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.

Abstract Advancement in modern neuroscience is bottlenecked by neural reconstruction, a process that extracts 3D neuron morphology (typically in tree structures) from image volumes at the scale of hundreds of GBs. We introduce Recut, an automated and accelerated neural reconstruction pipeline, which provides a unified, and domain specific sparse data representation with 79× reduction in the memory footprint. Recut’s reconstruction can process 111 Kneurons/day or 79 TB/day on a 24-core workstation, placing the throughput bottleneck back on microscopic imaging time. Recut allows the full brain of a mouse to be processed in memory on a single server, at 89.5× higher throughput over existing I/O-bounded methods. Recut is also the first fully parallelized end-to-end automated reconstruction pipeline for light microscopy, yielding tree morphologies closer to ground truth than the state-of-the-art while removing involved manual steps and disk I/O overheads. We also optimized pipeline stages to linear algorithmic complexity for scalability in dense settings and allow the most timing-critical stages to optionally run on accelerated hardware.

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.

Abstract Neuronal reconstruction–a process that transforms image volumes into 3D geometries and skeletons of cells– bottlenecks the study of brain function, connectomics and pathology. Domain scientists need exact and complete segmentations to study subtle topological differences. Existing methods are diskbound, dense-access, coupled, single-threaded, algorithmically unscalable and require manual cropping of small windows and proofreading of skeletons due to low topological accuracy. Designing a data-intensive parallel solution suited to a neurons’ shape, topology and far-ranging connectivity is particularly challenging due to I/O and load-balance, yet by abstracting these vision tasks into strategically ordered specializations of search, we progressively lower memory by 4 orders of magnitude. This enables 1 mouse brain to be fully processed in-memory on a single server, at 67× the scale with 870× less memory while having 78% higher automated yield than APP2, the previous state of the art in performant reconstruction.

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.