Neuromodulation is a powerful tool for fundamental studies in neuroscience and potential treatments of neurological disorders. Both photoacoustic (PA) and photothermal (PT) effects have been harnessed for non-genetic high-precision neural stimulation. Using a fiber-based device excitable by a nanosecond pulsed laser and a continuous wave laser for PA and PT stimulation, respectively, we systematically investigated PA and PT neuromodulation at the single neuron level. Our results show that to achieve the same level of cell activation recorded by Ca2+ imaging the laser energy needed for PA neurostimulation is 1/40 of that needed for PT stimulation. The threshold energy for PA stimulation is found to be further reduced in neurons overexpressing mechano-sensitive channels, indicating direct involvement of mechano-sensitive channels in PA stimulation. Electrophysiology study of single neurons upon PA and PT stimulation was performed by patch clamp recordings. Electrophysiological features stimulated by PA are distinct from those induced by PT, confirming that PA and PT stimulations operate through distinct mechanisms. These insights offer a foundation for rational design of more efficient and safer non-genetic neural modulation approaches.

Abstract Photoacoustic (PA) emitters are emerging ultrasound sources offering high spatial resolution and ease of miniaturization. Thus far, PA emitters rely on electronic transitions of absorbers embedded in an expansion matrix such as polydimethylsiloxane (PDMS). Here, it is shown that mid‐infrared vibrational excitation of C─H bonds in a transparent PDMS film can lead to efficient mid‐infrared photoacoustic conversion (MIPA). MIPA shows 37.5 times more efficient than the commonly used PA emitters based on carbon nanotubes embedded in PDMS. Successful neural stimulation through MIPA both in a wide field with a size up to a 100 µm radius and in single‐cell precision is achieved. Owing to the low heat conductivity of PDMS, less than a 0.5 °C temperature increase is found on the surface of a PDMS film during successful neural stimulation, suggesting a non‐thermal mechanism. MIPA emitters allow repetitive wide‐field neural stimulation, opening up opportunities for high‐throughput screening of mechano‐sensitive ion channels and regulators.

Abstract Highly precise neuromodulation with a high efficacy poses great importance in neuroscience. Here, we developed a candle soot fiber optoacoustic emitter (CSFOE), capable of generating a high pressure of over 10 MPa, enabling highly efficient neuromodulation in vitro. The design of the fiber optoacoustic emitter, including the choice of the material and the thickness of the layered structure, was optimized in both simulations and experiments. The optoacoustic conversion efficiency of the optimized CSFOE was found to be ten times higher than the other carbon-based fiber optoacoustic emitters. Driven by a single laser, the CSFOE can perform dual-site optoacoustic activation of neurons, confirmed by calcium (Ca) imaging. Our work opens potential avenues for more complex and programmed control in neural circuits using a simple design for multisite neuromodulation in vivo.