ABSTRACT Deep brain stimulation (DBS) via implanted electrodes is used worldwide to treat patients with severe neurological and psychiatric disorders however its invasiveness precludes widespread clinical use and deployment in research. Temporal interference (TI) is a strategy for non-invasive steerable DBS using multiple kHz-range electric fields with a difference frequency within the range of neural activity. Here we report the validation of the non-invasive DBS concept in humans. We used electric field modelling and measurements in a human cadaver to verify that the locus of the transcranial TI stimulation can be steerably focused in the hippocampus with minimal exposure to the overlying cortex. We then used functional magnetic resonance imaging (fMRI) and behaviour experiments to show that TI stimulation can focally modulate hippocampal activity and enhance the accuracy of episodic memories in healthy humans. Our results demonstrate targeted, non-invasive electrical stimulation of deep structures in the human brain.

Abstract Electrical stimulation of peripheral nerves is a cornerstone of bioelectronic medicine. Effective ways to accomplish peripheral nerve stimulation noninvasively without surgically implanted devices is enabling for fundamental research and clinical translation. Here we demonstrate how relatively high frequency sine-wave carriers (3 kHz) emitted by two pairs of cutaneous electrodes can temporally interfere at deep peripheral nerve targets. The effective stimulation frequency is equal to the offset frequency (0.5 – 4 Hz) between the two carriers. We validate this principle of temporal interference nerve stimulation (TINS) in vivo using the murine sciatic nerve model. Effective actuation is delivered at significantly lower current amplitudes than standard transcutaneous electrical stimulation. Further, we demonstrate how flexible and conformable on-skin multielectrode arrays can facilitate precise alignment of TINS onto a nerve. Our method is simple, relying on repurposing of existing clinically-approved hardware. TINS opens the possibility of precise noninvasive stimulation with depth and efficiency previously impossible with transcutaneous techniques.

Abstract Temporal Interference (TI) is an emerging method to non-invasively stimulate deep brain structures. This innovative technique is increasingly recognized for its potential applications in the treatment of various neurological disorders, including epilepsy, depression, and Alzheimer’s disease. However, several drawbacks to the TI method exist that we aim to improve upon. To begin, the applied electric field in the TI target is not much higher than what non-invasive transcranial alternating current stimulation (TACS) provides in the cortex. Additionally, the TI stimulation onset is dependent on the envelope of the amplitude modulated (AM) signal, where for example 1 Hz and 100 Hz envelopes have significantly different rise times to reach maximum envelope amplitude – unlike square biphasic pulses. This limitation in turn prevents classic TI, from applying bursts of pulses. Finally, the electric field intensity of TI cannot be increased or decreased at the target without dramatically altering the spatial profile of the stimulation focus. In the work presented here, we efficiently address all three of these limitations. First, we performed two-photon calcium imaging to show that individual neurons selectively respond to the TI envelope frequency, providing evidence that TI modulates neural activity with temporal specificity. This marks a significant advancement, representing the first empirical demonstration of neuronal activation at the Δf frequency within the context of TI and in an imaging modality. Subsequently, we compared the AM signals of TI with phase-shift keying (PSK) modulated signals to highlight the superior effectiveness of noninvasive pulses in contrast to the traditional TI method, particularly in inducing epileptic activity (after-discharges) in mice. We also added a multipolar configuration to create a significant increase in the electric field at the target without significantly altering the spatial profile and applied Fourier components to replicate classic biphasic bursts of square pulses - all transcranially, without the use of penetrating electrodes. These innovations aim to enhance the precision and efficacy of TI stimulation, to advance its application in neurological research and therapy. Key Points / Highlights Non-invasive temporal interference stimulation modulates the activity of individual neurons at the envelope frequency. A non-invasive multi-pulse TI stimulation paradigm improves both temporal and spatial focality in the deep target neural tissue when compared to traditional continuous wave (amplitude-modulated) TI stimulation. Pulse TI paradigms can stimulate deep neural targets with reduced amplitude of the topical high-frequency stimulation, decreasing off-target stimulation when compared to continuous wave TI patterns. As a consequence, pulse TI stimulation reduces the risk of undesired side effects such as high-frequency conduction block in off-target tissues or cortical areas. Both temporal and spatial focality of the TI stimulation pattern positively correlate with the efficacy of the stimulation to induce seizures in the mouse hippocampus.

