Neuromorphic perception systems inspired by biology have tremendous potential in efficiently processing multi-sensory signals from the physical world, but a highly efficient hardware element capable of sensing and encoding multiple physical signals is still lacking. Here, we report a spike-based neuromorphic perception system consisting of calibratable artificial sensory neurons based on epitaxial VO2, where the high crystalline quality of VO2 leads to significantly improved cycle-to-cycle uniformity. A calibration resistor is introduced to optimize device-to-device consistency, and to adapt the VO2 neuron to different sensors with varied resistance level, a scaling resistor is further incorporated, demonstrating cross-sensory neuromorphic perception component that can encode illuminance, temperature, pressure and curvature signals into spikes. These components are utilized to monitor the curvatures of fingers, thereby achieving hand gesture classification. This study addresses the fundamental cycle-to-cycle and device-to-device variation issues of sensory neurons, therefore promoting the construction of neuromorphic perception systems for e-skin and neurorobotics.

Summary Terminating the SARS-CoV-2 pandemic relies upon pan-global vaccination. Current vaccines elicit neutralizing antibody responses to the virus spike derived from early isolates. However, new strains have emerged with multiple mutations: P.1 from Brazil, B.1.351 from South Africa and B.1.1.7 from the UK (12, 10 and 9 changes in the spike respectively). All have mutations in the ACE2 binding site with P.1 and B.1.351 having a virtually identical triplet: E484K, K417N/T and N501Y, which we show confer similar increased affinity for ACE2. We show that, surprisingly, P.1 is significantly less resistant to naturally acquired or vaccine induced antibody responses than B.1.351 suggesting that changes outside the RBD impact neutralisation. Monoclonal antibody 222 neutralises all three variants despite interacting with two of the ACE2 binding site mutations, we explain this through structural analysis and use the 222 light chain to largely restore neutralization potency to a major class of public antibodies.

Abstract There is an ongoing global effort to design, manufacture, and clinically assess vaccines against SARS-CoV-2. Over the course of the ongoing pandemic a number of new SARS-CoV-2 virus isolates or variants of concern (VoC) have been identified containing mutations in key proteins. In this study we describe the generation and preclinical assessment of a ChAdOx1-vectored vaccine (AZD2816) which expresses the spike protein of the Beta VoC (B.1.351). We demonstrate that AZD2816 is immunogenic after a single dose. When AZD2816 is used as a booster dose in animals primed with a vaccine encoding the original spike protein (ChAdOx1 nCoV-19/ [AZD1222]), high titre binding and neutralising antibodies against Beta (B.1.351), Gamma (P.1) and Delta (B.1.617.2) are induced. In addition, a strong and polyfunctional T cell response was measured in these booster regimens. These data support the ongoing clinical development and testing of this new variant vaccine.

Summary Some COVID-19 patients are unable to clear their infection or are at risk of severe disease, requiring treatment with neutralising monoclonal antibodies (nmAb) and/or antivirals. The rapid roll-out of novel therapeutics means there is limited understanding of the likely genetic barrier to drug resistance. Unprecedented genomic surveillance of SARS-CoV-2 in the UK has enabled a genome-first approach to the detection of emerging drug resistance. Here we report the accrual of mutations in Delta and Omicron cases treated with casirivimab+imdevimab and sotrovimab respectively. Mutations occur within the epitopes of the respective nmAbs. For casirivimab+imdevimab these are present on contiguous raw reads, simultaneously affecting both components. Using surface plasmon resonance and pseudoviral neutralisation assays we demonstrate these mutations reduce or completely abrogate antibody affinity and neutralising activity, suggesting they are driven by immune evasion. In addition, we show that some mutations also reduce the neutralising activity of vaccine-induced serum.

