Numerous studies have examined the neuronal inputs and outputs of many areas within the mammalian cerebral cortex, but how these areas are organized into neural networks that communicate across the entire cortex is unclear. Over 600 labeled neuronal pathways acquired from tracer injections placed across the entire mouse neocortex enabled us to generate a cortical connectivity atlas. A total of 240 intracortical connections were manually reconstructed within a common neuroanatomic framework, forming a cortico-cortical connectivity map that facilitates comparison of connections from different cortical targets. Connectivity matrices were generated to provide an overview of all intracortical connections and subnetwork clusterings. The connectivity matrices and cortical map revealed that the entire cortex is organized into four somatic sensorimotor, two medial, and two lateral subnetworks that display unique topologies and can interact through select cortical areas. Together, these data provide a resource that can be used to further investigate cortical networks and their corresponding functions.

Hintiryan, Foster et al. present an online mouse cortico-striatal projectome describing projections from the entire cortex to dorsal striatum. Computational neuroanatomic analysis of these projections identified 29 distinct striatal domains. This connectomics approach was applied to characterize circuit-specific cortico-striatal connectopathies in a mouse model of Huntington disease and in monoamine oxidase (MAO) A/B knockout mice. Different cortical areas are organized into distinct intracortical subnetworks. The manner in which descending pathways from the entire cortex interact subcortically as a network remains unclear. We developed an open-access comprehensive mesoscale mouse cortico-striatal projectome: a detailed connectivity projection map from the entire cerebral cortex to the dorsal striatum or caudoputamen (CP) in rodents. On the basis of these projections, we used new computational neuroanatomical tools to identify 29 distinct functional striatal domains. Furthermore, we characterized different cortico-striatal networks and how they reconfigure across the rostral–caudal extent of the CP. The workflow was also applied to select cortico-striatal connections in two different mouse models of disconnection syndromes to demonstrate its utility for characterizing circuitry-specific connectopathies. Together, our results provide the structural basis for studying the functional diversity of the dorsal striatum and disruptions of cortico-basal ganglia networks across a broad range of disorders.

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.

The mammalian visual system is one of the most well-studied brain systems. Visual information from the retina is relayed to the dorsal lateral geniculate nucleus of the thalamus (LGd). The LGd then projects topographically to primary visual cortex (VISp) to mediate visual perception. In this view, the VISp is a critical network hub where visual information must traverse LGd-VISp circuits to reach higher-order extrastriate visual cortices. However, decades of conflicting reports in a variety of mammals support or refute the existence of extrastriate LGd connections that can bypass the VISp. Here, we provide evidence of bidirectional extrastriate connectivity with the mouse LGd. Using small, discrete coinjections of anterograde and retrograde tracers within the thalamus and cortex, our cross-validated approach identified bidirectional thalamocortical connectivity between LGd and extrastriate visual cortices. Our findings support the existence of extrastriate LGd circuits and provide novel understanding of LGd organization in rodent visual system.

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 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.

Abstract Alzheimer’s disease pathology leads to neurodegeneration within the memory-related structures of the medial temporal cortex and hippocampus. Neurodegeneration also occurs as a part of normative aging and it is unclear whether medial temporal lobe subregions are selectively intact in older adults with preserved cognitive function in comparison to adults who are cognitively impaired. In this study, we used T1-weighted and high-resolution T2-weighted magnetic resonance images to assess age-related volumetric changes to medial temporal lobe regions, including the hippocampal formation and rhinal cortex, in patients with mild cognitive impairment and cognitively normal controls in two independent cohorts. Our results show age was significantly associated with regional atrophy in the hippocampus, but not the rhinal cortex. Additionally, variability in regional medial temporal lobe volume was associated with tau uptake in the rhinal cortex, but not the hippocampus. Together, these results suggest that the rhinal cortex may be more indicative of Alzheimer’s disease pathology and can help differentiate from age-related neurodegeneration.

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.

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.