversity across the cortex, we identified grey matter superficial, mid and deep astrocyte identities in gradient layer patterns that were distinct from neurons. Astrocyte layers formed in early postnatal cortex and mostly persisted in adult mouse and human cortex. Mutations that shifted neuronal post-mitotic identity or organization were sufficient to alter glial layering, indicating an instructive role for neuronal cues. In normal mouse cortex, astrocyte layer patterns showed area diversity between functionally distinct cortical regions. These findings indicate that excitatory neurons and astrocytes cells are organized into distinct lineage-associated laminae, which give rise to higher order neuroglial complexity of cortical architecture.