Elucidating the cellular architecture of the human cerebral cortex is central to understanding our cognitive abilities and susceptibility to disease. Here we used single-nucleus RNA-sequencing analysis to perform a comprehensive study of cell types in the middle temporal gyrus of human cortex. We identified a highly diverse set of excitatory and inhibitory neuron types that are mostly sparse, with excitatory types being less layer-restricted than expected. Comparison to similar mouse cortex single-cell RNA-sequencing datasets revealed a surprisingly well-conserved cellular architecture that enables matching of homologous types and predictions of properties of human cell types. Despite this general conservation, we also found extensive differences between homologous human and mouse cell types, including marked alterations in proportions, laminar distributions, gene expression and morphology. These species-specific features emphasize the importance of directly studying human brain. RNA-sequencing analysis of cells in the human cortex enabled identification of diverse cell types, revealing well-conserved architecture and homologous cell types as well as extensive differences when compared with datasets covering the analogous region of the mouse brain.

Abstract Background Standard therapy for glioblastoma includes surgery, radiotherapy, and temozolomide. This Phase 3 trial evaluates the addition of an autologous tumor lysate-pulsed dendritic cell vaccine (DCVax ® -L) to standard therapy for newly diagnosed glioblastoma. Methods After surgery and chemoradiotherapy, patients were randomized (2:1) to receive temozolomide plus DCVax-L (n = 232) or temozolomide and placebo (n = 99). Following recurrence, all patients were allowed to receive DCVax-L, without unblinding. The primary endpoint was progression free survival (PFS); the secondary endpoint was overall survival (OS). Results For the intent-to-treat (ITT) population (n = 331), median OS (mOS) was 23.1 months from surgery. Because of the cross-over trial design, nearly 90% of the ITT population received DCVax-L. For patients with methylated MGMT (n = 131), mOS was 34.7 months from surgery, with a 3-year survival of 46.4%. As of this analysis, 223 patients are ≥ 30 months past their surgery date; 67 of these (30.0%) have lived ≥ 30 months and have a Kaplan-Meier (KM)-derived mOS of 46.5 months. 182 patients are ≥ 36 months past surgery; 44 of these (24.2%) have lived ≥ 36 months and have a KM-derived mOS of 88.2 months. A population of extended survivors (n = 100) with mOS of 40.5 months, not explained by known prognostic factors, will be analyzed further. Only 2.1% of ITT patients (n = 7) had a grade 3 or 4 adverse event that was deemed at least possibly related to the vaccine. Overall adverse events with DCVax were comparable to standard therapy alone. Conclusions Addition of DCVax-L to standard therapy is feasible and safe in glioblastoma patients, and may extend survival. Trial registration Funded by Northwest Biotherapeutics; Clinicaltrials.gov number: NCT00045968; https://clinicaltrials.gov/ct2/show/NCT00045968?term=NCT00045968&rank=1 ; initially registered 19 September 2002

Anatomically correct tumor genomics Glioblastoma is the most lethal form of human brain cancer. The genomic alterations and gene expression profiles characterizing this tumor type have been widely studied. Puchalski et al. created the Ivy Glioblastoma Atlas, a freely available online resource for the research community. The atlas, a collaborative effort between bioinformaticians and pathologists, maps molecular features of glioblastomas, such as transcriptional signatures, to histologically defined anatomical regions of the tumors. The relationships identified in this atlas, in conjunction with associated databases of clinical and genomic information, could provide new insights into the pathogenesis, diagnosis, and treatment of glioblastoma. Science , this issue p. 660

Abstract To elucidate cortical microcircuit structure and synaptic properties we present a unique, extensive, and public synaptic physiology dataset and analysis platform. Through its application, we reveal principles that relate cell type to synapse properties and intralaminar circuit organization in the mouse and human cortex. The dynamics of excitatory synapses align with the postsynaptic cell subclass, whereas inhibitory synapse dynamics partly align with presynaptic cell subclass but with considerable overlap. Despite these associations, synaptic properties are heterogeneous in most subclass to subclass connections. The two main axes of heterogeneity are strength and variability. Cell subclasses divide along the variability axis, while the strength axis accounts for significant heterogeneity within the subclass. In human cortex, excitatory to excitatory synapse dynamics are distinct from those in mouse and short-term plasticity varies with depth across layers 2 and 3. With a novel connectivity analysis that enables fair comparisons between circuit elements, we find that intralaminar connection probability among cell subclasses exhibits a strong layer dependence.These and other findings combined with the analysis platform create new opportunities for the neuroscience community to advance our understanding of cortical microcircuits.

