The mammalian cortex is a laminar structure containing many areas and cell types that are densely interconnected in complex ways, and for which generalizable principles of organization remain mostly unknown. Here we describe a major expansion of the Allen Mouse Brain Connectivity Atlas resource

Understanding the diversity of cell types in the brain has been an enduring challenge and requires detailed characterization of individual neurons in multiple dimensions. To systematically profile morpho-electric properties of mammalian neurons, we established a single-cell characterization pipeline using standardized patch-clamp recordings in brain slices and biocytin-based neuronal reconstructions. We built a publicly accessible online database, the Allen Cell Types Database, to display these datasets. Intrinsic physiological properties were measured from 1,938 neurons from the adult laboratory mouse visual cortex, morphological properties were measured from 461 reconstructed neurons, and 452 neurons had both measurements available. Quantitative features were used to classify neurons into distinct types using unsupervised methods. We established a taxonomy of morphologically and electrophysiologically defined cell types for this region of the cortex, with 17 electrophysiological types, 38 morphological types and 46 morpho-electric types. There was good correspondence with previously defined transcriptomic cell types and subclasses using the same transgenic mouse lines. Gouwens et al. established a morpho-electrical taxonomy of cell types for the mouse visual cortex via unsupervised clustering analysis of multiple quantitative features from 1,938 neurons available online at the Allen Cell Types Database.

To understand how the brain processes sensory information to guide behavior, we must know how stimulus representations are transformed throughout the visual cortex. Here we report an open, large-scale physiological survey of activity in the awake mouse visual cortex: the Allen Brain Observatory Visual Coding dataset. This publicly available dataset includes the cortical activity of nearly 60,000 neurons from six visual areas, four layers, and 12 transgenic mouse lines in a total of 243 adult mice, in response to a systematic set of visual stimuli. We classify neurons on the basis of joint reliabilities to multiple stimuli and validate this functional classification with models of visual responses. While most classes are characterized by responses to specific subsets of the stimuli, the largest class is not reliably responsive to any of the stimuli and becomes progressively larger in higher visual areas. These classes reveal a functional organization wherein putative dorsal areas show specialization for visual motion signals. By comparing neural responses to diverse visual stimuli measured with a standardized two-photon imaging pipeline, the authors reveal response specializations within the mouse visual cortex.

Abstract The mammalian cortex is a laminar structure composed of many cell types densely interconnected in complex ways. Recent systematic efforts to map the mouse mesoscale connectome provide comprehensive projection data on interareal connections, but not at the level of specific cell classes or layers within cortical areas. We present here a significant expansion of the Allen Mouse Brain Connectivity Atlas, with ∼1,000 new axonal projection mapping experiments across nearly all isocortical areas in 49 Cre driver lines. Using 13 lines selective for cortical layer-specific projection neuron classes, we identify the differential contribution of each layer/class to the overall intracortical connectivity patterns. We find layer 5 (L5) projection neurons account for essentially all intracortical outputs. L2/3, L4, and L6 neurons contact a subset of the L5 cortical targets. We also describe the most common axon lamination patterns in cortical targets. Most patterns are consistent with previous anatomical rules used to determine hierarchical position between cortical areas (feedforward, feedback), with notable exceptions. While diverse target lamination patterns arise from every source layer/class, L2/3 and L4 neurons are primarily associated with feedforward type projection patterns and L6 with feedback. L5 has both feedforward and feedback projection patterns. Finally, network analyses revealed a modular organization of the intracortical connectome. By labeling interareal and intermodule connections as feedforward or feedback, we present an integrated view of the intracortical connectome as a hierarchical network.

ABSTRACT Understanding the diversity of cell types in the brain has been an enduring challenge and requires detailed characterization of individual neurons in multiple dimensions. To profile morpho-electric properties of mammalian neurons systematically, we established a single cell characterization pipeline using standardized patch clamp recordings in brain slices and biocytin-based neuronal reconstructions. We built a publicly-accessible online database, the Allen Cell Types Database, to display these data sets. Intrinsic physiological and morphological properties were measured from over 1,800 neurons from the adult laboratory mouse visual cortex. Quantitative features were used to classify neurons into distinct types using unsupervised methods. We establish a taxonomy of morphologically- and electrophysiologically-defined cell types for this region of cortex with 17 e-types and 35 m-types, as well as an initial correspondence with previously-defined transcriptomic cell types using the same transgenic mouse lines.

To understand how the brain processes sensory information to guide behavior, we must know how stimulus representations are transformed throughout the visual cortex. Here we report an open, large-scale physiological survey of neural activity in the awake mouse visual cortex: the Allen Brain Observatory Visual Coding dataset. This publicly available dataset includes cortical activity from nearly 60,000 neurons collected from 6 visual areas, 4 layers, and 12 transgenic mouse lines from 221 adult mice, in response to a systematic set of visual stimuli. Using this dataset, we reveal functional differences across these dimensions and show that visual cortical responses are sparse but correlated. Surprisingly, responses to different stimuli are largely independent, e.g. whether a neuron responds to natural scenes provides no information about whether it responds to natural movies or to gratings. We show that these phenomena cannot be explained by standard local filter-based models, but are consistent with multi-layer hierarchical computation, as found in deeper layers of standard convolutional neural networks.