Abstract Neurostimulation applied from deep brain stimulation (DBS) electrodes is an effective therapeutic intervention in patients suffering from intractable drug-resistant epilepsy when resective surgery is contraindicated or failed. Inhibitory DBS to suppress seizures and associated epileptogenic biomarkers could be performed with high-frequency stimulation (HFS), typically between 100 –165Hz, to various deep-seated targets such as for instance the Mesio-temporal lobe (MTL) which leads to changes in brain rhythms, specifically in the hippocampus. The most prominent alterations concern high-frequency oscillations (HFOs), namely increase in ripples, a reduction in pathological Fast Ripples (FRs), and a decrease in pathological interictal epileptiform discharges (IEDs). In the current study, we use Temporal Interference stimulation to provide a non-invasive focal DBS (130 Hz) of the MTL, specifically the hippocampus, which increases physiological ripples, and decreases the number of FRs and IEDs in a mouse model of epilepsy. Similarly, we show the inability of 130 Hz transcranial current stimulation (TCS) to achieve similar results. The method could potentially revolutionize how DBS, certainly in epilepsy, is performed, and we therefore further demonstrate the translatability to human subjects via measurements of the TI stimulation vs TCS in human cadavers. Results show the better penetration of TI fields into the human hippocampus as compared with TCS. Finally, we provide evidence of the efficacy of the specific form of Pulse-width Modulated TI (PWM-TI), implemented with square waves, which is used in this study. One Sentence Summary A non-invasive deep brain stimulation applied via temporal interference achieves the suppression of biomarkers of epilepsy in mice and is scaled to humans.

Abstract Objective For decades electrical stimulation has been used in neuroscience to investigate brain networks and been deployed clinically as a mode of therapy. Classically, all methods of electrical stimulation require implanted electrodes to be connected in some manner to an apparatus which provides power for the stimulation itself. Approach We show the use of novel organic electronic devices, specifically organic electrolytic photocapacitors (OEPCs), which can be activated when illuminated with deep-red wavelengths of light and correspondingly do not require connections with external wires or power supplies when implanted at various depths in vivo . Main results We stimulated cortical brain tissue of mice with devices implanted subcutaneously, as well as beneath both the skin and skull to demonstrate a wireless stimulation of the whisker motor cortex. Devices induced both a behavior response (whisker movement) and a sensory response in the corresponding sensory cortex. Additionally, we showed that coating OEPCs with a thin layer of a conducting polymer formulation (PEDOT:PSS) significantly increases their charge storage capacity, and can be used to further optimize the applied photoelectrical stimulation. Significance Overall, this new technology can provide an on-demand electrical stimulation by simply using an OEPC and a deep-red wavelength illumination. Wires and interconnects to provide power to implanted neurostimulation electrodes are often problematic in freely-moving animal research and with implanted electrodes for long-term therapy in patients. Our wireless brain stimulation opens new perspectives for wireless electrical stimulation for applications in fundamental neurostimulation and in chronic therapy.

Abstract In patients with focal drug-resistant epilepsy, electrical stimulation from intracranial electrodes is frequently used for the localization of seizure onset zones and related pathological networks. The ability of electrically stimulated tissue to generate beta and gamma range oscillations, called rapid-discharges, is a frequent indication of an epileptogenic zone. However, a limit of intracranial stimulation is the fixed physical location and number of implanted electrodes, leaving numerous clinically and functionally relevant brain regions unexplored. Here, we demonstrate an alternative technique relying exclusively on nonpenetrating surface electrodes, namely an orientation-tunable form of temporally-interfering (TI) electric fields to target the CA3 of the mouse hippocampus which focally evokes seizure-like events (SLEs) having the characteristic frequencies of rapid-discharges, but without the necessity of the implanted electrodes. The orientation of the topical electrodes with respect to the orientation of the hippocampus is demonstrated to strongly control the threshold for evoking SLEs. Additionally, we demonstrate the use of square waves as an alternative to sine waves for TI stimulation. An orientation-dependent analysis of classic implanted electrodes to evoke SLEs in the hippocampus is subsequently utilized to support the results of the minimally-invasive temporally-interfering fields. The principles of orientation-tunable TI stimulation seen here can be generally applicable in a wide range of other excitable tissues and brain regions, overcoming several limitations of fixed electrodes which penetrate tissue.