Summary Viral genetic tools to target specific brain cell types in humans and non-genetic model organisms will transform basic neuroscience and targeted gene therapy. Here we used comparative epigenetics to identify thousands of human neuronal subclass-specific putative enhancers to regulate viral tools, and 34% of these were conserved in mouse. We established an AAV platform to evaluate cellular specificity of functional enhancers by multiplexed fluorescent in situ hybridization (FISH) and single cell RNA sequencing. Initial testing in mouse neocortex yields a functional enhancer discovery success rate of over 30%. We identify enhancers with specificity for excitatory and inhibitory classes and subclasses including PVALB, LAMP5, and VIP/LAMP5 cells, some of which maintain specificity in vivo or ex vivo in monkey and human neocortex. Finally, functional enhancers can be proximal or distal to cellular marker genes, conserved or divergent across species, and could yield brain-wide specificity greater than the most selective marker genes.

Abstract Generating a comprehensive description of cortical networks requires a large-scale, systematic approach. To that end, the Allen Institute is engaged in a pipeline project using multipatch electrophysiology, supplemented with 2-photon optogenetics, to characterize connectivity and synaptic signaling between classes of neurons in adult mouse and human cortex. We focus on producing results detailed enough for the generation of computational models and enabling comparison with future studies. Here we report our examination of intralaminar connectivity within each of several classes of excitatory neurons. We find that connections are sparse but present among all excitatory cell types and layers we sampled, with the most sparse connections in layers 5 and 6. Almost all mouse synapses exhibited short-term depression with similar dynamics. Synaptic signaling between a subset of layer 2/3 neurons; however, exhibited facilitation. These results contribute to a body of evidence describing recurrent excitatory connectivity as a conserved feature of cortical microcircuits.

Abstract Human cortical interneurons have been challenging to study due to high diversity and lack of mature brain tissue platforms and genetic targeting tools. We employed rapid GABAergic neuron viral labeling plus unbiased Patch-seq sampling in brain slices to define the signature morpho-electric properties of GABAergic neurons in the human neocortex. Viral targeting greatly facilitated sampling of the SST subclass, including primate specialized double bouquet cells which mapped to two SST transcriptomic types. Multimodal analysis uncovered an SST neuron type with properties inconsistent with original subclass assignment; we instead propose reclassification into PVALB subclass. Our findings provide novel insights about functional properties of human cortical GABAergic neuron subclasses and types and highlight the essential role of multimodal annotation for refinement of emerging transcriptomic cell type taxonomies. One Sentence Summary Viral genetic labeling of GABAergic neurons in human ex vivo brain slices paired with Patch-seq recording yields an in-depth functional annotation of human cortical interneuron subclasses and types and highlights the essential role of multimodal functional annotation for refinement of emerging transcriptomic cell type taxonomies.

Abstract Neocortical layer 1 (L1) is a site of convergence between pyramidal neuron dendrites and feedback axons where local inhibitory signaling can profoundly shape cortical processing. Evolutionary expansion of human neocortex is marked by distinctive pyramidal neuron types with extensive branching in L1, but whether L1 interneurons are similarly diverse is underexplored. Using patch-seq recordings from human neurosurgically resected tissues, we identified four transcriptomically defined subclasses, unique subtypes within those subclasses and additional types with no mouse L1 homologue. Compared with mouse, human subclasses were more strongly distinct from each other across all modalities. Accompanied by higher neuron density and more variable cell sizes compared with mouse, these findings suggest L1 is an evolutionary hotspot, reflecting the increasing demands of regulating the expanding human neocortical circuit. One Sentence Summary Using transcriptomics and morpho-electric analyses, we describe innovations in human neocortical layer 1 interneurons.

Abstract In the neocortex, subcerebral axonal projections originate largely from layer 5 (L5) extratelencephalic-projecting (ET) neurons. The highly distinctive morpho-electric properties of these neurons have mainly been described in rodents, where ET neurons can be labeled by retrograde tracers or transgenic lines. Similar labeling strategies are not possible in the human neocortex, rendering the translational relevance of findings in rodents unclear. We leveraged the recent discovery of a transcriptomically-defined L5 ET neuron type to study the properties of human L5 ET neurons in neocortical brain slices derived from neurosurgeries. Patch-seq recordings, where transcriptome, physiology and morphology are assayed from the same cell, revealed many conserved morpho-electric properties of human and rodent L5 ET neurons. Divergent properties were also apparent but were often smaller than differences between cell types within these two species. These data suggest a conserved function of L5 ET neurons in the neocortical hierarchy, but also highlight marked phenotypic divergence possibly related to functional specialization of human neocortex.

Abstract Single cell transcriptomic studies have identified a conserved set of neocortical cell types from small post-mortem cohorts. We extend these efforts by assessing cell type variation across 75 adult individuals undergoing epilepsy and tumor surgeries. Nearly all nuclei map to one of 125 robust cell types identified in middle temporal gyrus, but with varied abundances and gene expression signatures across donors, particularly in deep layer glutamatergic neurons. A minority of variance is explainable by known factors including donor identity and small contributions from age, sex, ancestry, and disease state. Genomic variation was significantly associated with variable expression of 150-250 genes for most cell types. Thus, human individuals display a highly consistent cellular makeup, but with significant variation reflecting donor characteristics, disease condition, and genetic regulation. One-Sentence Summary Inter-individual variation in human cortex is greatest for deep layer excitatory neurons and largely unexplainable by known factors.