We present a fast model-based inversion algorithm for quantitative 2-D and 3-D optoacoustic tomography. The algorithm is based on an accurate and efficient forward model, which eliminates the need for regularization in the inversion process while providing modeling flexibility essential for quantitative image formation. The resulting image-reconstruction method eliminates stability problems encountered in previously published model-based techniques and, thus, enables performing image reconstruction in real time. Our model-based framework offers a generalization of the forward solution to more comprehensive optoacoustic propagation models, such as including detector frequency response, without changing the inversion procedure. The reconstruction speed and other algorithmic performances are demonstrated using numerical simulation studies and experimentally on tissue-mimicking optically heterogeneous phantoms and small animals. In the experimental examples, the model-based reconstructions manifested correctly the effect of light attenuation through the objects and did not suffer from the artifacts which usually afflict the commonly used filtered backprojection algorithms, such as negative absorption values.

A highly sensitive compact hydrophone, based on a pi-phase-shifted fiber Bragg grating, has been developed for the measurement of wideband ultrasonic fields. The grating exhibits a sharp resonance, whose centroid wavelength is pressure sensitive. The resonance is monitored by a continuous-wave (CW) laser to measure ultrasound-induced pressure variations within the grating. In contrast to standard fiber sensors, the high finesse of the resonance—which is the reason for the sensor's high sensitivity—is not associated with a long propagation length. Light localization around the phase shift reduces the effective size of the sensor below that of the grating and is scaled inversely with the resonance spectral width. In our system, an effective sensor length of 270 μm, pressure sensitivity of 440 Pa, and effective bandwidth of 10 MHz were achieved. This performance makes our design attractive for medical imaging applications, such as optoacoustic tomography, in which compact, sensitive, and wideband acoustic detectors are required.

Deposits of amyloid-β (Aβ) in the brains of rodents can be analysed by invasive intravital microscopy on a submillimetre scale, or via whole-brain images from modalities lacking the resolution or molecular specificity to accurately characterize Aβ pathologies. Here we show that large-field multifocal illumination fluorescence microscopy and panoramic volumetric multispectral optoacoustic tomography can be combined to longitudinally assess Aβ deposits in transgenic mouse models of Alzheimer's disease. We used fluorescent Aβ-targeted probes (the luminescent conjugated oligothiophene HS-169 and the oxazine-derivative AOI987) to transcranially detect Aβ deposits in the cortex of APP/PS1 and arcAβ mice with single-plaque resolution (8 μm) and across the whole brain (including the hippocampus and the thalamus, which are inaccessible by conventional intravital microscopy) at sub-150 μm resolutions. Two-photon microscopy, light-sheet microscopy and immunohistochemistry of brain-tissue sections confirmed the specificity and regional distributions of the deposits. High-resolution multiscale optical and optoacoustic imaging of Aβ deposits across the entire brain in rodents thus facilitates the in vivo study of Aβ accumulation by brain region and by animal age and strain.

Abstract Deposition of beta-amyloid (Aβ) deposits is one major histopathological hallmark of Alzheimer’s disease (AD). Here, we introduce volumetric multi-spectral optoacoustic tomography (vMSOT), which covers 10×10×10 mm 3 field-of-view, capable of 3D whole mouse brain imaging. We show for the first time the optoacoustic properties of oxazine-derivative AOI987 probe, which binds to Aβ, and the application of vMSOT for the quantification of brain-wide Aβ deposition. Administration of AOI987 to two common transgenic mouse strains of AD amyloidosis led to a retention of the probe in Aβ-laden brain regions. Co-registered of vMSOT data to a brain atlas revealed strain-specific pattern of AOI987 uptake. A comparison with ex vivo light-sheet microscopy in cleared mouse brains showed a good correspondence in Aβ distribution. Lastly, we demonstrate the specificity of the AOI987 probe by immunohistochemistry. vMSOT with AOI987 facilitates preclinical brain region-specific studies of Aβ spread and accumulation, and the monitoring of putative treatments targeting Aβ.

Abstract Noradrenaline (NA) release from the brainstem nucleus locus coeruleus (LC) changes activity and connectivity in neuronal networks across the brain, thus modulating multiple behavioural states. NA release is mediated by both tonic and burst-like neuronal LC activity. However, it remains unknown whether the functional changes in downstream projection areas depend on these firing patterns. Using optogenetics, pupillometry, photometry, and functional MRI in mice, we show that tonic and burst LC firing patterns elicit brain responses that are specific to the activation frequency and temporal pattern. Tonic activation of the LC evokes nonlinear responses in prefrontal, limbic, and cerebellar regions, in line with the proposed inverted-U relationship between LC activity and behaviour. We further demonstrate that LC activity enhances network integration and acts as a facilitator of brain state transitions, hence increasing brain flexibility. Together, these findings reveal how the LC-NA system achieves a nuanced regulation of global circuit operations.