The high-entropy concept provides extended, optimized space of a composition, resulting in unusual transport phenomena and excellent thermoelectric performance. By tuning electron and phonon localization, we enhanced the figure-of-merit value to 2.7 at 750 kelvin in germanium telluride–based high-entropy materials and realized a high experimental conversion efficiency of 13.3% at a temperature difference of 506 kelvin with the fabricated segmented module. By increasing the entropy, the increased crystal symmetry delocalized the distribution of electrons in the distorted rhombohedral structure, resulting in band convergence and improved electrical properties. By contrast, the localized phonons from the entropy-induced disorder dampened the propagation of transverse phonons, which was the origin of the increased anharmonicity and largely depressed lattice thermal conductivity. We provide a paradigm for tuning electron and phonon localization by entropy manipulation, but we have also demonstrated a route for improving the performance of high-entropy thermoelectric materials.

ABSTRACT Mouse lemurs are the smallest, fastest reproducing, and among the most abundant primates, and an emerging model organism for primate biology, behavior, health and conservation. Although much has been learned about their physiology and their Madagascar ecology and phylogeny, little is known about their cellular and molecular biology. Here we used droplet- and plate-based single cell RNA-sequencing to profile 226,000 cells from 27 mouse lemur organs and tissues opportunistically procured from four donors clinically and histologically characterized. Using computational cell clustering, integration, and expert cell annotation, we defined and biologically organized over 750 mouse lemur molecular cell types and their full gene expression profiles. These include cognates of most classical human cell types, including stem and progenitor cells, and the developmental programs for spermatogenesis, hematopoiesis, and other adult tissues. We also described dozens of previously unidentified or sparsely characterized cell types and subtypes. We globally compared cell type expression profiles to define the molecular relationships of cell types across the body, and explored primate cell and gene expression evolution by comparing mouse lemur cell transcriptomes to those of human, mouse, and macaque. This revealed cell type specific patterns of primate specialization, as well as many cell types and genes for which lemur provides a better human model than mouse. The atlas provides a cellular and molecular foundation for studying this primate model organism, and establishes a general approach for other emerging model organisms.

Abstract Proliferating animal cells maintain a stable size distribution over generations despite fluctuations in cell growth and division size. This tight control of cell size involves both cell size checkpoints (e.g., delaying cell cycle progression for small cells) and size-dependent compensation in rates of mass accumulation (e.g., slowdown of cellular growth in large cells). We previously identified that the mammalian cell size checkpoint is mediated by a selective activation of the p38 MAPK pathway in small cells. However, mechanisms underlying the size-dependent compensation of cellular growth remain unknown. In this study, we quantified global rates of protein synthesis and degradation in naturally large and small cells, as well as in conditions that trigger a size-dependent compensation in cellular growth. Rates of protein synthesis increase proportionally with cell size in both perturbed and unperturbed conditions, as well as across cell cycle stages. Additionally, large cells exhibit elevated rates of global protein degradation and increased levels of activated proteasomes. Conditions that trigger a large-size-induced slowdown of cellular growth also promote proteasome-mediated global protein degradation, which initiates only after growth rate compensation occurs. Interestingly, the elevated rates of global protein degradation in large cells were disproportionately higher than the increase in size, suggesting activation of protein degradation pathways. Large cells at the G1/S transition show hyperactivated levels of protein degradation, even higher than similarly sized or larger cells in S or G2, coinciding with the timing of the most stringent size control in animal cells. Together, these findings suggest that large cells maintain cell size homeostasis by activating global protein degradation to induce a compensatory slowdown of growth.

