The mammalian cortex is comprised of cells with different morphological, physiological, and molecular properties that can be classified according to shared properties into cell types. Defining the contribution of each cell type to the computational and cognitive processes that are guided by the cortex is essential for understanding its function in health and disease. We use transcriptomic and epigenomic cortical cell type taxonomies from mice and humans to define marker genes and enhancers, and to build genetic tools for cortical cell types. Here, we present a large toolkit for selective targeting of cortical populations, including mouse transgenic lines and recombinant adeno-associated virus (AAV) vectors containing genomic enhancers. We report evaluation of fifteen new transgenic driver lines and over 680 different enhancer AAVs covering all major subclasses of cortical cells, with many achieving a high degree of specificity, comparable with existing transgenic lines. We find that the transgenic lines based on marker genes can provide exceptional specificity and completeness of cell type labeling, but frequently require generation of a triple-transgenic cross for best usability/specificity. On the other hand, enhancer AAVs are easy to screen and use, and can be easily modified to express diverse cargo, such as recombinases. However, their use depends on many factors, such as viral titer and route of administration. The tools reported here as well as the scaled process of tool creation provide an unprecedented resource that should enable diverse experimental strategies towards understanding mammalian cortex and brain function.

Abstract Proper brain function requires the assembly and function of diverse populations of neurons and glia. Single cell gene expression studies have mostly focused on characterization of neuronal cell diversity; however, recent studies have revealed substantial diversity of glial cells, particularly astrocytes. To better understand glial cell types and their roles in neurobiology, we built a new suite of adeno-associated viral (AAV)-based genetic tools to enable genetic access to astrocytes and oligodendrocytes. These oligodendrocyte and astrocyte enhancer-AAVs are highly specific (usually > 95% cell type specificity) with variable expression levels, and our astrocyte enhancer-AAVs show multiple distinct expression patterns reflecting the spatial distribution of astrocyte cell types. To provide the best glial-specific functional tools, several enhancer-AAVs were: optimized for higher expression levels, shown to be functional and specific in rat and macaque, shown to maintain specific activity in epilepsy where traditional promoters changed activity, and used to drive functional transgenes in astrocytes including Cre recombinase and acetylcholine-responsive sensor iAChSnFR. The astrocyte-specific iAChSnFR revealed a clear reward-dependent acetylcholine response in astrocytes of the nucleus accumbens during reinforcement learning. Together, this collection of glial enhancer-AAVs will enable characterization of astrocyte and oligodendrocyte populations and their roles across species, disease states, and behavioral epochs.

During development, brain regions follow encoded growth trajectories. Compared to classical brain growth charts, high-definition growth charts could quantify regional volumetric growth and constituent cell types, improving our understanding of typical and pathological brain development. Here, we create high-resolution 3D atlases of the early postnatal mouse brain, using Allen CCFv3 anatomical labels, at postnatal days (P) 4, 6, 8, 10, 12, and 14, and determine the volumetric growth of different brain regions. We utilize 11 different cell type-specific transgenic animals to validate and refine anatomical labels. Moreover, we reveal region-specific density changes in γ-aminobutyric acid-producing (GABAergic), cortical layer-specific cell types, and microglia as key players in shaping early postnatal brain development. We find contrasting changes in GABAergic neuronal densities between cortical and striatal areas, stabilizing at P12. Moreover, somatostatin-expressing cortical interneurons undergo regionally distinct density reductions, while vasoactive intestinal peptide-expressing interneurons show no significant changes. Remarkably, microglia transition from high density in white matter tracks to gray matter at P10, and show selective density increases in sensory processing areas that correlate with the emergence of individual sensory modalities. Lastly, we create an open-access web-visualization (https://kimlab.io/brain-map/epDevAtlas) for cell-type growth charts and developmental atlases for all postnatal time points.

The spinal cord receives inputs from the cortex via corticospinal neurons (CSNs). While predominantly a contralateral projection, a less-investigated minority of its axons terminate in the ipsilateral spinal cord. We analyzed the spatial and molecular properties of these ipsilateral axons and their post-synaptic targets in mice and found they project primarily to the ventral horn, including directly to motor neurons. Barcode-based reconstruction of the ipsilateral axons revealed a class of primarily bilaterally-projecting CSNs with a distinct cortical distribution. The molecular properties of these ipsilaterally-projecting CSNs (IP-CSNs) are strikingly similar to the previously described molecular signature of embryonic-like regenerating CSNs. Finally, we show that IP-CSNs are spontaneously regenerative after spinal cord injury. The discovery of a class of spontaneously regenerative CSNs may prove valuable to the study of spinal cord injury. Additionally, this work suggests that the retention of juvenile-like characteristics may be a widespread phenomenon in adult nervous systems.