Abstract Animal locomotion requires dynamic interactions between neural circuits, muscles, and surrounding environments. In contrast to intensive studies on neural circuits, the neuromechanical basis for animal behaviour remains unclear due to the lack of information on the physical properties of animals. Here, we proposed an integrated neuromechanical model based on physical measurements by taking Drosophila larvae as a model of soft- bodied animals. The biomechanical parameters of fly larvae were measured by the stress- relaxation test. By optimizing parameters in the neural circuit, our neuromechanical model succeeded in quantitatively reproducing the kinematics of larval locomotion that were obtained experimentally. This model could reproduce the observation of optogenetic studies reported previously. The model predicted that peristaltic locomotion could be exhibited in a low friction condition. Analysis of floating larvae provided results consistent with this prediction. Furthermore, the model predicted a significant contribution of intersegmental connections in the central nervous system, which contrasts with a previous study. This hypothesis allowed us to make a testable prediction for the variability in intersegmental connection in sister species of the genus Drosophila . Our model based on physical measurement provides a new foundation to study locomotion in soft-bodied animals and soft robot engineering.

Abstract Stemona sessilifolia (Miq.) Miq., commonly known as Baibu, is one of the most popular herbal medicines in Asia. In Chinese Pharmacopoeia, Baibu has multiple authentic sources, and there are many homonym herbs sold as Baibu in the herbal medicine market. The existence of the counterfeits of Baibu brings challenges to its identification. To assist the accurate identification of Baibu, we sequenced and analyzed the complete chloroplast genome of Stemona sessilifolia using next-generation sequencing technology. The genome was 154,039 bp in length, possessing a typical quadripartite structure consisting of a pair of inverted repeats (IRs: 27,094 bp) separating by a large single copy (LSC: 81,950 bp) and a small single copy (SSC: 17,901 bp). A total of 112 unique genes were identified, including 80 protein-coding, 28 transfer RNA, and four ribosomal RNA genes. Besides, 45 tandem, 27 forward, 23 palindromic, and 72 simple sequence repeats were detected in the genome by repeat analysis. Compared with its counterfeits (Asparagus officinalis and Carludovica palmate ), we found that IR expansion and SSC contraction events of Stemona sessilifolia resulted in two copies of the rpl22 gene in the IR regions and partial duplication of the ndhF gene in the SSC region. Secondly, an approximately 3-kb-long inversion was identified in the LSC region, leading to the petA and cemA gene presented in the complementary strand of the chloroplast DNA molecule. Comparative analysis revealed some highly variable regions, including trnF-GAA_ndhJ, atpB_rbcL, rps15_ycf1, trnG-UCC_trnR-UCU, ndhF_rpl32. Finally, gene loss events were investigated in the context of phylogenetic relationships. In summary, the complete plastome of Stemona sessilifolia will provide valuable information for the molecular identification of Baibu and assist in elucidating the evolution of Stemona sessilifolia.

Summary Although vaccines have been successfully developed and approved against SARS-CoV-2, it is still valuable to perform studies on conserved antigenic sites for preventing possible pandemic-risk of other SARS-like coronavirus in the future and prevalent SARS-CoV-2 variants. By antibodies obtained from convalescent COVID-19 individuals, receptor binding domain (RBD) were identified as immunodominant neutralizing domain that efficiently elicits neutralizing antibody response with on-going affinity mature. Moreover, we succeeded to define a quantitative antigenic map of neutralizing sites within SARS-CoV-2 RBD, and found that sites S2, S3 and S4 (new-found site) are conserved sites and determined as subimmunodominant sites, putatively due to their less accessibility than SARS-CoV-2 unique sites. P10-6G3, P07-4D10 and P05-6H7, respectively targeting S2, S3 and S4, are relatively rare antibodies that also potently neutralizes SARS-CoV, and the last mAbs performing neutralization without blocking S protein binding to receptor. Further, we have tried to design some RBDs to improve the immunogenicity of conserved sites. Our studies, focusing on conserved antigenic sites of SARS-CoV-2 and SARS-CoV, provide insights for promoting development of universal SARS-like coronavirus vaccines therefore enhancing our pandemic preparedness.

