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.

We describe convergent evidence from transcriptomics, morphology, and physiology for a specialized GABAergic neuron subtype in human cortex. Using unbiased single-nucleus RNA sequencing, we identify ten GABAergic interneuron subtypes with combinatorial gene signatures in human cortical layer 1 and characterize a group of human interneurons with anatomical features never described in rodents, having large ‘rosehip’-like axonal boutons and compact arborization. These rosehip cells show an immunohistochemical profile (GAD1+CCK+, CNR1–SST–CALB2–PVALB–) matching a single transcriptomically defined cell type whose specific molecular marker signature is not seen in mouse cortex. Rosehip cells in layer 1 make homotypic gap junctions, predominantly target apical dendritic shafts of layer 3 pyramidal neurons, and inhibit backpropagating pyramidal action potentials in microdomains of the dendritic tuft. These cells are therefore positioned for potent local control of distal dendritic computation in cortical pyramidal neurons. The authors use single-nucleus RNA-seq to identify 10 GABAergic interneuron subtypes in human cortex layer 1. Molecular, morphological, and physiological evidence points to an emerging human cell type, the rosehip cell, not found in other species.

The mammalian brain consists of millions to billions of cells that are organized into many cell types with specific spatial distribution patterns and structural and functional properties1-3. Here we report a comprehensive and high-resolution transcriptomic and spatial cell-type atlas for the whole adult mouse brain. The cell-type atlas was created by combining a single-cell RNA-sequencing (scRNA-seq) dataset of around 7 million cells profiled (approximately 4.0 million cells passing quality control), and a spatial transcriptomic dataset of approximately 4.3 million cells using multiplexed error-robust fluorescence in situ hybridization (MERFISH). The atlas is hierarchically organized into 4 nested levels of classification: 34 classes, 338 subclasses, 1,201 supertypes and 5,322 clusters. We present an online platform, Allen Brain Cell Atlas, to visualize the mouse whole-brain cell-type atlas along with the single-cell RNA-sequencing and MERFISH datasets. We systematically analysed the neuronal and non-neuronal cell types across the brain and identified a high degree of correspondence between transcriptomic identity and spatial specificity for each cell type. The results reveal unique features of cell-type organization in different brain regions-in particular, a dichotomy between the dorsal and ventral parts of the brain. The dorsal part contains relatively fewer yet highly divergent neuronal types, whereas the ventral part contains more numerous neuronal types that are more closely related to each other. Our study also uncovered extraordinary diversity and heterogeneity in neurotransmitter and neuropeptide expression and co-expression patterns in different cell types. Finally, we found that transcription factors are major determinants of cell-type classification and identified a combinatorial transcription factor code that defines cell types across all parts of the brain. The whole mouse brain transcriptomic and spatial cell-type atlas establishes a benchmark reference atlas and a foundational resource for integrative investigations of cellular and circuit function, development and evolution of the mammalian brain.

Abstract We describe convergent evidence from transcriptomics, morphology and physiology for a specialized GABAergic neuron subtype in human cortex. Using unbiased single nucleus RNA sequencing, we identify ten GABAergic interneuron subtypes with combinatorial gene signatures in human cortical layer 1 and characterize a novel group of human interneurons with anatomical features never described in rodents having large, “rosehip”-like axonal boutons and compact arborization. These rosehip cells show an immunohistochemical profile (GAD1/CCK-positive, CNR1/SST/CALB2/PVALB-negative) matching a single transcriptomically-defined cell type whose molecular signature is not seen in mouse cortex. Rosehip cells make homotypic gap junctions, predominantly target apical dendritic shafts of layer 3 pyramidal neurons and inhibit backpropagating pyramidal action potentials in microdomains of the dendritic tuft. These cells are therefore positioned for potent local control of distal dendritic computation in cortical pyramidal neurons.

