We report a noninvasive strategy for electrically stimulating neurons at depth. By delivering to the brain multiple electric fields at frequencies too high to recruit neural firing, but which differ by a frequency within the dynamic range of neural firing, we can electrically stimulate neurons throughout a region where interference between the multiple fields results in a prominent electric field envelope modulated at the difference frequency. We validated this temporal interference (TI) concept via modeling and physics experiments, and verified that neurons in the living mouse brain could follow the electric field envelope. We demonstrate the utility of TI stimulation by stimulating neurons in the hippocampus of living mice without recruiting neurons of the overlying cortex. Finally, we show that by altering the currents delivered to a set of immobile electrodes, we can steerably evoke different motor patterns in living mice.

Epidural electrical stimulation (EES) targeting the dorsal roots of lumbosacral segments restores walking in people with spinal cord injury (SCI). However, EES is delivered with multielectrode paddle leads that were originally designed to target the dorsal column of the spinal cord. Here, we hypothesized that an arrangement of electrodes targeting the ensemble of dorsal roots involved in leg and trunk movements would result in superior efficacy, restoring more diverse motor activities after the most severe SCI. To test this hypothesis, we established a computational framework that informed the optimal arrangement of electrodes on a new paddle lead and guided its neurosurgical positioning. We also developed software supporting the rapid configuration of activity-specific stimulation programs that reproduced the natural activation of motor neurons underlying each activity. We tested these neurotechnologies in three individuals with complete sensorimotor paralysis as part of an ongoing clinical trial ( www.clinicaltrials.gov identifier NCT02936453). Within a single day, activity-specific stimulation programs enabled these three individuals to stand, walk, cycle, swim and control trunk movements. Neurorehabilitation mediated sufficient improvement to restore these activities in community settings, opening a realistic path to support everyday mobility with EES in people with SCI.

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 Temporal interference stimulation (TIS) is a new form of transcranial electrical stimulation (tES) that has been proposed as a method for targeted, non-invasive stimulation of deep brain structures. While TIS holds promise for a variety of clinical and non-clinical applications, little data is yet available regarding its effects in humans. To inform the design and approval of experiments involving TIS, researchers require quantitative guidance regarding exposure limits and other safety concerns. To this end, we sought to delineate a safe range of exposure parameters (voltages and currents applied via external scalp electrodes) for TIS in humans through comparisons with well-established but related brain stimulation modalities. Specifically, we surveyed the literature for adverse events (AEs) associated with transcranial alternating/direct current stimulation (tACS/tDCS), deep brain stimulation (DBS), and TIS to establish known boundaries for safe operating conditions. Drawing on the biophysical mechanisms associated with the identified AEs, we determined appropriate exposure metrics for each stimulation modality. Using these metrics, we conducted an in silico comparison of various exposure scenarios for tACS, DBS, and TIS using multiphysics simulations in an anatomically detailed head model with realistic current strengths. By matching stimulation scenarios in terms of biophysical impact, we inferred the frequency-dependent TIS stimulation parameters that resulted in exposure magnitudes known to be safe for tACS and DBS. Based on the results of our simulations and existing knowledge regarding tES and DBS safety, we propose frequency-dependent thresholds below which TIS voltages and currents are unlikely to pose a risk to humans. Safety-related data from ongoing and future human studies are required to verify and refine the thresholds proposed here.

Abstract The stimulation of deep brain structures has thus far been possible only with invasive methods. Transcranial electrical temporal interference stimulation (tTIS) is a novel, noninvasive technology that might overcome this limitation. The initial proof-of-concept was obtained through modeling, physics experiments and rodent models. Here, we show for the first time successful noninvasive neuromodulation of the striatum via tTIS in humans using computational modeling, fMRI studies and behavioral evaluations. Theta-burst patterned, LTP-like striatal tTIS increased activity in the striatum and associated motor network. Furthermore, striatal tTIS enhanced motor learning capacity, especially in healthy older participants, who have lower natural learning capacity than younger subjects. These findings suggest exciting methods for noninvasively targeting deep brain structures in humans, thus enhancing our understanding of their functional roles. Moreover, our results lay the groundwork for innovative, noninvasive treatment strategies for brain disorders, in which deep brain structures play key pathophysiological roles.

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 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 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 As the size and complexity of network simulations accessible to computational neuroscience grows, new avenues open for research into extracellularly recorded electric signals. Biophysically detailed simulations permit the identification of the biological origins of the different components of recorded signals, the evaluation of signal sensitivity to different anatomical, physiological, and geometric factors, and selection of recording parameters to maximize the signal information content. Simultaneously, virtual extracellular signals produced by these networks may become important metrics for neuro-simulation validation. To enable efficient calculation of extracellular signals from large neural network simulations, we have developed BlueRecording , a pipeline consisting of standalone Python code, along with extensions to the Neurodamus simulation control application, the CoreNEURON computation engine, and the SONATA data format, to permit online calculation of such signals. In particular, we implement a general form of the reciprocity theorem, which is capable of handling non-dipolar current sources, such as may be found in long axons and recordings close to the current source, as well as complex tissue anatomy, dielectric heterogeneity, and electrode geometries. To our knowledge, this is the first application of this generalized (i.e., non-dipolar) reciprocity-based approach to simulate EEG recordings. We use these tools to calculate extracellular signals from an in silico model of the rat somatosensory cortex and to study signal contribution differences between regions and cell types.

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.