Two-photon calcium imaging and electron microscopy were used to explore the relationship between structure and function in mouse primary visual cortex, showing that layer 2/3 neurons are connected in subnetworks, that pyramidal neurons with similar orientation selectivity preferentially form synapses with each other, and that neurons with similar orientation tuning form larger synapses; this study exemplifies functional connectomics as a powerful method for studying the organizational logic of cortical networks. To explore the relationship between structure and function in cortical networks, Wei-Chung Allen Lee and colleagues combined two-photon calcium imaging and electron microscopy in mouse primary visual cortex. They found that layer 2/3 neurons are organized into subnetworks, that pyramidal neurons with similar orientation selectivity preferentially form synapses with each other, and that neurons with similar orientation tuning form larger synapses. This study exemplifies functional connectomics as a powerful method for studying the organizational logic of cortical networks. Circuits in the cerebral cortex consist of thousands of neurons connected by millions of synapses. A precise understanding of these local networks requires relating circuit activity with the underlying network structure. For pyramidal cells in superficial mouse visual cortex (V1), a consensus is emerging that neurons with similar visual response properties excite each other1,2,3,4,5, but the anatomical basis of this recurrent synaptic network is unknown. Here we combined physiological imaging and large-scale electron microscopy to study an excitatory network in V1. We found that layer 2/3 neurons organized into subnetworks defined by anatomical connectivity, with more connections within than between groups. More specifically, we found that pyramidal neurons with similar orientation selectivity preferentially formed synapses with each other, despite the fact that axons and dendrites of all orientation selectivities pass near (<5 μm) each other with roughly equal probability. Therefore, we predict that mechanisms of functionally specific connectivity take place at the length scale of spines. Neurons with similar orientation tuning formed larger synapses, potentially enhancing the net effect of synaptic specificity. With the ability to study thousands of connections in a single circuit, functional connectomics is proving a powerful method to uncover the organizational logic of cortical networks.

Although there have been major advances in elucidating the functional biology of the human brain, relatively little is known of its cellular and molecular organization. Here we report a large-scale characterization of the expression of ∼1,000 genes important for neural functions by in situ hybridization at a cellular resolution in visual and temporal cortices of adult human brains. These data reveal diverse gene expression patterns and remarkable conservation of each individual gene's expression among individuals (95%), cortical areas (84%), and between human and mouse (79%). A small but substantial number of genes (21%) exhibited species-differential expression. Distinct molecular signatures, comprised of genes both common between species and unique to each, were identified for each major cortical cell type. The data suggest that gene expression profile changes may contribute to differential cortical function across species, and in particular, a shift from corticosubcortical to more predominant corticocortical communications in the human brain.

Abstract Biological aging can be defined as a gradual loss of homeostasis across various aspects of molecular and cellular function. Aging is a complex and dynamic process which influences distinct cell types in a myriad of ways. The cellular architecture of the mammalian brain is heterogeneous and diverse, making it challenging to identify precise areas and cell types of the brain that are more susceptible to aging than others. Here, we present a high-resolution single-cell RNA sequencing dataset containing ∼1.2 million high-quality single-cell transcriptomic profiles of brain cells from young adult and aged mice across both sexes, including areas spanning the forebrain, midbrain, and hindbrain. We find age-associated gene expression signatures across nearly all 130+ neuronal and non-neuronal cell subclasses we identified. We detect the greatest gene expression changes in non-neuronal cell types, suggesting that different cell types in the brain vary in their susceptibility to aging. We identify specific, age-enriched clusters within specific glial, vascular, and immune cell types from both cortical and subcortical regions of the brain, and specific gene expression changes associated with cell senescence, inflammation, decrease in new myelination, and decreased vasculature integrity. We also identify genes with expression changes across multiple cell subclasses, pointing to certain mechanisms of aging that may occur across wide regions or broad cell types of the brain. Finally, we discover the greatest gene expression changes in cell types localized to the third ventricle of the hypothalamus, including tanycytes, ependymal cells, and Tbx3 + neurons found in the arcuate nucleus that are part of the neuronal circuits regulating food intake and energy homeostasis. These findings suggest that the area surrounding the third ventricle in the hypothalamus may be a hub for aging in the mouse brain. Overall, we reveal a dynamic landscape of cell-type-specific transcriptomic changes in the brain associated with normal aging that will serve as a foundation for the investigation of functional changes in the aging process and the interaction of aging and diseases.

Biological ageing can be defined as a gradual loss of homeostasis across various aspects of molecular and cellular function1,2. Mammalian brains consist of thousands of cell types3, which may be differentially susceptible or resilient to ageing. Here we present a comprehensive single-cell RNA sequencing dataset containing roughly 1.2 million high-quality single-cell transcriptomes of brain cells from young adult and aged mice of both sexes, from regions spanning the forebrain, midbrain and hindbrain. High-resolution clustering of all cells results in 847 cell clusters and reveals at least 14 age-biased clusters that are mostly glial types. At the broader cell subclass and supertype levels, we find age-associated gene expression signatures and provide a list of 2,449 unique differentially expressed genes (age-DE genes) for many neuronal and non-neuronal cell types. Whereas most age-DE genes are unique to specific cell types, we observe common signatures with ageing across cell types, including a decrease in expression of genes related to neuronal structure and function in many neuron types, major astrocyte types and mature oligodendrocytes, and an increase in expression of genes related to immune function, antigen presentation, inflammation, and cell motility in immune cell types and some vascular cell types. Finally, we observe that some of the cell types that demonstrate the greatest sensitivity to ageing are concentrated around the third ventricle in the hypothalamus, including tanycytes, ependymal cells, and certain neuron types in the arcuate nucleus, dorsomedial nucleus and paraventricular nucleus that express genes canonically related to energy homeostasis. Many of these types demonstrate both a decrease in neuronal function and an increase in immune response. These findings suggest that the third ventricle in the hypothalamus may be a hub for ageing in the mouse brain. Overall, this study systematically delineates a dynamic landscape of cell-type-specific transcriptomic changes in the brain associated with normal ageing that will serve as a foundation for the investigation of functional changes in ageing and the interaction of ageing and disease. A comprehensive single-cell RNA sequencing study delineates cell-type-specific transcriptomic changes in the brain associated with normal ageing that will inform the investigation into functional changes and the interaction of ageing and disease.