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 Single cell transcriptomics has transformed the characterization of brain cell identity by providing quantitative molecular signatures for large, unbiased samples of brain cell populations. With the proliferation of taxonomies based on individual datasets, a major challenge is to integrate and validate results toward defining biologically meaningful cell types. We used a battery of single-cell transcriptome and epigenome measurements generated by the BRAIN Initiative Cell Census Network (BICCN) to comprehensively assess the molecular signatures of cell types in the mouse primary motor cortex (MOp). We further developed computational and statistical methods to integrate these multimodal data and quantitatively validate the reproducibility of the cell types. The reference atlas, based on more than 600,000 high quality single-cell or -nucleus samples assayed by six molecular modalities, is a comprehensive molecular account of the diverse neuronal and non-neuronal cell types in MOp. Collectively, our study indicates that the mouse primary motor cortex contains over 55 neuronal cell types that are highly replicable across analysis methods, sequencing technologies, and modalities. We find many concordant multimodal markers for each cell type, as well as thousands of genes and gene regulatory elements with discrepant transcriptomic and epigenomic signatures. These data highlight the complex molecular regulation of brain cell types and will directly enable design of reagents to target specific MOp cell types for functional analysis.

ABSTRACT We report the generation of a multimodal cell census and atlas of the mammalian primary motor cortex (MOp or M1) as the initial product of the BRAIN Initiative Cell Census Network (BICCN). This was achieved by coordinated large-scale analyses of single-cell transcriptomes, chromatin accessibility, DNA methylomes, spatially resolved single-cell transcriptomes, morphological and electrophysiological properties, and cellular resolution input-output mapping, integrated through cross-modal computational analysis. Together, our results advance the collective knowledge and understanding of brain cell type organization: First, our study reveals a unified molecular genetic landscape of cortical cell types that congruently integrates their transcriptome, open chromatin and DNA methylation maps. Second, cross-species analysis achieves a unified taxonomy of transcriptomic types and their hierarchical organization that are conserved from mouse to marmoset and human. Third, cross-modal analysis provides compelling evidence for the epigenomic, transcriptomic, and gene regulatory basis of neuronal phenotypes such as their physiological and anatomical properties, demonstrating the biological validity and genomic underpinning of neuron types and subtypes. Fourth, in situ single-cell transcriptomics provides a spatially-resolved cell type atlas of the motor cortex. Fifth, integrated transcriptomic, epigenomic and anatomical analyses reveal the correspondence between neural circuits and transcriptomic cell types. We further present an extensive genetic toolset for targeting and fate mapping glutamatergic projection neuron types toward linking their developmental trajectory to their circuit function. Together, our results establish a unified and mechanistic framework of neuronal cell type organization that integrates multi-layered molecular genetic and spatial information with multi-faceted phenotypic properties.

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 Single cell transcriptomic studies have identified a conserved set of neocortical cell types from small post-mortem cohorts. We extend these efforts by assessing cell type variation across 75 adult individuals undergoing epilepsy and tumor surgeries. Nearly all nuclei map to one of 125 robust cell types identified in middle temporal gyrus, but with varied abundances and gene expression signatures across donors, particularly in deep layer glutamatergic neurons. A minority of variance is explainable by known factors including donor identity and small contributions from age, sex, ancestry, and disease state. Genomic variation was significantly associated with variable expression of 150-250 genes for most cell types. Thus, human individuals display a highly consistent cellular makeup, but with significant variation reflecting donor characteristics, disease condition, and genetic regulation. One-Sentence Summary Inter-individual variation in human cortex is greatest for deep layer excitatory neurons and largely unexplainable by known factors.

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.

The isocortex and hippocampal formation are two major structures in the mammalian brain that play critical roles in perception, cognition, emotion and learning. Both structures contain multiple regions, for many of which the cellular composition is still poorly understood. In this study, we used two complementary single-cell RNA-sequencing approaches, SMART-Seq and 10x, to profile ~1.2 million cells covering all regions in the adult mouse isocortex and hippocampal formation, and derived a cell type taxonomy comprising 379 transcriptomic types. The completeness of coverage enabled us to define gene expression variations across the entire spatial landscape without significant gaps. We found that cell types are organized in a hierarchical manner and exhibit varying degrees of discrete or continuous relatedness with each other. Such molecular relationships correlate strongly with the spatial distribution patterns of the cell types, which can be region-specific, or shared across multiple regions, or part of one or more gradients along with other cell types. Glutamatergic neuron types have much greater diversity than GABAergic neuron types, both molecularly and spatially, and they define regional identities as well as inter-region relationships. For example, we found that glutamatergic cell types between the isocortex and hippocampal formation are highly distinct from each other yet possess shared molecular signatures and corresponding layer specificities, indicating their homologous relationships. Overall, our study establishes a molecular architecture of the mammalian isocortex and hippocampal formation for the first time, and begins to shed light on its underlying relationship with the development, evolution, connectivity and function of these two brain structures.

Abstract Alzheimer’s disease (AD) is the most common cause of dementia in older adults. Neuropathological and imaging studies have demonstrated a progressive and stereotyped accumulation of protein aggregates, but the underlying molecular and cellular mechanisms driving AD progression and vulnerable cell populations affected by disease remain coarsely understood. The current study harnesses single cell and spatial genomics tools and knowledge from the BRAIN Initiative Cell Census Network to understand the impact of disease progression on middle temporal gyrus cell types. We used image-based quantitative neuropathology to place 84 donors spanning the spectrum of AD pathology along a continuous disease pseudoprogression score and multiomic technologies to profile single nuclei from each donor, mapping their transcriptomes, epigenomes, and spatial coordinates to a common cell type reference with unprecedented resolution. Temporal analysis of cell-type proportions indicated an early reduction of Somatostatin-expressing neuronal subtypes and a late decrease of supragranular intratelencephalic-projecting excitatory and Parvalbumin-expressing neurons, with increases in disease-associated microglial and astrocytic states. We found complex gene expression differences, ranging from global to cell type-specific effects. These effects showed different temporal patterns indicating diverse cellular perturbations as a function of disease progression. A subset of donors showed a particularly severe cellular and molecular phenotype, which correlated with steeper cognitive decline. We have created a freely available public resource to explore these data and to accelerate progress in AD research at SEA-AD.org .

The neocortex is disproportionately expanded in human compared to mouse, both in its total volume relative to subcortical structures and in the proportion occupied by supragranular layers that selectively make connections within the cortex and other telencephalic structures. Single-cell transcriptomic analyses of human and mouse cortex show an increased diversity of glutamatergic neuron types in supragranular cortex in human and pronounced gradients as a function of cortical depth. To probe the functional and anatomical correlates of this transcriptomic diversity, we describe a robust Patch-seq platform using neurosurgically-resected human tissues. We characterize the morphological and physiological properties of five transcriptomically defined human glutamatergic supragranular neuron types. Three of these types have properties that are specialized compared to the more homogeneous properties of transcriptomically defined homologous mouse neuron types. The two remaining supragranular neuron types, located exclusively in deep layer 3, do not have clear mouse homologues in supragranular cortex but are transcriptionally most similar to deep layer mouse intratelencephalic-projecting neuron types. Furthermore, we reveal the transcriptomic types in deep layer 3 that express high levels of non-phosphorylated heavy chain neurofilament protein that labels long-range neurons known to be selectively depleted in Alzheimer's disease. Together, these results demonstrate the power of transcriptomic cell type classification, provide a mechanistic underpinning for increased complexity of cortical function in human cortical evolution, and implicate discrete transcriptomic cell types as selectively vulnerable in disease.