Comprehensive knowledge of the brain’s wiring diagram is fundamental for understanding how the nervous system processes information at both local and global scales. However, with the singular exception of the C. elegans microscale connectome, there are no complete connectivity data sets in other species. Here we report a brain-wide, cellular-level, mesoscale connectome for the mouse. The Allen Mouse Brain Connectivity Atlas uses enhanced green fluorescent protein (EGFP)-expressing adeno-associated viral vectors to trace axonal projections from defined regions and cell types, and high-throughput serial two-photon tomography to image the EGFP-labelled axons throughout the brain. This systematic and standardized approach allows spatial registration of individual experiments into a common three dimensional (3D) reference space, resulting in a whole-brain connectivity matrix. A computational model yields insights into connectional strength distribution, symmetry and other network properties. Virtual tractography illustrates 3D topography among interconnected regions. Cortico-thalamic pathway analysis demonstrates segregation and integration of parallel pathways. The Allen Mouse Brain Connectivity Atlas is a freely available, foundational resource for structural and functional investigations into the neural circuits that support behavioural and cognitive processes in health and disease. In mouse, an axonal connectivity map showing the wiring patterns across the entire brain has been created using an EGFP-expressing adeno-associated virus tracing technique, providing the first such whole-brain map for a vertebrate species. With President Barack Obama's BRAIN (Brain Research through Advancing Innovative Neurotechnologies) initiative now entering year two, this issue of Nature presents two landmark papers that mobilize 'big science' resources to the cause. Hongkui Zeng and colleagues present the first brain-wide, mesoscale connectome for a mammalian species — the laboratory mouse — based on cell-type-specific tracing of axonal projections. The wiring diagram of a complete nervous system has long been available for a small roundworm, but neuronal connectivity data for larger animals has been patchy until now. The new three-dimensional Allen Mouse Brain Connectivity Atlas is a whole-brain connectivity matrix that will provide insights into how brain regions communicate. Much of the data generated in this project will be of relevance to investigations of neural networks in humans and should help to further our understanding of human brain connectivity and its involvement in brain disorders. In a separate report Ed Lein and colleagues present a transcriptional atlas of the mid-gestational human brain at high spatial resolution, based on laser microdissection and DNA microarray technology. The structure and function of the human brain is largely determined by prenatal transcriptional processes that initiate gene expression, but our understanding of the developing brain has been limited. The new data set reveals transcriptional signatures for developmental processes associated with the massive expansion of neocortex during human evolution, and suggests new cortical germinal zones or postmitotic neurons as sites of dynamic expression for many genes associated with neurological or psychiatric disorders.

Summary

 Recent large-scale collaborations are generating major surveys of cell types and connections in the mouse brain, collecting large amounts of data across modalities, spatial scales, and brain areas. Successful integration of these data requires a standard 3D reference atlas. Here, we present the Allen Mouse Brain Common Coordinate Framework (CCFv3) as such a resource. We constructed an average template brain at 10 μm voxel resolution by interpolating high resolution in-plane serial two-photon tomography images with 100 μm z-sampling from 1,675 young adult C57BL/6J mice. Then, using multimodal reference data, we parcellated the entire brain directly in 3D, labeling every voxel with a brain structure spanning 43 isocortical areas and their layers, 329 subcortical gray matter structures, 81 fiber tracts, and 8 ventricular structures. CCFv3 can be used to analyze, visualize, and integrate multimodal and multiscale datasets in 3D and is openly accessible (https://atlas.brain-map.org/).

The mammalian cortex is a laminar structure containing many areas and cell types that are densely interconnected in complex ways, and for which generalizable principles of organization remain mostly unknown. Here we describe a major expansion of the Allen Mouse Brain Connectivity Atlas resource

Anatomically correct tumor genomics Glioblastoma is the most lethal form of human brain cancer. The genomic alterations and gene expression profiles characterizing this tumor type have been widely studied. Puchalski et al. created the Ivy Glioblastoma Atlas, a freely available online resource for the research community. The atlas, a collaborative effort between bioinformaticians and pathologists, maps molecular features of glioblastomas, such as transcriptional signatures, to histologically defined anatomical regions of the tumors. The relationships identified in this atlas, in conjunction with associated databases of clinical and genomic information, could provide new insights into the pathogenesis, diagnosis, and treatment of glioblastoma. Science , this issue p. 660

The anatomy of the mammalian visual system, from the retina to the neocortex, is organized hierarchically1. However, direct observation of cellular-level functional interactions across this hierarchy is lacking due to the challenge of simultaneously recording activity across numerous regions. Here we describe a large, open dataset—part of the Allen Brain Observatory2—that surveys spiking from tens of thousands of units in six cortical and two thalamic regions in the brains of mice responding to a battery of visual stimuli. Using cross-correlation analysis, we reveal that the organization of inter-area functional connectivity during visual stimulation mirrors the anatomical hierarchy from the Allen Mouse Brain Connectivity Atlas3. We find that four classical hierarchical measures—response latency, receptive-field size, phase-locking to drifting gratings and response decay timescale—are all correlated with the hierarchy. Moreover, recordings obtained during a visual task reveal that the correlation between neural activity and behavioural choice also increases along the hierarchy. Our study provides a foundation for understanding coding and signal propagation across hierarchically organized cortical and thalamic visual areas. A large, open dataset containing parallel recordings from six visual cortical and two thalamic areas of the mouse brain is presented, from which the relative timing of activity in response to visual stimuli and behaviour is used to construct a hierarchy scheme that corresponds to anatomical connectivity data.

