Transcriptome mapping in the 3D brain RNA sequencing samples the entire transcriptome but lacks anatomical information. In situ hybridization, on the other hand, can only profile a small number of transcripts. In situ sequencing technologies address these shortcomings but face a challenge in dense, complex tissue environments. Wang et al. combined an efficient sequencing approach with hydrogel-tissue chemistry to develop a multidisciplinary technology for three-dimensional (3D) intact-tissue RNA sequencing (see the Perspective by Knöpfel). More than 1000 genes were simultaneously mapped in sections of mouse brain at single-cell resolution to define cell types and circuit states and to reveal cell organization principles. Science , this issue p. eaat5691 ; see also p. 328

Memories of fearful events can last a lifetime. The prelimbic (PL) cortex, a subregion of prefrontal cortex, plays a critical role in fear memory retrieval over time. Most studies have focused on acquisition, consolidation, and retrieval of recent memories, but much less is known about the neural mechanisms of remote memory. Using a new knock-in mouse for activity-dependent genetic labeling (TRAP2), we demonstrate that neuronal ensembles in the PL cortex are dynamic. PL neurons TRAPed during later memory retrievals are more likely to be reactivated and make larger behavioral contributions to remote memory retrieval compared to those TRAPed during learning or early memory retrieval. PL activity during learning is required to initiate this time-dependent reorganization in PL ensembles underlying memory retrieval. Finally, while neurons TRAPed during earlier and later retrievals have similar broad projections throughout the brain, PL neurons TRAPed later have a stronger functional recruitment of cortical targets. DeNardo et al. characterize TRAP2, which allows genetic access to neurons based on their activity, and use it to show that neuronal ensembles in prelimbic cortex for remote fear memory undergo dynamic changes during the first 14 days after learning.

The successful planning and execution of adaptive behaviors in mammals may require long-range coordination of neural networks throughout cerebral cortex. The neuronal implementation of signals that could orchestrate cortex-wide activity remains unclear. Here, we develop and apply methods for cortex-wide Ca2+ imaging in mice performing decision-making behavior and identify a global cortical representation of task engagement encoded in the activity dynamics of both single cells and superficial neuropil distributed across the majority of dorsal cortex. The activity of multiple molecularly defined cell types was found to reflect this representation with type-specific dynamics. Focal optogenetic inhibition tiled across cortex revealed a crucial role for frontal cortex in triggering this cortex-wide phenomenon; local inhibition of this region blocked both the cortex-wide response to task-initiating cues and the voluntary behavior. These findings reveal cell-type-specific processes in cortex for globally representing goal-directed behavior and identify a major cortical node that gates the global broadcast of task-related information.

Physiological needs produce motivational drives, such as thirst and hunger, that regulate behaviors essential to survival. Hypothalamic neurons sense these needs and must coordinate relevant brainwide neuronal activity to produce the appropriate behavior. We studied dynamics from ~24,000 neurons in 34 brain regions during thirst-motivated choice behavior in 21 mice as they consumed water and became sated. Water-predicting sensory cues elicited activity that rapidly spread throughout the brain of thirsty animals. These dynamics were gated by a brainwide mode of population activity that encoded motivational state. After satiation, focal optogenetic activation of hypothalamic thirst-sensing neurons returned global activity to the pre-satiation state. Thus, motivational states specify initial conditions that determine how a brainwide dynamical system transforms sensory input into behavioral output.

A major challenge in understanding the cellular diversity of the brain has been linking activity during behavior with standard cellular typology. For example, it has not been possible to determine whether principal neurons in prefrontal cortex active during distinct experiences represent separable cell types, and it is not known whether these differentially active cells exert distinct causal influences on behavior. Here, we develop quantitative hydrogel-based technologies to connect activity in cells reporting on behavioral experience with measures for both brain-wide wiring and molecular phenotype. We find that positive and negative-valence experiences in prefrontal cortex are represented by cell populations that differ in their causal impact on behavior, long-range wiring, and gene expression profiles, with the major discriminant being expression of the adaptation-linked gene NPAS4. These findings illuminate cellular logic of prefrontal cortex information processing and natural adaptive behavior and may point the way to cell-type-specific understanding and treatment of disease-associated states.

Constitutive heterochromatin is traditionally viewed as the static form of heterochromatin that silences pericentromeric and telomeric repeats in a cell cycle- and differentiation-independent manner. Here, we show that, in the mouse olfactory epithelium, olfactory receptor (OR) genes are marked in a highly dynamic fashion with the molecular hallmarks of constitutive heterochromatin, H3K9me3 and H4K20me3. The cell type and developmentally dependent deposition of these marks along the OR clusters are, most likely, reversed during the process of OR choice to allow for monogenic and monoallelic OR expression. In contrast to the current view of OR choice, our data suggest that OR silencing takes place before OR expression, indicating that it is not the product of an OR-elicited feedback signal. Our findings suggest that chromatin-mediated silencing lays a molecular foundation upon which singular and stochastic selection for gene expression can be applied.

A cell type in the median preoptic nucleus integrates water intake over time and controls thirst behavior in mice.

Abstract How have complex brains evolved from simple circuits? Here we investigated brain region evolution at cell type resolution in the cerebellar nuclei (CN), the output structures of the cerebellum. Using single-nucleus RNA sequencing in mice, chickens, and humans, as well as STARmap spatial transcriptomic analysis and whole-CNS projection tracing in mice, we identified a conserved cell type set containing two classes of region-specific excitatory neurons and three classes of region-invariant inhibitory neurons. This set constitutes an archetypal CN that was repeatedly duplicated to form new regions. Interestingly, the excitatory cell class that preferentially funnels information to lateral frontal cortices in mice becomes predominant in the massively expanded human Lateral CN. Our data provide the first characterization of CN transcriptomic cell types in three species and suggest a model of brain region evolution by duplication and divergence of entire cell type sets.

Summary The cellular diversity and complex organization of the brain have hindered systematic characterization of age-related changes in its cellular and molecular architecture, limiting our ability to understand the mechanisms underlying its functional decline during aging. Here we generated a high-resolution cell atlas of brain aging within the frontal cortex and striatum using spatially resolved single-cell transcriptomics and quantified the changes in gene expression and spatial organization of major cell types in these brain regions over the lifespan of mice. We observed substantially more pronounced changes in the composition, gene expression and spatial organization of non-neuronal cells over neurons. Our data revealed molecular and spatial signatures of glial and immune cell activation during aging, particularly enriched in subcortical white matter, and identified both similarities and notable differences in cell activation patterns induced by aging and systemic inflammatory challenge. These results provide critical insights into age-related decline and inflammation in the brain.

Animals perform flexible goal-directed behaviours to satisfy their basic physiological needs1–12. However, little is known about how unitary behaviours are chosen under conflicting needs. Here we reveal principles by which the brain resolves such conflicts between needs across time. We developed an experimental paradigm in which a hungry and thirsty mouse is given free choices between equidistant food and water. We found that mice collect need-appropriate rewards by structuring their choices into persistent bouts with stochastic transitions. High-density electrophysiological recordings during this behaviour revealed distributed single neuron and neuronal population correlates of a persistent internal goal state guiding future choices of the mouse. We captured these phenomena with a mathematical model describing a global need state that noisily diffuses across a shifting energy landscape. Model simulations successfully predicted behavioural and neural data, including population neural dynamics before choice transitions and in response to optogenetic thirst stimulation. These results provide a general framework for resolving conflicts between needs across time, rooted in the emergent properties of need-dependent state persistence and noise-driven shifts between behavioural goals.