Polymer hydrogels are widely used as cell scaffolds for biomedical applications. While the biochemical and biophysical properties of hydrogels have been extensively investigated, little attention has been paid to their potential photonic functionalities. Here, we report cell-integrated polyethylene glycol-based hydrogels for in-vivo optical sensing and therapy applications. Hydrogel patches containing cells were implanted in awake, freely moving mice for several days and shown to offer long-term transparency, biocompatibility, cell-viability, and light-guiding properties (loss: <1 dB/cm). Using optogenetic, glucagon-like peptide-1 (GLP-1) secreting cells, we conducted light-controlled therapy using the hydrogel in a mouse model with type-2 diabetes and attained improved glucose homeostasis. Furthermore, real-time optical readout of encapsulated heat-shock-protein-coupled fluorescent reporter cells made it possible to measure the nanotoxicity of cadmium-based bare and shelled quantum dots (CdTe; CdSe/ZnS) in vivo.

A biocompatible step-index optical fiber made of poly(ethylene glycol) and alginate hydrogels is demonstrated. The fabricated fiber exhibits excellent light-guiding efficiency in biological tissues. Moreover, the core of hydrogel fibers can be easily doped with functional molecules and nanoparticles for localized light emission, sensing, and therapy.

Abstract Advances in photonics have stimulated significant progress in medicine, with many techniques now in routine clinical use. However, the finite depth of light penetration in tissue is a serious constraint to clinical utility. Here we show implantable light-delivery devices made of bio-derived or biocompatible, and biodegradable polymers. In contrast to conventional optical fibres, which must be removed from the body soon after use, the biodegradable and biocompatible waveguides may be used for long-term light delivery and need not be removed as they are gradually resorbed by the tissue. As proof of concept, we demonstrate this paradigm-shifting approach for photochemical tissue bonding (PTB). Using comb-shaped planar waveguides, we achieve a full thickness (>10 mm) wound closure of porcine skin, which represents ∼10-fold extension of the tissue area achieved with conventional PTB. The results point to a new direction in photomedicine for using light in deep tissues.

ABSTRACT Here we report SUPPORT (Statistically Unbiased Prediction utilizing sPatiOtempoRal information in imaging daTa), a self-supervised learning method for removing Poisson-Gaussian noise in voltage imaging data. SUPPORT is based on the insight that a pixel value in voltage imaging data is highly dependent on its spatially neighboring pixels in the same time frame, even when its temporally adjacent frames do not provide useful information for statistical prediction. Such spatiotemporal dependency is captured and utilized to accurately denoise voltage imaging data in which the existence of the action potential in a time frame cannot be inferred by the information in other frames. Through simulation and experiments, we show that SUPPORT enables precise denoising of voltage imaging data while preserving the underlying dynamics in the scene.

Pleasure and pain are two fundamental, intertwined aspects of human emotions. Pleasurable sensations can reduce subjective feelings of pain and vice versa, and we often perceive the termination of pain as pleasant and the absence of pleasure as unpleasant. This implies the existence of brain systems that integrate them into modality-general representations of affective experiences. Here, we examined representations of affective valence and intensity in an functional MRI (fMRI) study (

ABSTRACT In the mammalian brain, rapid conduction of neural information is supported by the myelin, whose functional efficacy shows steep dependence on its nanoscale cytoarchitecture. Although previous in vitro studies suggested that neural activity accompanies nanometer-scale cellular deformations, it has remained unexplored whether neural activity can dynamically remodel the myelinated axon due to the technical challenge in observing its nanostructural dynamics in living tissues. To this end, we introduced a novel all-optical approach combining a nanoscale dynamic readout based on spectral interferometry and optogenetic control of neural excitation on a living brain slice preparation. In response to optogenetically evoked neuronal burst firing, the myelinated axons exhibited progressive and reversible spectral redshifts, corresponding to the transient swelling at a subnanometer scale. We further revealed that the activity-dependent nanostructural dynamics was localized to the paranode. In summary, our novel all-optical studies substantiate that myelinated axon exhibits activity-dependent nanoscale swelling, which potentially serves to dynamically tune the transmission speed of neural information. RESEARCH SUMMARIES As neural activity involves rapid ion flux across the cell membrane, researchers have long been tried to detect the accompanying nanoscale morphological dynamics. However, measuring the activity-dependent nanostructural dynamics in the living mammalian brain has been an enigma due to the technical limitations. By combining excitatory optogenetics and in situ nanoscale metrology based on spectral interference, we demonstrate the first direct observation that the mammalian axons exhibit transient activity-dependent swelling at subnanometer-scale.