Abstract Temporal interference (TI) stimulation is a unique method of non-invasive deep brain stimulation (DBS) using transcutaneous electrodes which allows the targeting and stimulation of deeper brain structures while avoiding unwanted stimulation of shallower cortical structures. The DBS property of TI has been previously demonstrated, however, the problem of decoupling stimulation focality from stimulation intensity has not been addressed. In this paper, we directly solve the problem with a novel multipolar TI (mTI) stimulation method, which allows independent control over both the size of the stimulated region and the stimulation intensity. The mTI method uses multiple carrier frequencies to create multiple overlapping envelopes. The study presents a theoretical explanation of the concept of mTI along with experimental data gathered from Rhesus macaques and mice, permitting comparison of our technique’s focality to that of the classic temporal interference stimulation technique. We show that we are able to improve the focality at depth in the brain of anesthetized mice and monkeys, and - using the new focality in awake monkeys - to evoke targeted activity, at depths never reached using non-invasive transcutaneous electrodes, namely in the superior colliculus. Finally, our results are guided and interpreted using electrodynamic simulations of mTI stimulation in a detailed monkey model.

ABSTRACT Background Peripheral nerve stimulation is used in both clinical and fundamental research for therapy and exploration. At present, non-invasive peripheral nerve stimulation still lacks the penetration depth to reach deep nerve targets and the stimulation focality to offer selectivity. It is therefore rarely employed as the primary selected nerve stimulation method. We have previously demonstrated that a new stimulation technique, temporal interference stimulation, can overcome depth and focality issues. Methods Here, we implement a novel form of temporal interference, bilateral temporal interference stimulation, for bilateral hypoglossal nerve stimulation in rodents and humans. Pairs of electrodes are placed alongside both hypoglossal nerves to stimulate them synchronously and thus decrease the stimulation amplitude required to activate hypoglossal-nerve controlled tongue movement. Results Comparing bilateral temporal interference stimulation with unilateral temporal interference stimulation, we show that it can elicit the same behavioral and electrophysiological responses at a reduced stimulation amplitude. Traditional transcutaneous stimulation evokes no response with equivalent amplitudes of stimulation. Conclusions During first in-man studies, temporal interference stimulation was found to be well-tolerated, and to clinically reduce apnea-hypopnea events in a subgroup of female patients with obstructive sleep apnea. These results suggest a high clinical potential for the use of temporal interference in the treatment of obstructive sleep apnea and other diseases as a safe, effective, and patient-friendly approach. Trial registration The protocol was conducted with the agreement of the International Conference on Harmonisation Good Clinical Practice (ICH GCP), applicable United States Code of Federal Regulations (CFR) and followed the approved BRANY IRB File # 22-02-636-1279.

Studying animal models furthers our understanding of Parkinson's disease (PD) pathophysiology by providing tools to investigate detailed molecular, cellular and circuit functions. Different versions of the neurotoxin-based 6-hydroxydopamine (6-OHDA) model of PD have been widely used in rats. However, these models typically assess the result of extensive and definitive dopaminergic lesions that reflect a late stage of PD, leading to a paucity of studies and a consequential gap of knowledge regarding initial stages, in which early interventions would be possible. Additionally, the better availability of genetic tools increasingly shifts the focus of research from rats to mice, but few mouse PD models are available yet. To address these, we characterize here the behavioral, neuronal and ultrastructural features of a graded-dose unilateral, single-injection, striatal 6-OHDA model in mice, focusing on early-stage changes within the first two weeks of lesion induction. We observed early onset, dose-dependent impairments of overall locomotion without substantial deterioration of motor coordination. In accordance, histological evaluation demonstrated a partial, dose-dependent loss of dopaminergic neurons of substantia nigra pars compacta (SNc). Furthermore, electron microscopic analysis revealed degenerative ultrastructural changes in SNc dopaminergic neurons. Our results show that mild ultrastructural and cellular degradation of dopaminergic neurons of the SNc can lead to certain motor deficits shortly after unilateral striatal lesions, suggesting that a unilateral dose-dependent intrastriatal 6-OHDA lesion protocol can serve as a successful model of the early stages of Parkinson's disease in mice.