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 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.

Abstract Voltage-gated potassium (K V ) channels can be opened by negatively charged resin acids and their derivatives. These resin acids have been proposed to attract the positively charged voltage-sensor helix (S4) toward the extracellular side of the membrane by binding to a pocket located between the lipid-facing extracellular ends of the transmembrane segments S3 and S4. By contrast to this proposed mechanism, neutralization of the top gating charge of the Shaker K V channel increased resin-acid induced opening, suggesting other mechanisms and sites of action. Here we explored the binding of two resin-acid derivatives, Wu50 and Wu161, to the activated/open state of the Shaker K V channel by a combination of in-silico docking, molecular dynamics simulations, and electrophysiology of mutated channels. We identified three potential resin-acid binding sites around S4: (1) The S3/S4 site previously suggested, in which positively charged residues introduced at the top of S4 are critical to keep the compound bound, (2) a site in the cleft between S4 and the pore domain (S4/pore site), in which a tryptophan at the top of S6 and the top gating charge of S4 keeps the compound bound, and (3) a site located on the extracellular side of the voltage-sensor domain, in a cleft formed by S1-S4 (the top-VSD site). The multiple binding sites around S4 and the anticipated helical-screw motion of the helix during activation make the effect of resin-acid derivatives on channel function intricate. The propensity of a specific resin acid to activate and open a voltage-gated channel likely depends on its exact binding dynamics and the types of interactions it can form with the protein in a state-specific manner. eTOC Summary Silverå Ejneby et al use molecular dynamics simulations and electrophysiology to show that the voltage-gated Shaker potassium channel has multiple binding sites for resin-acid derivatives that can regulate its opening.