Abstract Spatially remote brain regions show synchronized activity as typically revealed by correlated functional MRI (fMRI) signals. An emerging line of research has focused on the temporal fluctuations of connectivity; however, its relationships with stationary connectivity have not been clearly illustrated. We examined dynamic and stationary connectivity when the participants watched four different movie clips. We calculated point-by-point multiplication between two regional time series to estimate the time-resolved dynamic connectivity, and estimated the inter-individual consistency of the dynamic connectivity time series. Widespread consistent dynamic connectivity was observed for each movie clip, which also showed differences between the clips. For example, a cartoon movie clip, Wall-E, showed more consistent of dynamic connectivity with the posterior cingulate cortex and supramarginal gyrus, while a court drama clip, A Few Good Men, showed more consistent of dynamic connectivity with the auditory cortex and temporoparietal junction, which might suggest the involvement of specific brain processing for different movie contents. In contrast, the stationary connectivity as measured by the correlations between regional time series was highly similar among the movie clips, and showed fewer statistically significant differences. The patterns of consistent dynamic connectivity could be used to classify different movie clips with higher accuracy than the stationary connectivity and regional activity. These results support the functional significance of dynamic connectivity in reflecting functional brain changes, which could provide more functionally relevant information than stationary connectivity.

ABSTRACT C 3 and C 4 grasses directly and indirectly provide the vast majority of calories to the human diet, yet our understanding of the molecular mechanisms driving photosynthetic productivity in grasses is largely unexplored. Here we define a genetic circuit comprised of SHR, IDD and PIN family members that specify vascular identify and ground cell proliferation in leaves of both C 3 and C 4 grasses. Ectopic expression and loss-of-function mutant studies of SHORT ROOT ( SHR ) paralogs in C 3 Oryza sativa (rice) and C 4 Setaria viridis (green millet) revealed a role in both minor vein formation and ground cell differentiation. Genetic and in vitro studies further suggest that SHR regulates this process through its interaction with Indeterminate Domain (IDD) IDD 12 and 13. We further show a direct interaction of these IDD proteins with a putative regulatory element within the auxin transporter PIN5c gene. Collectively, these studies indicated that a SHR-IDD regulatory circuit mediates auxin flow through the negative regulation of PIN protein expression to modulate minor vein patterning in the grasses.

Abstract Determining and decoding emotional brain processes under ecologically valid conditions remains a key challenge in affective neuroscience. The current functional magnetic resonance imaging (fMRI) based emotion decoding studies are mainly based on brief and isolated episodes of emotion induction, while sustained emotional experience in naturalistic environments that mirror daily life experiences are scarce. Here we use 10-minute movie clips as ecologically valid emotion-evoking procedures in n=52 individuals to explore emotion-specific fMRI functional connectivity (FC) profiles on the whole-brain level at high spatial resolution (400 atlas based parcels). Employing machine-learning based decoding and cross validation procedures allowed to develop predictive FC profiles that can accurately distinguish sustained happiness and sadness and that generalize across movies and subjects. Both functional brain network-based and subnetwork-based emotion prediction results suggest that emotion manifests as distributed representation of multiple networks, rather than a single functional network or subnetwork. Further, the results show that the Visual Network (VN) and Default Mode Network (DMN) associated functional networks, especially VN-DMN, exhibit a strong contribution to emotion prediction. To further estimate the cumulative effect of naturalistic long-term movie-based video-evoking emotions, we divide the 10-min episode into three stages: early stimulation (1 ~ 200 s), middle stimulation (201 ~ 400 s), and late stimulation (401 ~ 600 s) and examine the emotion prediction performance at different stimulation stages. We found that the late stimulation has a stronger predictive ability (accuracy=85.32%, F1-score=85.62%) compared to early and middle stimulation stages, implying that continuous exposure to emotional stimulation can lead to more intense emotions and further enhance emotion-specific distinguishable representations. The present work demonstrates that sustained sadness and happiness under naturalistic conditions are presented in emotion-specific network profiles and these expressions may play different roles in the generation and modulation of emotions. These findings elucidate the importance of network level adaptations for sustained emotional experiences during naturalistic contexts and open new venues for imaging network level contributions under naturalistic conditions.

