Although SARS-CoV-2 primarily targets the respiratory system, patients with and survivors of COVID-19 can suffer neurological symptoms1–3. However, an unbiased understanding of the cellular and molecular processes that are affected in the brains of patients with COVID-19 is missing. Here we profile 65,309 single-nucleus transcriptomes from 30 frontal cortex and choroid plexus samples across 14 control individuals (including 1 patient with terminal influenza) and 8 patients with COVID-19. Although our systematic analysis yields no molecular traces of SARS-CoV-2 in the brain, we observe broad cellular perturbations indicating that barrier cells of the choroid plexus sense and relay peripheral inflammation into the brain and show that peripheral T cells infiltrate the parenchyma. We discover microglia and astrocyte subpopulations associated with COVID-19 that share features with pathological cell states that have previously been reported in human neurodegenerative disease4–6. Synaptic signalling of upper-layer excitatory neurons—which are evolutionarily expanded in humans7 and linked to cognitive function8—is preferentially affected in COVID-19. Across cell types, perturbations associated with COVID-19 overlap with those found in chronic brain disorders and reside in genetic variants associated with cognition, schizophrenia and depression. Our findings and public dataset provide a molecular framework to understand current observations of COVID-19-related neurological disease, and any such disease that may emerge at a later date. Single-nucleus transcriptomes of frontal cortex and choroid plexus samples from patients with COVID-19 reveal pathological cell states that are similar to those associated with human neurodegenerative diseases and chronic brain disorders.

Physical exercise is generally beneficial to all aspects of human and animal health, slowing cognitive ageing and neurodegeneration1. The cognitive benefits of physical exercise are tied to an increased plasticity and reduced inflammation within the hippocampus2-4, yet little is known about the factors and mechanisms that mediate these effects. Here we show that 'runner plasma', collected from voluntarily running mice and infused into sedentary mice, reduces baseline neuroinflammatory gene expression and experimentally induced brain inflammation. Plasma proteomic analysis revealed a concerted increase in complement cascade inhibitors including clusterin (CLU). Intravenously injected CLU binds to brain endothelial cells and reduces neuroinflammatory gene expression in a mouse model of acute brain inflammation and a mouse model of Alzheimer's disease. Patients with cognitive impairment who participated in structured exercise for 6 months had higher plasma levels of CLU. These findings demonstrate the existence of anti-inflammatory exercise factors that are transferrable, target the cerebrovasculature and benefit the brain, and are present in humans who engage in exercise.

Recent understanding of how the systemic environment shapes the brain throughout life has led to numerous intervention strategies to slow brain ageing1–3. Cerebrospinal fluid (CSF) makes up the immediate environment of brain cells, providing them with nourishing compounds4,5. We discovered that infusing young CSF directly into aged brains improves memory function. Unbiased transcriptome analysis of the hippocampus identified oligodendrocytes to be most responsive to this rejuvenated CSF environment. We further showed that young CSF boosts oligodendrocyte progenitor cell (OPC) proliferation and differentiation in the aged hippocampus and in primary OPC cultures. Using SLAMseq to metabolically label nascent mRNA, we identified serum response factor (SRF), a transcription factor that drives actin cytoskeleton rearrangement, as a mediator of OPC proliferation following exposure to young CSF. With age, SRF expression decreases in hippocampal OPCs, and the pathway is induced by acute injection with young CSF. We screened for potential SRF activators in CSF and found that fibroblast growth factor 17 (Fgf17) infusion is sufficient to induce OPC proliferation and long-term memory consolidation in aged mice while Fgf17 blockade impairs cognition in young mice. These findings demonstrate the rejuvenating power of young CSF and identify Fgf17 as a key target to restore oligodendrocyte function in the ageing brain. Fgf17 in young CSF boosts oligodendrocyte progenitor cell proliferation and differentiation in the aged hippocampus, improving memory function.

Summary The brain vasculature supplies neurons with glucose and oxygen, but little is known about how vascular plasticity contributes to brain function. Using longitudinal in vivo imaging, we reported that a substantial proportion of blood vessels in the adult brain sporadically occluded and regressed. Their regression proceeded through sequential stages of blood-flow occlusion, endothelial cell collapse, relocation or loss of pericytes, and retraction of glial endfeet. Regressing vessels were found to be widespread in mouse, monkey and human brains. Both brief occlusions of the middle cerebral artery and lipopolysaccharide-mediated inflammation induced an increase of vessel regression. Blockage of leukocyte adhesion to endothelial cells alleviated LPS-induced vessel regression. We further revealed that blood vessel regression caused a reduction of neuronal activity due to a dysfunction in mitochondrial metabolism and glutamate production. Our results elucidate the mechanism of vessel regression and its role in neuronal function in the adult brain.

