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 The cortico-basal ganglia-thalamic loop is one of the fundamental network motifs in the brain. Revealing its structural and functional organization is critical to understanding cognition, sensorimotor behavior, and the natural history of many neurological and neuropsychiatric diseases. Classically, the basal ganglia is conceptualized to contain three primary information output channels: motor, limbic, and associative. However, given the roughly 65 cortical areas and two dozen thalamic nuclei that feed into the dorsal striatum, a three-channel view is overly simplistic for explaining the myriad functions of the basal ganglia. Recent works from our lab and others have subdivided the dorsal striatum into numerous functional domains based on convergent and divergent inputs from the cortex and thalamus. To complete this work, we generated a comprehensive data pool of ∼700 injections placed across the striatum, external globus pallidus (GPe), substantia nigra pars reticulata (SNr), thalamic nuclei, and cortex. We identify 14 domains of SNr, 36 in the GPe, and 6 in the parafascicular and ventromedial thalamic nuclei. Subsequently, we identify 6 parallel cortico-basal ganglia-thalamic subnetworks that sequentially transduce specific subsets of cortical information with complex patterns of convergence and divergence through every elemental node of the entire cortico-basal ganglia loop. These experiments reveal multiple important novel features of the cortico-basal ganglia network motif. The prototypical sub-network structure is characterized by a highly interconnected nature, with cortical information processing through one or more striatal nodes, which send a convergent output to the SNr and a more parallelized output to the GPe; the GPe output then converges with the SNr. A domain of the thalamus receives the nigral output, and is interconnected with both the striatal domains and the cortical areas that filter into its nigral input source. This study provides conceptual advancement of our understanding of the structural and functional organization of the classic cortico-basal ganglia network.

Analyzing Alzheimer's disease (AD) pathology within anatomical subregions is a significant challenge, often carried out by pathologists using a standardized, semi-quantitative approach. To augment traditional methods, a high-throughput, high-resolution pipeline was created to classify the distribution of AD pathology within hippocampal subregions. USC ADRC post-mortem tissue sections from 51 patients were stained with 4G8 for amyloid, Gallyas for neurofibrillary tangles (NFTs) and Iba1 for microglia. Machine learning (ML) techniques were utilized to identify and classify amyloid pathology (dense, diffuse and APP (amyloid precursor protein)), NFTs, neuritic plaques and microglia. These classifications were overlaid within manually segmented regions (aligned with the Allen Human Brain Atlas) to create detailed pathology maps. Cases were separated into low, intermediate, or high AD stages. Further data extraction enabled quantification of plaque size and pathology density alongside ApoE genotype, sex, and cognitive status. Our findings revealed that the increase in pathology burden across AD stages was driven mainly by diffuse amyloid. The pre and para-subiculum had the highest levels of diffuse amyloid while NFTs were highest in the A36 region in high AD cases. Moreover, different pathology types had distinct trajectories across disease stages. In a subset of AD cases, microglia were elevated in intermediate and high compared to low AD. Microglia also correlated with amyloid pathology in the Dentate Gyrus. The size of dense plaques, which may represent microglial function, was lower in ApoE4 carriers. In addition, individuals with memory impairment had higher levels of both dense and diffuse amyloid. Taken together, our findings integrating ML classification approaches with anatomical segmentation maps provide new insights on the complexity of disease pathology in AD progression. Specifically, we identified diffuse amyloid pathology as being a major driver of AD in our cohort, regions of interest and microglial responses that might advance AD diagnosis and treatment.

The superior colliculus (SC) is a midbrain structure that receives diverse and robust cortical inputs to drive a range of cognitive and sensorimotor behaviors. However, it remains unclear how descending cortical inputs arising from higher-order associative areas coordinate with SC sensorimotor networks to influence its outputs. In this study, we constructed a comprehensive map of all cortico-tectal projections and identified four collicular zones with differential cortical inputs: medial (SC.m), centromedial (SC.cm), centrolateral (SC.cl) and lateral (SC.l). Computational analyses revealed that cortico-tectal projections are organized as multiple subnetworks that are consistent with previously identified cortico-cortical and cortico-striatal subnetworks. Furthermore, we delineated the brain-wide input/output organization of each collicular zone and described a subset of their constituent neuronal cell types based on distinct connectional and morphological features. Altogether, this work provides a novel structural foundation for the integrative role of the SC in controlling cognition, orientation, and other sensorimotor behaviors.