The influences of environmental factors such as weather on human brain are still largely unknown. A few neuroimaging studies have demonstrated seasonal effects, but were limited by their cross-sectional design or sample sizes. Most importantly, the stability of MRI scanner hasn’t been taken into account, which may also be affected by environments. In the current study, we analyzed longitudinal resting-state functional MRI (fMRI) data from eight individuals, where the participants were scanned over months to years. We applied machine learning regression to use different resting-state parameters, including amplitude of low-frequency fluctuations (ALFF), regional homogeneity (ReHo), and functional connectivity matrix, to predict different weather and environmental parameters. For a careful control, the raw EPI and the anatomical images were also used in the prediction analysis. We first found that daylight length and temperatures could be reliability predicted using cross-validation using resting-state parameters. However, similar prediction accuracies could also achieved by using one frame of EPI image, and even higher accuracies could be achieved by using segmented or even the raw anatomical images. Finally, we verified that the signals outside of the brain in the anatomical images and signals in phantom scans could also achieve higher prediction accuracies, suggesting that the predictability may be due to the baseline signals of the MRI scanner. After all, we did not identify detectable influences of weather on brain functions other than the influences on the stability of MRI scanners. The results highlight the difficulty of studying long term effects on brain using MRI.

Abstract This paper introduces a novel experimental paradigm - Auditory High Entropy Response (A-HER), which maximizes the information entropy of auditory stimulus sequences. This allows us to study how the brain processes complex information, rather than isolated individual events. Our analysis of the frequency response of the frontal theta rhythm induced by A-HER indicated a significant increase in signal-to-noise ratio and repeatability compared to zero-entropy Auditory Steady-State Response (A-SSR) and low-entropy mismatch negativity (MMN). We further investigated whether the A-HER response was induced by stimulus sequence differences or uncertainty, and studied its propagation rules. Different principles between evoked and entrained were found in A-HER and A-SSR. In conclusion, the A-HER paradigm, by maximizing stimulus sequence uncertainty, offers a new approach to analyzing how the brain processes uncertain information. It has potential for diagnosing and researching neurological and mental diseases, and for brain-computer interfaces, thus potentially impacting neuroscience, cognitive science, and psychology.

The lysine 27 to methionine mutation of histone H3.3 (H3.3K27M) is detected in over 75% of diffuse intrinsic pontine glioma (DIPG). The H3.3K27M mutant proteins inhibit H3K27 methyltransferase complex PRC2, resulting in a global reduction of tri-methylation of H3K27 (H3K27me3). Paradoxically, high levels of H3K27me3 were also detected at hundreds of genomic loci. However, it is not known how and why H3K27me3 is redistributed in DIPG cells. Here we show that lower levels of H3.3K27M mutant proteins at some genomic loci contribute to the retention of H3K27me3 peaks. But more importantly, Jarid2, a PRC2-associated protein, strongly correlates the presence of H3K27me3 and relieves the H3.3K27M-mediated inhibition in vivo and in vitro. Furthermore, we show that H3K27me3-mediated silencing of tumor suppressor gene Wilms Tumor 1 (WT1) supports the proliferation of DIPG cells and reaction of WT1 inhibits DIPG proliferation. Together, these studies reveal mechanisms whereby H3K27me3 is retained in the environment of global loss of this mark, and how persistence of this mark contributes to DIPG tumorigenesis.