ABSTRACT Mouse lemurs ( Microcebus spp.) are an emerging model organism for primate biology, behavior, health, and conservation. Although little has been known about their cellular and molecular biology, in the accompanying paper we used large-scale single cell RNA-sequencing of 27 organs and tissues to identify over 750 molecular cell types and their full transcriptomic profiles. Here we use this extensive transcriptomic dataset to uncover thousands of previously unidentified genes and hundreds of thousands of new splice junctions in the reference genome that globally define lemur gene structures and cell-type selective expression and splicing and to investigate gene expression evolution. We use the atlas to explore the biology and function of the lemur immune system, including the expression profiles across the organism of all MHC genes and chemokines in health and disease, and the mapping of neutrophil and macrophage development, trafficking, and activation, their local and global responses to infection, and primate-specific aspects of the program. We characterize other examples of primate-specific physiology and disease such as unique features of lemur adipocytes that may underlie their dramatic seasonal rhythms, and spontaneous metastatic endometrial cancer that models the human gynecological malignancy. We identify and describe the organism-wide expression profiles of over 400 primate genes missing in mice, some implicated in human disease. Thus, an organism-wide molecular cell atlas and molecular cell autopsies can enhance gene discovery, structure definition, and annotation in a new model organism, and can identify and elucidate primate-specific genes, physiology, diseases, and evolution.

ABSTRACT The major histocompatibility complex (MHC) class I and II glycoproteins have been associated with numerous disease phenotypes, mechanisms and outcomes. These associations can be due to allotypic polymorphism or to altered levels of allotype expression. Although well studied in a range of cell types and microenvironments, no study has encompassed all cell-types present in an individual mouse lemur. In this study the droplet-based single cell RNA sequence data from the mouse lemur cell atlas, Tabula Microcebus, were used to examine the patterns of MHC class I and II expression. The cell atlas comprises data obtained from 27 organs from four mouse lemurs, enabling comparison of expression pattern between both cell types and the individual lemurs. Patterns of gene expression showed a good concordance among the four mouse lemurs. Three primary patterns of expression were identified and associated with different cell-types. Mapping MHC expression onto existing cell trajectories of cell development and spatial gradients revealed fine scale differences in expression level and pattern in single tissues. The bioinformatic pipeline developed here is applicable to other cell atlas projects.

In high-entropy materials, local chemical fluctuation from multiple elements inhabiting the same crystallographic site plays a crucial role in their unique properties. Using atomic-resolution chemical mapping, we identified the respective contributions of different element characteristics on the local chemical fluctuation of high-entropy structures in thermoelectric materials. Electronegativity and mass had a comparable influence on the fluctuations of constituent elements, while the radius made a slight contribution. The local chemical fluctuation was further tailored by selecting specific elements to induce large lattice distortion and strong strain fluctuation to lower lattice thermal conductivity independent of increased entropy. The chemical bond fluctuation induced by the electronegativity difference had a noticeable contribution to the composition-dependent lattice thermal conductivity in addition to the known fluctuations of mass and strain field. Our findings provide a fundamental principle for tuning local chemical fluctuation and lattice thermal conductivity in high-entropy thermoelectric materials.

SUMMARY While molecules that promote the growth of animal cells have been identified, the following question remains: How are growth promoting pathways regulated to specify a characteristic size for each of the different cell types? In 1975, Hartwell and Nurse suggested that in eukaryotes, cell size is determined by size checkpoints – mechanisms that restrict cell cycle progression from cells that are smaller than their target size . Curiously, such checkpoint mechanisms imply a conceptual distinction between a cell’s actual size and cell’s target size. In the present study, we materialize this conceptual distinction by describing experimental assays that discriminately quantify a cell’s target size value. With these assays, we show that a cell’s size and target size are distinct phenotypes that are subject to different upstream regulators. While mTORC1 promotes growth in cell size, our data suggests that a cell’s target size value is regulated by other pathways including FGFR3, ROCK2, and CDK4. For example, while rapamycin (an mTORC1 inhibitor) decreases cell size, rapamycin does not change the target size that is required for the G1/S transition. The CDK4/Rb pathway has been previously proposed as a putative regulator of target size. Yet, in lacking experimental means that discriminate perturbations of cell growth from perturbations that reprogram target size, such claims on target size were not validated. To investigate the functions of CDK4 in target size determination, we used genetic and chemical means to ‘dial’ higher and lower levels of CDK4 activity. These measurements identified functions of CDK4 on target size that are distinct from other G1 CDKs. Using C. elegans , we further demonstrate that these influences of CDK4 on size determination function in vivo . Finally, we propose a model whereby mTORC1, p38, and CDK4 cooperate in a manner that is analogous to the function of a thermostat. While mTORC1 promotes cellular growth as prompted by p38, CDK4 is analogous to the thermostat dial that sets the critical target size associated with cell size homeostasis.