Exposure to early life adversity (ELA), including childhood maltreatment, is one of the most significant risk factors for the emergence of neuropsychiatric disorders in adolescence and adulthood. Despite this relationship being well established, the underlying mechanisms remain unclear. One way to achieve this understanding is to identify molecular pathways and processes that are perturbed as a consequence of childhood maltreatment. Ideally, these perturbations would be evident as changes in DNA, RNA or protein profiles in easily accessible biological samples collected in the shadow of childhood maltreatment. In this study, we isolated circulating extracellular vesicles (EVs) from plasma collected from adolescent rhesus macaques that had either experienced nurturing maternal care (CONT) or maternal maltreatment (MALT) in infancy. RNA sequencing of RNA in plasma EVs and gene enrichment analysis revealed that genes related to translation, ATP synthesis, mitochondrial function and immune response were downregulated in MALT samples, while genes involved in ion transport, metabolism and cell differentiation were upregulated. Interestingly, we found that a significant proportion of EV RNA aligned to the microbiome and that MALT altered the diversity of microbiome-associated RNA signatures found in EVs. Part of this altered diversity suggested differences in prevalence of bacterial species in CONT and MALT animals noted in the RNA signatures of the circulating EVs. Our findings provide evidence that immune function, cellular energetics and the microbiome may be important conduits via which infant maltreatment exerts effects on physiology and behavior in adolescence and adulthood. As a corollary, perturbations of RNA profiles related to immune function, cellular energetics and the microbiome may serve as biomarkers of responsiveness to ELA. Our results demonstrate that RNA profiles in EVs can serve as a powerful proxy to identify biological processes that might be perturbed by ELA and that may contribute to the etiology of neuropsychiatric disorders in the aftermath of ELA.

The subiculum is the major output structure of the hippocampal formation and one of the brain regions most affected by Alzheimer's disease. Our previous work revealed a hidden laminar architecture within the mouse subiculum. However, the rotation of the hippocampal longitudinal axis across species makes it unclear how the laminar organization is represented in human subiculum. Using in situ hybridization data from the Allen Human Brain Atlas, we demonstrate that the human subiculum also contains complementary laminar gene expression patterns similar to the mouse. In addition, we provide evidence that the molecular domain boundaries in human subiculum correspond to microstructural differences observed in high resolution MRI and fiber density imaging. Finally, we show both similarities and differences in the gene expression profile of subiculum pyramidal cells within homologous lamina. Overall, we present a new 3D model of the anatomical organization of human subiculum and its evolution from the mouse.

The basolateral amygdalar complex (BLA) is implicated in behavioral processing ranging from fear acquisition to addiction. Newer methods like optogenetics have enabled the association of circuit-specific functionality to uniquely connected BLA cell types. Thus, a systematic and detailed connectivity profile of BLA projection neurons to inform granular, cell type-specific interrogations is warranted. In this work, we applied computational analysis techniques to the results of our circuit-tracing experiments to create a foundational, comprehensive, multiscale connectivity atlas of the mouse BLA. The analyses identified three domains within the classically defined anterior BLA (BLAa) that house target-specific projection neurons with distinguishable cell body and dendritic morphologies. Further, we identify brain-wide targets of projection neurons located in the three BLAa domains as well as in the posterior BLA (BLAp), ventral BLA (BLAv), lateral (LA), and posterior basomedial (BMAp) nuclei. Projection neurons that provide input to each nucleus are also identifed. Functional characterization of some projection-defined BLA neurons were demonstrated via optogenetic and recording experiments. Hypotheses relating function to connection-defined BLA cell types are proposed.