In response to the problem of easy falling into local optima and low execution efficiency of the basic particle swarm optimization algorithm for 6-degree-of-freedom robots under kinematic constraints, a trajectory planning method based on an improved dynamic multi-population particle swarm optimization algorithm is proposed. According to the average fitness value, the population is divided into three subpopulations. The subpopulation with fitness values higher than the average is classified as the inferior group, while the subpopulation with fitness values lower than the average is classified as the superior group. An equal number of populations are selected from both to form a mixed group. The inferior group is updated using Gaussian mutation and mixed particles, while the superior group is updated using Levy flight and greedy strategies. The mixed group is updated using improved learning factors and inertia weights. Simulation results demonstrate that the improved dynamic multi-population particle swarm optimization algorithm enhances work efficiency and convergence speed, validating the feasibility and effectiveness of the algorithm.

Abstract Taurine is a conditionally essential micronutrient and one of the most abundant amino acids in humans 1–3 . In endogenous taurine metabolism, dedicated enzymes are involved in the biosynthesis of taurine from cysteine and in the downstream metabolism of secondary taurine metabolites 4,5 . One taurine metabolite is N -acetyltaurine 6 . Levels of N -acetyltaurine are dynamically regulated by stimuli that alter taurine or acetate flux, including endurance exercise 7 , dietary taurine supplementation 8 and alcohol consumption 6,9 . So far, the identities of the enzymes involved in N -acetyltaurine metabolism, and the potential functions of N -acetyltaurine itself, have remained unknown. Here we show that the body mass index associated orphan enzyme phosphotriesterase-related (PTER) 10 is a physiological N -acetyltaurine hydrolase. In vitro, PTER catalyses the hydrolysis of N -acetyltaurine to taurine and acetate. In mice, PTER is expressed in the kidney, liver and brainstem. Genetic ablation of Pter in mice results in complete loss of tissue N -acetyltaurine hydrolysis activity and a systemic increase in N -acetyltaurine levels. After stimuli that increase taurine levels, Pter knockout mice exhibit reduced food intake, resistance to diet-induced obesity and improved glucose homeostasis. Administration of N -acetyltaurine to obese wild-type mice also reduces food intake and body weight in a GFRAL-dependent manner. These data place PTER into a central enzymatic node of secondary taurine metabolism and uncover a role for PTER and N -acetyltaurine in body weight control and energy balance.

Summary Taurine is a conditionally essential micronutrient and one of the most abundant amino acids in humans 1–3 . In endogenous taurine metabolism, dedicated enzymes are involved in biosynthesis of taurine from cysteine as well as the downstream derivatization of taurine into secondary taurine metabolites 4,5 . One such taurine metabolite is N-acetyltaurine 6 . Levels of N-acetyltaurine are dynamically regulated by diverse physiologic perturbations that alter taurine and/or acetate flux, including endurance exercise 7 , nutritional taurine supplementation 8 , and alcohol consumption 6,9 . While taurine N-acetyltransferase activity has been previously detected in mammalian cells 6,7 , the molecular identity of this enzyme, and the physiologic relevance of N-acetyltaurine, have remained unknown. Here we show that the orphan body mass index-associated enzyme PTER (phosphotriesterase-related) 10 is the principal mammalian taurine N-acetyltransferase/hydrolase. In vitro, recombinant PTER catalyzes bidirectional taurine N-acetylation with free acetate as well as the reverse N-acetyltaurine hydrolysis reaction. Genetic ablation of PTER in mice results in complete loss of tissue taurine N-acetyltransferase/hydrolysis activities and systemic elevation of N-acetyltaurine levels. Upon stimuli that increase taurine levels, PTER-KO mice exhibit lower body weight, reduced adiposity, and improved glucose homeostasis. These phenotypes are recapitulated by administration of N-acetyltaurine to wild-type mice. Lastly, the anorexigenic and anti-obesity effects of N-acetyltaurine require functional GFRAL receptors. Together, these data uncover enzymatic control of a previously enigmatic pathway of secondary taurine metabolism linked to energy balance.

Summary Aging is the key risk factor for cognitive decline, yet the molecular changes underlying brain aging remain poorly understood. Here, we conducted spatiotemporal RNA-seq of the mouse brain, profiling 1,076 samples from 15 regions across 7 ages and 2 rejuvenation interventions. Our analysis identified a brain-wide gene signature of aging in glial cells, which exhibited spatially defined changes in magnitude. By integrating spatial and single-nucleus transcriptomics, we found that glia aging was particularly accelerated in white matter compared to cortical regions, while specialized neuronal populations showed region-specific expression changes. Rejuvenation interventions, including young plasma injection and dietary restriction, exhibited distinct effects on gene expression in specific brain regions. Furthermore, we discovered differential gene expression patterns associated with three human neurodegenerative diseases, highlighting the importance of regional aging as a potential modulator of disease. Our findings identify molecular foci of brain aging, providing a foundation to target age-related cognitive decline.