ABSTRACT We report the generation of a multimodal cell census and atlas of the mammalian primary motor cortex (MOp or M1) as the initial product of the BRAIN Initiative Cell Census Network (BICCN). This was achieved by coordinated large-scale analyses of single-cell transcriptomes, chromatin accessibility, DNA methylomes, spatially resolved single-cell transcriptomes, morphological and electrophysiological properties, and cellular resolution input-output mapping, integrated through cross-modal computational analysis. Together, our results advance the collective knowledge and understanding of brain cell type organization: First, our study reveals a unified molecular genetic landscape of cortical cell types that congruently integrates their transcriptome, open chromatin and DNA methylation maps. Second, cross-species analysis achieves a unified taxonomy of transcriptomic types and their hierarchical organization that are conserved from mouse to marmoset and human. Third, cross-modal analysis provides compelling evidence for the epigenomic, transcriptomic, and gene regulatory basis of neuronal phenotypes such as their physiological and anatomical properties, demonstrating the biological validity and genomic underpinning of neuron types and subtypes. Fourth, in situ single-cell transcriptomics provides a spatially-resolved cell type atlas of the motor cortex. Fifth, integrated transcriptomic, epigenomic and anatomical analyses reveal the correspondence between neural circuits and transcriptomic cell types. We further present an extensive genetic toolset for targeting and fate mapping glutamatergic projection neuron types toward linking their developmental trajectory to their circuit function. Together, our results establish a unified and mechanistic framework of neuronal cell type organization that integrates multi-layered molecular genetic and spatial information with multi-faceted phenotypic properties.

Long non-coding RNAs (lncRNAs) play a key role in the human brain, and genetic variants regulate their expression. Herein, the expression quantitative trait loci (eQTL) of lncRNAs encompassing ten brain regions from 134 individuals was analyzed, and novel variants influencing lncRNA expression (eSNPs) and the respective affected lncRNAs (elncRNAs) were identified. The eSNPs are proximate to their corresponding elncRNAs, enriched in the non-coding genome, and have a high minor allele frequency. The elncRNAs exhibit a high-level and complex pattern of expression. The genetic regulation is more tissue-specific for lncRNAs than for protein-coding genes, with notable differences between cerebrum and cerebellum. However, it shows relatively similar patterns across the cortex regions. Furthermore, we observed a significant enrichment of eSNPs among variants associated with neurological disorders, especially insomnia, and identified insomnia-related lncRNAs involved in immune response functions. Moreover, the present study offers an improved tool for lncRNA quantification, a novel approach for lncRNA function analysis, and a database of lncRNA expression regulation in the human brain. These findings and resources will advance the research on non-coding gene expression regulation in neuroscience.

Neuronal cell types are classically defined by their molecular properties, anatomy, and functions. While recent advances in single-cell genomics have led to high-resolution molecular characterization of cell type diversity in the brain, neuronal cell types are often studied out of the context of their anatomical properties. To better understand the relationship between molecular and anatomical features defining cortical neurons, we combined retrograde labeling with single-nucleus DNA methylation sequencing to link epigenomic properties of cell types to neuronal projections. We examined 11,827 single neocortical neurons from 63 cortico-cortical (CC) and cortico-subcortical long-distance projections. Our results revealed unique epigenetic signatures of projection neurons that correspond to their laminar and regional location and projection patterns. Based on their epigenomes, intra-telencephalic (IT) cells projecting to different cortical targets could be further distinguished, and some layer 5 neurons projecting to extra-telencephalic targets (L5-ET) formed separate subclusters that aligned with their axonal projections. Such separation varied between cortical areas, suggesting area-specific differences in L5-ET subtypes, which were further validated by anatomical studies. Interestingly, a population of CC projection neurons clustered with L5-ET rather than IT neurons, suggesting a population of L5-ET cortical neurons projecting to both targets (L5-ET+CC). We verified the existence of these neurons by labeling the axon terminals of CC projection neurons and observed clear labeling in ET targets including thalamus, superior colliculus, and pons. These findings highlight the power of single-cell epigenomic approaches to connect the molecular properties of neurons with their anatomical and projection properties.