ABSTRACT Studying the function and dysfunction of complex biological systems necessitates comprehensive understanding of individual cells. Advancements in three-dimensional (3D) tissue processing and imaging modalities have enabled rapid visualization and phenotyping of cells in their spatial context. However, system-wide interrogation of individual cells within large intact tissue remains challenging, low throughput, and error-prone owing to the lack of robust labeling technologies. Here we introduce a rapid, versatile, and scalable method, eFLASH, that enables complete and uniform labeling of organ-scale tissue within one day. eFLASH dynamically modulates chemical transport and reaction kinetics to establish system-wide uniform labeling conditions throughout the day-long labeling period. This unique approach enables the same protocol to be compatible with a wide range of tissue types and probes, enabling combinatorial molecular phenotyping across different organs and species. We applied eFLASH to generate quantitative maps of various cell types in mouse brains. We also demonstrated multidimensional cell profiling in a marmoset brain block. We envision that eFLASH will spur holistic phenotyping of emerging animal models and disease models to help assess their functions and dysfunctions.

Abstract An essential step toward understanding brain function is to establish a cellular-resolution structural framework upon which multi-scale and multi-modal information spanning molecules, cells, circuits and systems can be integrated and interpreted. Here, through a collaborative effort from the Brain Initiative Cell Census Network (BICCN), we derive a comprehensive cell type-based description of one brain structure - the primary motor cortex upper limb area (MOp-ul) of the mouse. Applying state-of-the-art labeling, imaging, computational, and neuroinformatics tools, we delineated the MOp-ul within the Mouse Brain 3D Common Coordinate Framework (CCF). We defined over two dozen MOp-ul projection neuron (PN) types by their anterograde targets; the spatial distribution of their somata defines 11 cortical sublayers, a significant refinement of the classic notion of cortical laminar organization. We further combine multiple complementary tracing methods (classic tract tracing, cell type-based anterograde, retrograde, and transsynaptic viral tracing, high-throughput BARseq, and complete single cell reconstruction) to systematically chart cell type-based MOp input-output streams. As PNs link distant brain regions at synapses as well as host cellular gene expression, our construction of a PN type resolution MOp-ul wiring diagram will facilitate an integrated analysis of motor control circuitry across the molecular, cellular, and systems levels. This work further provides a roadmap towards a cellular resolution description of mammalian brain architecture.