ABSTRACT Pleasure and pain are two opposites that compete and influence each other, implying the existence of brain systems that integrate them to generate modality-general affective experiences. Here, we examined the brain’s general affective codes (i.e., affective valence and intensity) across sustained pleasure and pain through an fMRI experiment ( n = 58). We found that the distinct sub-populations of voxels within the ventromedial and lateral prefrontal cortices, the orbitofrontal cortex, the anterior insula, and the amygdala were involved in decoding affective valence versus intensity, which was replicated in an independent test dataset ( n = 62). The affective valence and intensity models were connected to distinct large-scale brain networks—the intensity model to the ventral attention network and the valence model to the limbic and default mode networks. Overall, this study identified the brain representations of affective valence and intensity across pleasure and pain, promoting the systems-level understanding of human affective experiences.

Functional imaging of biological dynamics generally begins with acquiring time-series images, followed by quantifying spatially averaged intensity traces for the regions of interest (ROIs). The conventional pipeline discards a substantial portion of the acquired data when quantifying intensity traces, indicative of inefficient data acquisition. Here we propose a conceptually novel acquisition pipeline that assigns each ROI to a single pixel in the detector, enabling optimally compressed acquisition of the intensity traces. As a proof-of-principle, we implemented a detection module composed of a pair of spatial light modulators and a microlens array, which segments the original image into multiple subimages by introducing distinct angular shifts to each ROI. Each subimage exclusively encodes the signal for the corresponding ROI, facilitating the compressed readout of its intensity trace using a single pixel. This spatial compression allowed for maximizing the temporal information without compromising the spatial information on ROIs. Harnessing our novel approach, we demonstrate the recording of circuit-scale neuronal voltage dynamics at over 5 kHz sampling rate, revealing the individual action potential waveforms within subcellular structures, as well as their submillisecond-scale temporal delays.

ABSTRACT Taste buds undergo continuous cell turnover throughout life, and taste cell replenishment relies strictly on innervation, a phenomenon first described almost 150 years ago. Recently, we provided evidence that R-spondin 2 (Rspo2) may be the long-sought gustatory neuron-supplied factor that regulates taste stem cell activity, via its interaction with taste stem/progenitor cell-expressed receptor Rnf43/Znrf3. Yet, whether gustatory-neuron-supplied Rspo2 is strictly required for taste tissue maintenance has not been resolved. Here, we set out to determine the necessity of gustatory-neuron-supplied Rspo2 in taste tissue homeostasis using genetic approaches. We used a mouse line that harbors the neomycin-resistance gene ( NeoR ) in one of the intron regions of the Rspo2 gene, which results in reduced expression of Rspo2. The number of taste buds is significantly reduced in these mice, compared to wild-type mice, in both anterior and posterior tongue. This phenotypic change was completely reversed by removing NeoR from the Rspo2 gene, thus making it normal. We also combined adeno-associated virus (AAV)-based delivery of Cre recombinase with a mouse line amenable to Cre-based ablation of the Rspo2 exons encoding the receptor-binding domains. Such deletion of Rspo2 in the nodose-petrosal-jugular ganglion complex led to nearly complete loss of taste buds in the circumvallate papilla. Thus, we demonstrate that Rspo2 is the long-sought gustatory-neuron-supplied factor that acts on taste stem cells to maintain taste tissue homeostasis. Significance We have known for 150 years that innervation is required to induce and maintain cell replacement in taste buds. Until recently, the identity of the inducing factor produced by neurons was unknown. We have shown that R-spondin alone is sufficient to substitute for neuronal input to induce taste bud regeneration. Using a genetic loss-of-function approach, we now demonstrate that gustatory-neuron-expressed Rspo2 is required to maintain taste tissue homeostasis. Altogether, our work reveals that Rspo2 is the long-sought neuron-supplied factor that regulates the activity of taste stem/progenitor cells.