Swim into the light A bio-inspired swimming robot that mimics a ray fish can be guided by light. Park et al. built a 1/10th-scale version of a ray fish with a microfabricated gold skeleton and a rubber body powered by rat heart muscle cells. The cardiomyocytes were genetically engineered to respond to light cues, so that the undulatory movements propelling the robot through water would follow a light source. Science , this issue p. 158

Summary The trillions of cells that constitute the human body are developed from a fertilized egg through embryogenesis. However, cellular dynamics and developmental outcomes of embryonic cells in humans remain to be largely unknown due to the technical and ethical challenges. Here, we explored whole-genomes of 334 single-cell expanded clones and targeted deep-sequences of 379 bulk tissues obtained from various anatomical locations from seven individuals. Using the discovered 1,688,652 somatic mutations as an intrinsic barcode, we reconstructed cellular phylogenetic trees that provide novel insights into early human embryogenesis. Our findings suggest (1) endogenous mutational rate that is higher in the first cell division of life but decreases to ~1 per cell per cell division later in life, (2) universal unequal contribution of early cells into embryo proper resulting from early cellular bottlenecks that stochastically separate epiblasts from embryonic cells (3) uneven differential outcomes of early cells into three germ layers, left-right and cranio-caudal tissues, (4) emergence of a few ancestral cells that will contribute to the substantial fraction of adult blood cells, and (5) presence of mitochondrial DNA heteroplasmy in the fertilized egg. Our approach additionally provides insights into the age-related mutational processes including UV-mediated mutagenesis and loss of chromosome X or Y in normal somatic cells. Taken together, this study scrutinized somatic mosaicism, clonal architecture, and cellular dynamics in human embryogenesis at an unprecedented level and provides a foundation for future studies to complete cellular phylogenies in human embryogenesis.

Abstract Background Goal-directed movements involve integrating proprioceptive and visuo-motor information. Although the neural correlates of such information processing are known, the details of how sensory-motor integration occurs are still largely unknown. Objective The study aims to characterize movements with different sensory goals, by contrasting the neural activity involved in processing proprioceptive and visuo-motor information. To accomplish this, we have developed a new methodology that utilizes the irregularity of the instantaneous gamma frequency parameter for characterization. Approach In this study, 8 essential tremor patients undergoing an awake deep brain stimulation (DBS) implantation surgery repetitively touched the clinician’s finger (forward visually-guided/FV movement) and then one’s own chin (backward proprioceptively-guided/BP movement). Neural electrocorticographic (ECoG) recordings from the motor (M1), somatosensory (S1), and posterior parietal cortex (PPC) were obtained and band-pass filtered in the gamma range (30-80Hz). The irregularity of the inter-event intervals (IEI; inverse of instantaneous gamma frequency) were examined as: 1) correlation between the amplitude and its proceeding IEI, and 2) auto-information of the IEI time series. We further explored the network connectivity after segmenting the FV and BP movements by periods of accelerating and decelerating forces, and applying the IEI parameter to transfer entropy methods. Results Conceptualizing that the irregularity in IEI reflects active new information processing, we found the highest irregularity in M1 during BP movement, highest in PPC during FV movement, and the lowest during rest at all sites. Also, connectivity was the strongest from S1 to M1 and from S1 to PPC during FV movement with accelerating force and weakest during rest. Significance We introduce a novel methodology that utilize the instantaneous gamma frequency (i.e., IEI) parameter in characterizing goal-oriented movements with different sensory goals, and demonstrate its use to inform the directional connectivity within the motor cortical network. This method successfully characterizes different movement types, while providing interpretations to the sensory-motor integration processes.

Brain organoids are being recognized as valuable tools for drug evaluation in neurodegenerative diseases due to their similarity to the human brain's structure and function. However, a critical challenge is the lack of selective and sensitive electrochemical sensing platforms to detect the response of brain organoids, particularly changes in the neurotransmitter concentration upon drug treatment. This study introduces a 3D concave electrode patterned with a mesoporous Au nanodot for the detection of electrochemical signals of dopamine in response to drugs in brain organoids for the first time. The mesoporous Au nanodot-patterned film was fabricated using laser interference lithography and electrochemical deposition. Then, the film was attached to a polymer-based 3D concave mold to obtain a 3D concave electrode. Midbrain organoids generated from Parkinson's disease (PD) patient-derived iPSCs with gene mutations (named as PD midbrain organoid) or normal midbrain organoids were positioned on the developed 3D concave electrode. The 3D concave electrode showed a 1.4 times higher electrochemical signal of dopamine compared to the bare gold electrode. And the dopamine secreted from normal midbrain organoids or PD midbrain organoids on the 3D concave electrode could be detected electrochemically. After the treatment of PD midbrain organoids with levodopa, the drug for PD, the increase in dopamine level was detected due to the activation of dopaminergic neurons by the drug. The results suggest the potential of the proposed 3D concave electrode combined with brain organoids as a useful tool for assessing drug efficacy. This sensing system can be applied to a variety of organoids for a comprehensive drug evaluation.