Abstract A mammalian brain is composed of numerous cell types organized in an intricate manner to form functional neural circuits. Single-cell RNA sequencing allows systematic identification of cell types based on their gene expression profiles and has revealed many distinct cell populations in the brain 1,2 . Single-cell epigenomic profiling 3,4 further provides information on gene-regulatory signatures of different cell types. Understanding how different cell types contribute to brain function, however, requires knowledge of their spatial organization and connectivity, which is not preserved in sequencing-based methods that involve cell dissociation. Here we used a single-cell transcriptome-imaging method, multiplexed error-robust fluorescence in situ hybridization (MERFISH) 5 , to generate a molecularly defined and spatially resolved cell atlas of the mouse primary motor cortex. We profiled approximately 300,000 cells in the mouse primary motor cortex and its adjacent areas, identified 95 neuronal and non-neuronal cell clusters, and revealed a complex spatial map in which not only excitatory but also most inhibitory neuronal clusters adopted laminar organizations. Intratelencephalic neurons formed a largely continuous gradient along the cortical depth axis, in which the gene expression of individual cells correlated with their cortical depths. Furthermore, we integrated MERFISH with retrograde labelling to probe projection targets of neurons of the mouse primary motor cortex and found that their cortical projections formed a complex network in which individual neuronal clusters project to multiple target regions and individual target regions receive inputs from multiple neuronal clusters.

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 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.

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.