Understanding the diversity of cell types in the brain has been an enduring challenge and requires detailed characterization of individual neurons in multiple dimensions. To systematically profile morpho-electric properties of mammalian neurons, we established a single-cell characterization pipeline using standardized patch-clamp recordings in brain slices and biocytin-based neuronal reconstructions. We built a publicly accessible online database, the Allen Cell Types Database, to display these datasets. Intrinsic physiological properties were measured from 1,938 neurons from the adult laboratory mouse visual cortex, morphological properties were measured from 461 reconstructed neurons, and 452 neurons had both measurements available. Quantitative features were used to classify neurons into distinct types using unsupervised methods. We established a taxonomy of morphologically and electrophysiologically defined cell types for this region of the cortex, with 17 electrophysiological types, 38 morphological types and 46 morpho-electric types. There was good correspondence with previously defined transcriptomic cell types and subclasses using the same transgenic mouse lines. Gouwens et al. established a morpho-electrical taxonomy of cell types for the mouse visual cortex via unsupervised clustering analysis of multiple quantitative features from 1,938 neurons available online at the Allen Cell Types Database.

Neurons are frequently classified into distinct types on the basis of structural, physiological, or genetic attributes. To better constrain the definition of neuronal cell types, we characterized the transcriptomes and intrinsic physiological properties of over 4,200 mouse visual cortical GABAergic interneurons and reconstructed the local morphologies of 517 of those neurons. We find that most transcriptomic types (t-types) occupy specific laminar positions within visual cortex, and, for most types, the cells mapping to a t-type exhibit consistent electrophysiological and morphological properties. These properties display both discrete and continuous variation among t-types. Through multimodal integrated analysis, we define 28 met-types that have congruent morphological, electrophysiological, and transcriptomic properties and robust mutual predictability. We identify layer-specific axon innervation pattern as a defining feature distinguishing different met-types. These met-types represent a unified definition of cortical GABAergic interneuron types, providing a systematic framework to capture existing knowledge and bridge future analyses across different modalities.

The transcriptional underpinnings of brain development remain poorly understood, particularly in humans and closely related non-human primates. We describe a high-resolution transcriptional atlas of rhesus monkey (Macaca mulatta) brain development that combines dense temporal sampling of prenatal and postnatal periods with fine anatomical division of cortical and subcortical regions associated with human neuropsychiatric disease. Gene expression changes more rapidly before birth, both in progenitor cells and maturing neurons. Cortical layers and areas acquire adult-like molecular profiles surprisingly late in postnatal development. Disparate cell populations exhibit distinct developmental timing of gene expression, but also unexpected synchrony of processes underlying neural circuit construction including cell projection and adhesion. Candidate risk genes for neurodevelopmental disorders including primary microcephaly, autism spectrum disorder, intellectual disability, and schizophrenia show disease-specific spatiotemporal enrichment within developing neocortex. Human developmental expression trajectories are more similar to monkey than rodent, although approximately 9% of genes show human-specific regulation with evidence for prolonged maturation or neoteny compared to monkey. A high-resolution gene expression atlas of prenatal and postnatal brain development of rhesus monkey charts global transcriptional dynamics in relation to brain maturation, while comparative analysis reveals human-specific gene trajectories; candidate risk genes associated with human neurodevelopmental disorders tend to be co-expressed in disease-specific patterns in the developing monkey neocortex. Following the publication of the mouse and human brain gene expression atlases in recent years, Ed Lein and colleagues now present a high-resolution transcriptional atlas of pre- and post-natal brain development for the rhesus monkey — the dominant non-human primate model for human brain development and disease. The data charts global transcriptional dynamics in relation to brain maturation, while comparative analysis reveals human-specific gene trajectories; candidate risk genes associated with human neurodevelopmental disorders tend to be co-expressed in disease-specific patterns in the developing monkey neocortex.

Abstract The mammalian cortex is a laminar structure composed of many cell types densely interconnected in complex ways. Recent systematic efforts to map the mouse mesoscale connectome provide comprehensive projection data on interareal connections, but not at the level of specific cell classes or layers within cortical areas. We present here a significant expansion of the Allen Mouse Brain Connectivity Atlas, with ∼1,000 new axonal projection mapping experiments across nearly all isocortical areas in 49 Cre driver lines. Using 13 lines selective for cortical layer-specific projection neuron classes, we identify the differential contribution of each layer/class to the overall intracortical connectivity patterns. We find layer 5 (L5) projection neurons account for essentially all intracortical outputs. L2/3, L4, and L6 neurons contact a subset of the L5 cortical targets. We also describe the most common axon lamination patterns in cortical targets. Most patterns are consistent with previous anatomical rules used to determine hierarchical position between cortical areas (feedforward, feedback), with notable exceptions. While diverse target lamination patterns arise from every source layer/class, L2/3 and L4 neurons are primarily associated with feedforward type projection patterns and L6 with feedback. L5 has both feedforward and feedback projection patterns. Finally, network analyses revealed a modular organization of the intracortical connectome. By labeling interareal and intermodule connections as feedforward or feedback, we present an integrated view of the intracortical connectome as a hierarchical network.

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.