Abstract DNA transposable elements and transposase-derived genes are present in most living organisms, including vertebrates, but their function is largely unknown. PiggyBac Transposable Element Derived 5 (PGBD5) is an evolutionarily conserved vertebrate DNA transposase-derived gene with retained nuclease activity in human cells. Vertebrate brain development is known to be associated with prominent neuronal cell death and DNA breaks, but their causes and functions are not well understood. Here, we show that PGBD5 contributes to normal brain development in mice and humans, where its deficiency causes disorder of intellectual disability, movement, and seizures. In mice, Pgbd5 is required for the developmental induction of post-mitotic DNA breaks and recurrent somatic genome rearrangements. In the brain cortex, loss of Pgbd5 leads to aberrant differentiation and gene expression of distinct neuronal populations, including specific types of glutamatergic neurons, which explains the features of PGBD5 deficiency in humans. Thus, PGBD5 might be a transposase-derived enzyme required for brain development in mammals. One-Sentence Summary PiggyBac Transposable Element Derived 5 (PGBD5) is required for brain development in humans and mice through genetic and epigenetic mechanisms.

In daily life, in the operating room and in the laboratory, the operational way to assess wakefulness and consciousness is through responsiveness. A number of studies suggest that the awake, conscious state is not the default behavior of an assembly of neurons, but rather a very special state of activity that has to be actively maintained and curated to support its functional properties. Thus responsiveness is a feature that requires active maintenance, such as a homeostatic mechanism to balance excitation and inhibition. In this work we developed a method for monitoring such maintenance processes, focusing on a specific signature of their behavior derived from the theory of dynamical systems: stability analysis of dynamical modes. When such mechanisms are at work, their modes of activity are at marginal stability, neither damped (stable) nor exponentially growing (unstable) but rather hovering in between. We have previously shown that, conversely, under induction of anesthesia those modes become more stable and thus less responsive, then reversed upon emergence to wakefulness. We take advantage of this effect to build a single-trial classifier which detects whether a subject is awake or unconscious achieving high performance. We show that our approach can be developed into a mean for intra-operative monitoring of the depth of anesthesia, an application of fundamental importance to modern clinical practice.

The relationship between sensory stimuli and perceptions is brain-state dependent: in wakefulness stimuli evoke perceptions; under anesthesia perceptions are abolished; during dreaming and in dissociated states, percepts are internally generated. Here, we exploit this state dependence to identify brain activity associated with internally generated or stimulus-evoked perception. In awake mice, visual stimuli phase reset spontaneous cortical waves to elicit 3-6 Hz feedback traveling waves. These stimulus-evoked waves traverse the cortex and entrain visual and parietal neurons. Under anesthesia and during ketamine-induced dissociation, visual stimuli do not disrupt spontaneous waves. Uniquely in the dissociated state, spontaneous waves traverse the cortex caudally and entrain visual and parietal neurons, akin to stimulus-evoked waves in wakefulness. Thus, coordinated neuronal assemblies orchestrated by traveling cortical waves emerge in states in which perception can manifest. The awake state is privileged in that this coordination is elicited by specifically by external visual stimuli.

Abstract Sensory processing is distributed among many brain regions that interact via feedforward and feedback signaling. It has been hypothesized that neuronal oscillations mediating feedforward and feedback interactions organize into travelling waves. However, stimulus evoked travelling waves of sufficient spatial scale have never been demonstrated directly. Here, we show that simple visual stimuli reliably evoke two traveling waves with spatial wavelengths that cover much of the cerebral hemisphere in awake mice. 30-50Hz feedforward waves arise in primary visual cortex (V1) and propagate rostrally, while 3-6Hz feedback waves originate in the association cortex and flow caudally. The phase of the feedback wave modulates the amplitude of the feedforward wave and synchronizes firing between V1 and parietal cortex. Altogether, these results provide direct experimental evidence that visual evoked travelling waves percolate through the cerebral cortex and coordinate neuronal activity across broadly distributed networks mediating visual processing.