Abstract Northern hardwood forests in formerly glaciated areas had been free of earthworms until exotic European earthworms were introduced by human activities. The invasion of exotic earthworms is known to dramatically alter soil physical, geochemical, and biological properties, but its impacts on soil microbiomes are still unclear. Here we show that the invasive earthworms alter soil microbiomes and ecosystem functioning, especially for nitrogen cycling. We collected soil samples at different depths from three sites across an active earthworm invasion chronosequence in a hardwood forest in Minnesota, USA. We analyzed the structures and the functional potentials of the soil microbiomes by using amplicon sequencing, high-throughput nitrogen cycle gene quantification (NiCE chip), and shotgun metagenomics. Both the levels of earthworm invasion and soil depth influenced the microbiome structures. In the most recently and minimally invaded soils, Nitrososphaera and Nitrospira as well as the genes related to nitrification were more abundant than in the heavily invaded soils. By contrast, genes related to denitrification and nitrogen fixation were more abundant in the heavily invaded than the minimally invaded soils. Our results suggest that the N cycling in forest soils is mostly nitrification driven before earthworm invasion, whereas it becomes denitrification driven after earthworm invasion.

ABSTRACT The ellipsoid body (EB) is a major structure of the central complex of the Drosophila melanogaster brain. 22 subtypes of EB ring neurons have been identified based on anatomical and morphological characteristics with light-level microscopy and EM connectomics. A few studies have associated ring neurons with the regulation of sleep homeostasis and structure. However, cell type-specific and population interactions in the regulation of sleep remain unclear. Employing a unbiased thermogenetic screen of collected EB drivers, we found: 1) multiple ring neurons are involved in the modulation of amount of sleep and structure in a synergistic manner; 2) analysis of data for ΔP(doze)/ ΔP(wake) using a mixed Gaussian model detected 5 clusters of GAL4 drivers which had similar effects on sleep pressure and/or depth: lines driving arousal contained R4m neurons, whereas lines that increased sleep pressure had R3m cells; 3) a general linear model analysis correlating ring cell subtype and activity-dependent changes in sleep parameters across all the lines identified several cell types significantly associated with specific sleep effects: R3p for daytime sleep promotion, and R4m for nighttime wake-promoting; and 4) another subclass, R3d cells present in 5HT7-GAL4+ neurons and in GAL4 lines from our screen which exclusively affect sleep structure, were found to contribute to fragmentation of sleep during both day and night. Thus, multiple subtypes of ring neurons distinctively control sleep amount and/or structure, and the unique highly interconnected structure of the EB and its connections with other regions of brain suggest a local-network model worth future investigation. SIGNIFICANCE STATEMENT How multiple brain regions, with many cell types, can coherently regulate sleep remains unclear, but identification of cell type-specific roles can generate opportunities for understanding the principles of integration and cooperation. The ellipsoid body (EB) of the fly brain exhibits a high level of connectivity and functional heterogeneity yet is able to tune multiple behaviours in real-time, including sleep. Leveraging the powerful genetic tools available in Drosophila and recent progress in the characterization of the morphology and connectivity of EB ring neurons, we identify several EB subtypes specifically associated with distinct aspects of sleep. Our findings will aid in revealing the rules of coding and integration in the brain.

The risk of radiation exposure increases with the development of nuclear energy and technology, and radiation protection receives more and more attention from public health and safety. However, the numerous adverse effects and low drug utilization limit the practical applications of radioprotective agents. In this study, we developed a biogenic crocetin-crosslinked chitosan nanoparticle with high stability and drug loading for efficient radioprotection. In detail, the nanoparticles were prepared using the natural antioxidant crocetin as a cross-linking reagent in amidation reactions of chitosan and mPEG-COOH. The nanoparticles exhibit a quick scavenging ability for common reactive oxygen species and reactive nitrogen in vitro. Meanwhile, cellular experiments demonstrate the good biocompatibility of the nanoparticles and the alleviation of radiation damage by scavenging reactive oxygen species, reducing apoptosis, and inhibiting DNA damage, etc. Importantly, the nanoparticles are effective in mitigating oxidative damage in major organs and maintaining peripheral blood cell content. In addition, they perform better radioprotective properties than free drug due to the significant extension of the blood half-life of crocetin in vivo from 10 min to 5 h. This work proposes a drug-crosslinking strategy for the design of a highly efficient radioprotective agent, which exhibits a promising prospect in the fields of nuclear emergency and public health.