Emotion recognition plays a vital role in human-computer interaction. However, traditional approaches relying on manual features extraction can get high accuracy results but limited generalization; furthermore results of emotion recognition using a single modality is unreliable. To address these challenges, a multi-modal emotion recognition model called STM-Net, which leverages the spatial and temporal information from electroencephalography (EEG) and eye movement two modalities is proposed based on convolutional neural networks (CNNs) and long short-term memory networks (LSTMs). A CNN-LSTM based model is designed to learn the spatial-temporal features of emotions in EEG signals. For eye-tracking signals, a corresponding CNN-based model is designed for feature extraction. The features from both modalities are fused and fed into a fully connected network for classification, then comprehensive and accurate emotion recognition results are obtained. Experimental results on the SEED-IV multimodal dataset demonstrate the effectiveness of the proposed approach, with accuracy results reaching up to 99.6%, much higher than other similar multimodal emotion recognition models.

Peripheral glia are important regulators of diverse physiologic functions yet their molecular distinctions and locations in almost all visceral organs are not well-understood. We performed a systematic analysis of peripheral glia, focusing on the lung and leveraging single cell RNA sequencing (scRNA-seq) analysis to characterize their cellular and molecular features. Using in vivo lineage studies, we characterized the anatomic, cellular, and molecular features of the Sox10+ glial lineage of the mouse lung. Using high-resolution imaging, we quantified the distribution and cellular morphologies of myelinating, non-myelinating, satellite, and terminal glial cells with their intricate extensions along peripheral nerves, including terminals at specialized neurosensory structures within the lung. Spatial analysis of selectively expressed myelinating (periaxin/Prx, claudin 19/Cldn) or non-myelinating (sodium channel/Scn7a) glial cell genes identified by scRNA-seq analysis revealed molecularly distinct populations surrounding myelinated nerve fibers in the lung. To extend this analysis to primates and other organs, we extracted rare peripheral glial cells in whole organism scRNA-seq atlases of mouse lemur and human. Our cross-species data analysis and integration of scRNA-seq data of ~700 peripheral glial cells from mouse, mouse lemur, and human glial cells identified conserved gene expression of molecularly distinct peripheral glial cell populations. This foundational knowledge facilitates subsequent functional studies targeting molecularly distinct subsets of peripheral glia and integrating them into organ-specific disorders of autonomic dysregulation. In addition, our cross-species analysis identifying conserved gene expression patterns and glial networks in extrapulmonary organs provides a valuable resource for studying the functional role of peripheral glia in multiorgan human diseases.

Animal cells within a tissue typically display a striking regularity in their size. To date, the molecular mechanisms that control this uniformity are still unknown. We have previously shown that size uniformity in animal cells is promoted, in part, by size-dependent regulation of G1 length. To identify the molecular mechanisms underlying this process, we performed a large-scale small molecule screen and found that the p38 MAPK pathway is involved in coordinating cell size and cell cycle progression. Small cells display higher p38 activity and spend more time in G1 than larger cells. Inhibition of p38 MAPK leads to loss of the compensatory G1 length extension in small cells, resulting in faster proliferation, smaller cell size and increased size heterogeneity. We propose a model wherein the p38 pathway responds to changes in cell size and regulates G1 exit accordingly, to increase cell size uniformity.