Three DNA polymerases (Pol α, Pol δ and Pol ε) are responsible for eukaryotic genome duplication. When DNA replication stress is encountered, DNA synthesis stalls until the stress is ameliorated. However, it is not known whether there is a difference in the association of each polymerase with active and stalled replication forks. Here, we show that each DNA polymerase has distinct patterns of association with active and stalled replication forks. Pol α is enriched at extending Okazaki fragments of active and stalled forks. In contrast, although Pol δ contacts the nascent lagging strands of active and stalled forks, it binds to only the matured (and not elongating) Okazaki fragments of stalled forks. Pol ε has a greater contact with the nascent ssDNA of leading strand on active forks compared with stalled forks. We propose that the configuration of DNA polymerases at stalled forks facilitate resumption of DNA synthesis after stress removal.

Acupuncture is widely deployed today, but its basic physiology with Qi and meridian is not understood. This letter postulates that Qi is an infrasound wave packet and meridian is the muscle waveguide. Using video cameras and signal processing in an IRB approved clinical experiment we performed a comparison between control and electro-activated statistical tests on the long range (50-80cm) unidirectional transmission of Qi (p = 0.025). In the reverse direction, there is no transmission even in a distance of less than 10 cm (p = 0.545). The rectification is a surprise but in full agreement with Huang Di Nei Jing.

In development, wound healing, and pathology, cell biomechanical properties are increasingly recognized as being of central importance. To measure these properties, experimental probes of various types have been developed, but how each probe reflects the properties of heterogeneous cell regions has remained obscure. To better understand differences attributable to the probe technology, as well as to define the relative sensitivity of each probe to different cellular structures, here we took a comprehensive approach. We studied two cell types, Schlemm's canal (SC) endothelial cells and mouse embryonic fibroblasts (MEFs), using four different probe technologies: 1) atomic force microscopy (AFM) with sharp-tip; 2) AFM with round-tip; 3) optical magnetic twisting cytometry (OMTC); and 4) traction microscopy (TM). Perturbation of SC cells with dexamethasone treatment, a-actinin overexpression, or Rho-A overexpression caused increases in traction reported by TM and stiffness reported by sharp-tip AFM, as compared to corresponding controls. By contrast, under these same experimental conditions, stiffness reported by round-tip AFM and by OMTC indicated little change. Knock out (KO) of vimentin in MEFs caused a diminution of traction reported by TM, as well as stiffness reported by sharp-tip and round-tip AFM. However, stiffness reported by OMTC in vimentin KO MEFs was greater than in wild-type. Finite element analysis demonstrated that this paradoxical OMTC result in vimentin KO MEFs could be attributed to reduced cell thickness. Our results also suggest that vimentin contributes not only to intracellular network stiffness but also cortex stiffness. Taken together, this evidence suggests that AFM sharp-tip and TM emphasize properties of the actin-rich shell of the cell whereas round-tip AFM and OMTC emphasize those of the non-cortical intracellular network.

Abstract The high bacterial community complexity greatly hinders the monitoring of clinically prevalent extended-spectrum beta-lactam resistant bacteria, which are usually present as rare but key populations involving in the environmental dissemination of clinical resistance. Here, we introduce culture-enriched phenotypic metagenomics that integrates culture enrichment, phenotypic screening and metagenomic analyses as an emerging methodology to profile beta-lactam resistome in a municipal wastewater treatment plant (WWTP) and its receiving river. The results showed that clinically prevalent carbapenemase genes (e.g., NDM and KPC family) and extended-spectrum beta-lactamase genes (e.g., CTX-M, TEM and OXA family) considerably existed in the WWTP and showed prominent potential in horizontal dissemination. Strikingly, carbapenem and polymyxin resistance genes co-occurred in highly virulent Enterobacter kobei (MCR-1 and NDM-6) and Citrobacter freundii (ArnA and NDM-16) genomes. Overall, this study exemplifies phenotypic metagenomics for high-throughput surveillance of targeted fraction of clinically-important resistome and substantially expands current knowledge on extended-spectrum beta-lactam resistance in WWTPs.