Abstract Humans have unique cognitive abilities among primates, including language, but their molecular, cellular, and circuit substrates are poorly understood. We used comparative single nucleus transcriptomics in adult humans, chimpanzees, gorillas, rhesus macaques, and common marmosets from the middle temporal gyrus (MTG) to understand human-specific features of cellular and molecular organization. Human, chimpanzee, and gorilla MTG showed highly similar cell type composition and laminar organization, and a large shift in proportions of deep layer intratelencephalic-projecting neurons compared to macaque and marmoset. Species differences in gene expression generally mirrored evolutionary distance and were seen in all cell types, although chimpanzees were more similar to gorillas than humans, consistent with faster divergence along the human lineage. Microglia, astrocytes, and oligodendrocytes showed accelerated gene expression changes compared to neurons or oligodendrocyte precursor cells, indicating either relaxed evolutionary constraints or positive selection in these cell types. Only a few hundred genes showed human-specific patterning in all or specific cell types, and were significantly enriched near human accelerated regions (HARs) and conserved deletions (hCONDELS) and in cell adhesion and intercellular signaling pathways. These results suggest that relatively few cellular and molecular changes uniquely define adult human cortical structure, particularly by affecting circuit connectivity and glial cell function.

Abstract Variation in cortical cytoarchitecture is the basis for histology-based definition of cortical areas, such as Brodmann areas. Single cell transcriptomics enables higher-resolution characterization of cell types in human cortex, which we used to revisit the idea of the canonical cortical microcircuit and to understand functional areal specialization. Deeply sampled single nucleus RNA-sequencing of eight cortical areas spanning cortical structural variation showed highly consistent cellular makeup for 24 coarse cell subclasses. However, proportions of excitatory neuron subclasses varied strikingly, reflecting differences in intra- and extracortical connectivity across primary sensorimotor and association cortices. Astrocytes and oligodendrocytes also showed differences in laminar organization across areas. Primary visual cortex showed dramatically different organization, including major differences in the ratios of excitatory to inhibitory neurons, expansion of layer 4 excitatory neuron types and specialized inhibitory neurons. Finally, gene expression variation in conserved neuron subclasses predicts differences in synaptic function across areas. Together these results provide a refined cellular and molecular characterization of human cortical cytoarchitecture that reflects functional connectivity and predicts areal specialization.

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 The human cerebral cortex has tremendous cellular diversity and complex cellular organization that are essential for brain function. How different types of cells are organized and interact with each other in the human cortex, and how cellular organizations and interaction patterns vary across species are, however, unclear. Here, we performed spatially resolved single-cell expression profiling of 4,000 genes in human middle and superior temporal gyrus using multiplexed error-robust fluorescence in situ hybridization (MERFISH). We identified >100 neuronal and non-neuronal cell populations with distinct transcriptional signatures, generated a molecularly defined and spatially resolved cell atlas of these brain regions, and analyzed cell-cell interactions in a cell-type-specific manner. Comparison with the mouse cortex showed conservation in the laminar organization of cells and substantial divergence in cell-cell interactions between human and mouse. Notably, our data revealed a drastic increase in interactions between neurons and non-neuronal cells in the human cortex, uncovered human-specific cell-cell interaction patterns, and identified potential ligand-receptor basis of microglia-neuron interactions.

Abstract Fluorescent in situ hybridization (FISH) allows researchers to visualize the spatial position and quantity of nucleic acids in fixed samples. Recently, considerable progress has been made in developing oligonucleotide (oligo)-based FISH methods. These methods have enabled researchers to study the three-dimensional organization of the genome at super-resolution and visualize the spatial patterns of gene expression for thousands of genes in individual cells. While considerable progress has been made in developing new molecular methods that harness complex oligo libraries for FISH, there are few existing computational tools to support the bioinformatics workflows necessary to carry out these experiments. Here, we introduce Paint Server and Homology Optimization Pipeline (PaintSHOP), an interactive platform for the reproducible design of oligo FISH experiments. PaintSHOP enables researchers to identify probes for their experimental targets efficiently, to incorporate additional necessary sequences such as primer pairs, and to easily generate standardized files documenting the design of their libraries. Our platform integrates a machine learning model that quantitatively predicts probe specificity on the genome scale into a dynamic web application that creates ready-to-order probe sets for a wide variety of applications. The goal of this freely available web resource is to democratize and standardize the process of designing complex probe sets for the oligo FISH community. PaintSHOP can be accessed at: paintshop.io