ABSTRACT Optogenetics has transformed studies of neural circuit function, but remains challenging to apply in large brains, such as those of non-human primates (NHPs). A major challenge is delivering intense, spatiotemporally precise, patterned photostimulation across large volumes in deep tissue. Such stimulation is critical, for example, to modulate selectively deep-layer corticocortical feedback projections. To address this unmet need, we have developed the Utah Optrode Array (UOA), a 10×10 glass needle waveguide array fabricated atop a novel opaque optical interposer then bonded to an electrically addressable μLED array. In vivo experiments with the UOA demonstrated large-scale, spatiotemporally precise, activation of deep circuits in monkey cortex. Specifically, the UOA permitted both focal (confined to single layers/columns), and widespread (multiple layers/columns) optogenetic activation of deep layer neurons, simply by varying the number of activated μLEDs and/or the irradiance. Thus, the UOA represents a powerful optoelectronic device for targeted manipulation of deep-layer circuits in NHP models.

Optogenetics allows manipulation of neural circuits

Optogenetics allows the manipulation of neural circuits

In vivo electrophysiology is the gold standard technique used to investigate sub-second neural dynamics in freely behaving animals. However, monitoring cell-type-specific population activity is not a trivial task. Over the last decade, fiber photometry based on genetically encoded calcium indicators has been widely adopted as a versatile tool to monitor cell-type-specific population activity in vivo. However, this approach suffers from low temporal resolution. Here, we combine these two approaches to monitor both sub-second field potentials and cell-type-specific population activity in freely behaving mice. By developing an economical custom-made system, and constructing a hybrid implant of an electrode and a fiber optic cannula, we simultaneously monitor artifact-free pontine field potentials and calcium transients in cholinergic neurons across the sleep-wake cycle. We find that pontine cholinergic activity co-occurs with sub-second pontine waves, called P-waves, during rapid eye movement sleep. Given the simplicity of our approach, simultaneous electrophysiological recording and cell-type-specific imaging provides a novel and valuable tool for interrogating state-dependent neural circuit dynamics in vivo.

We present an electrically addressable optrode array capable of delivering light to 181 sites in the brain, each providing sufficient light to optogenetically excite hundreds of neurons in vivo, developed with the aim to allow behavioural studies in large mammals. The device is a glass microneedle array directly integrated with a custom fabricated microLED device, which delivers light to 100 needle tips and 81 interstitial surface sites, giving 2-level optogenetic excitation of neurons in vivo. Light delivery and thermal properties are evaluated, with the device capable of peak irradiances > 80 mW/mm^2 per needle at 50 ms pulse widths with tissue temperature increase less than 1 °C. Future designs are explored through optical and thermal modelling and benchmarked against the current device.