The vertebrate brain emerged more than ∼500 million years ago in common evolutionary ancestors. To systematically trace its cellular and molecular origins, we established a spatially resolved cell type atlas of the entire brain of the sea lamprey – a jawless species whose phylogenetic position affords the reconstruction of ancestral vertebrate traits – based on extensive single-cell RNA-seq and in situ sequencing data. Comparisons of this atlas to neural data from the mouse and other jawed vertebrates unveiled various shared features that enabled the reconstruction of the core cell type composition, tissue structures, and gene expression programs of the ancestral brain. However, our analyses also revealed key tissues and cell types that arose later in evolution. For example, the ancestral vertebrate brain was likely devoid of cerebellar cell types and oligodendrocytes (myelinating cells); our data suggest that the latter emerged from astrocyte-like evolutionary precursors on the jawed vertebrate lineage. Our work illuminates the cellular and molecular architecture of the ancestral vertebrate brain and provides a foundation for exploring its diversification during evolution.

The expansion of the neocortex, one of the hallmarks of mammalian evolution 1,2 , was accompanied by an increase in the number of cerebellar neurons 3 . However, little is known about the evolution of the cellular programs underlying cerebellum development in mammals. In this study, we generated single-nucleus RNA-sequencing data for ∼400,000 cells to trace the development of the cerebellum from early neurogenesis to adulthood in human, mouse, and the marsupial opossum. Our cross-species analyses revealed that the cellular composition and differentiation dynamics throughout cerebellum development are largely conserved, except for human Purkinje cells. Global transcriptome profiles, conserved cell state markers, and gene expression trajectories across neuronal differentiation show that the cerebellar cell type-defining programs have been overall preserved for at least 160 million years. However, we also discovered differences. We identified 3,586 genes that either gained or lost expression in cerebellar cells in one of the species, and 541 genes that evolved new expression trajectories during neuronal differentiation. The potential functional relevance of these cross-species differences is highlighted by the diverged expression patterns of several human disease-associated genes. Altogether, our study reveals shared and lineage-specific programs governing the cellular development of the mammalian cerebellum, and expands our understanding of the evolution of mammalian organ development.

Abstract Resolving the molecular mechanisms driving childhood brain tumors will uncover tumor-specific vulnerabilities and advance mechanism-of-action-based therapies. Here we describe a continuum of cell-states in Group 3/4 medulloblastomas, the most frequent and fatal cerebellar embryonal tumor subgroups, based on the differential activity of transcription-factor-driven gene networks derived using a comprehensive single-nucleus multi-omic medulloblastoma atlas. We show that Group 3/4 tumor diversity stems from enriched cell-states along four molecular identity axes: photoreceptor, MYC, precursor, and unipolar brush cell-like. We identified a potential role of PAX6 in driving dual Group 3- and Group 4-like tumor trajectories in subtype VII tumors. Our study demonstrates how oncogenic events together with lineage determinants drive Group 3/4 tumor identity away from their original source in the cerebellar unipolar brush cell lineage.

The advanced cognitive abilities of birds rival those of mammals and have been attributed to evolutionary innovations in the pallium. However, a comprehensive cellular characterization of this brain region in birds has been lacking. We scrutinized the structures, cell types and evolutionary origins of the avian pallium based on single-cell and spatial transcriptomics atlases for the adult and developing chicken, and comparisons to corresponding data from mammals and non-avian reptiles. We found that the avian pallium shares most inhibitory neuron types with other amniotes. While excitatory neuron repertoires in the (medial) hippocampal formation show high conservation, they substantially diverged in other pallial regions during avian evolution, defining novel structures like the avian-specific (dorsal) hyperpallium, whose neuronal gene expression identities partly converge during late development with those of the (ventral) nidopallium. Our work also unveils the evolutionary relationships of pallial structures across amniotes, like the previously unknown homology between avian (lateral) mesopallial and mammalian deep layer cortical neurons.

The retina, whose basic cellular structure is highly conserved across vertebrates, constitutes an accessible system for studying the central nervous system. In recent years, single-cell RNA-sequencing studies have uncovered cellular diversity in the retina of a variety of species, providing new insights on retinal evolution and development. However, similar data in cartilaginous fishes, the sister group to all other extant jawed vertebrates, are still lacking. Here, we present a single-nucleus RNA-sequencing atlas of the postnatal retina of the catshark Scyliorhinus canicula , consisting of the expression profiles for 17,438 individual cells from three female, juvenile catshark specimens. Unsupervised clustering revealed 22 distinct cell types comprising all major retinal cell classes, as well as retinal progenitor cells (whose presence reflects the persistence of proliferative activity in postnatal stages in sharks) and oligodendrocytes. Thus, our dataset serves as a foundation for further studies on the development and function of the catshark retina. Moreover, integration of our atlas with data from other species will allow for a better understanding of vertebrate retinal evolution.