Abstract Whether single-cell RNA-sequencing (scRNA-seq) captures the same biological information as singlenuclei RNA-sequencing (snRNA-seq) remains uncertain and likely to be context-dependent. Herein, a head-to-head comparison was performed in matched normal-adenocarcinoma human lung samples to assess biological insights derived from scRNA-seq versus snRNA-seq and better understand the cellular transition that occurs from normal to tumoral tissue. Here, the transcriptome of 160,621 cells/nuclei was obtained. In non-tumor lung, cell type proportions varied widely between scRNA-seq and snRNA-seq with a predominance of immune cells in the former (81.5%) and epithelial cells (69.9%) in the later. Similar results were observed in adenocarcinomas, in addition to an overall increase in cell type heterogeneity and a greater prevalence of copy number variants in cells of epithelial origin, which suggests malignant assignment. The cell type transition that occurs from normal lung tissue to adenocarcinoma was often discordant whether cells or nuclei were examined. In addition, we showed that the ligand-receptor interactome landscape of lung adenocarcinoma was largely different whether cells or nuclei were evaluated. Immune cell depletion in fresh specimens partly mitigated the difference in cell type composition observed between cells and nuclei. However, the extra manipulations affected cell viability and amplified the transcriptional signatures associated with stress responses. In conclusion, research applications focussing on mapping the immune landscape of lung adenocarcinoma benefit from scRNA-seq in fresh samples, whereas snRNA-seq of frozen samples provide a low-cost alternative to profile more epithelial and cancer cells, and yield cell type proportion that more closely match tissue content.

Calcific aortic valve stenosis (CAVS) is a common and life-threatening heart disease with no drug that can stop or delay its progression. Elucidating the genetic factors underpinning CAVS is an urgent priority to find new therapeutic targets. Major landmarks in genetics of CAVS include the discoveries of NOTCH1 and LPA. However, genetic variants in these genes accounted for a small number of cases and low population-attributable risk. Here we mapped a new susceptibility locus for CAVS on chromosome 1p21.2 and identified PALMD (palmdelphin) as the causal gene. PALMD was revealed using a transcriptome-wide association study (TWAS), which combines a genome-wide association study (GWAS) of 1,009 cases and 1,017 ethnically-matched controls with the first large-scale expression quantitative trait loci (eQTL) mapping study on human aortic valve tissues (n=233). The CAVS risk alleles and increasing disease severity were both associated with lowered mRNA expression levels of PALMD in valve tissues. The top variant explained up to 12.5% of the population-attributable risk and showed similar effect and strong association with CAVS (P=1.53x10-10) in UK Biobank comparing 1,391 cases and 352,195 controls. The identification of PALMD as a susceptibility gene for CAVS provides new insights about the genetic nature of this disease and opens new avenues to investigate its etiology and develop much-needed therapeutic options.

BACKGROUND: Short-coupled ventricular fibrillation (SCVF) is increasingly being recognized as a distinct primary electrical disorder and cause of otherwise unexplained cardiac arrest. However, the pathophysiology of SCVF remains largely elusive. Despite extensive genetic screening, there is no convincing evidence of a robust monogenic disease gene, thus raising the speculations for alternative pathogeneses. The role of autoimmune mechanisms in SCVF has not been investigated so far. The objective of this study was to screen for circulating autoantibodies in patients with SCVF and assess their role in arrhythmogenesis. METHODS: This is a prospective, single-center, case-control study enrolling cardiac arrest survivors diagnosed with SCVF or idiopathic ventricular fibrillation (IVF) between 2019 and 2023 at the Institut Universitaire de Cardiologie et de Pneumologie de Québec, Université Laval Inherited Arrhythmia Clinic in Canada. Plasma samples were screened for autoantibodies targeting cardiac ion channels using peptide microarray technology. Identified target autoantibodies were then purified from pooled plasma samples for subsequent cellular electrophysiological studies. RESULTS: Fourteen patients with SCVF (n=4 [29%] female patients; median age, 45 years [36, 58]; n=14 [100%] non-Hispanic White) and 19 patients with idiopathic ventricular fibrillation (n=8 [42%] female patients; median age, 49 years [38, 57]; n=19 [100%] non-Hispanic White) were enrolled in the study and compared with 38 (n=20 [53%] female subjects; median age, 45 years [29, 66]; n=36 [95%] non-Hispanic White) sex-, age- and ethnicity-matched healthy controls. During the study period, 11 (79%) SCVF probands experienced ventricular fibrillation recurrence after a median of 4.3 months (interquartile range, 0.3–20.7). Autoantibodies targeting cardiac TREK-1 (TWIK [tandem of pore-domains in a weakly inward rectifying potassium channel]–related potassium channel 1 were identified in 7 (50%) patients with SCVF ( P =0.049). Patch clamp experiments demonstrated channel-activating properties of anti–TREK-1 autoantibodies that are antagonized by quinidine in both HEK293 cells and human induced pluripotent stem cell–derived cardiomyocytes. CONCLUSIONS: Patients with SCVF harbor circulating autoantibodies against the cardiac TREK-1 channel. Anti–TREK-1 autoantibodies not only present the first reported biomarker for SCVF, but our functional studies also suggest a direct implication in the arrhythmogenesis of SCVF.

To date, only two replicated loci, LPA and PALMD, have been identified as causal genes for calcific aortic valve stenosis (CAVS) using genome-wide and transcriptome-wide association study (TWAS). To identify additional susceptibility genes for CAVS, we performed a GWAS meta-analysis totaling 5,115 cases and 354,072 controls of European descent. Four loci achieved genome-wide significance, including two new loci: IL6 (interleukin 6) on 7p15.3 and ALPL (alkaline phosphatase) on 1p36.12. A TWAS integrating an eQTL study of 233 human aortic valves identified NAV1 (neuron navigator 1) on 1q32.1 as a new candidate causal gene. The CAVS risk alleles were associated with higher mRNA expression of NAV1 in valve tissues. Association results at the genome-wide scale showed genetic correlation with coronary artery disease and cardiovascular risk factors. Our study highlights three new loci implicating inflammation, mineralization and blood vessel integrity in CAVS pathogenesis and supports shared genetic etiology with cardiovascular traits.