Abstract The combination of neuroimaging and targeted neuromodulation is a crucial tool to gain a deeper understanding of neural networks at a circuit level. Infrared neurostimulation (INS) is a promising optical modality that allows to evoke neuronal activity with high spatial resolution without need for the introduction of exogenous substances in the brain. Here, we report the use of whole-brain functional [ 18 F]fluorodeoxyglucose positron emission tomography (FDG-PET) imaging during INS in the dorsal striatum, performed using a multifunctional soft neural probe. We demonstrate the possibility to identify multi-circuit connection patterns in both cortical and subcortical brain regions within a single scan. By using a bolus plus infusion FDG-PET scanning protocol, we were able to observe the metabolic rate evolution in these regions during the experiments and correlate its variation with the onset of the INS stimulus. Due to the focality of INS and the large amount of viable molecular targets for PET, this novel approach to simultaneous imaging and stimulation is highly versatile. This pilot study can pave the way to further understand the brain connectivity on a global scale.

Abstract Significance Extending the photoacoustic microscopy (PAM) into the mid-infrared (MIR) molecular fingerprint region constitutes a promising route towards label-free imaging of biological molecular structures. Realizing this objective requires a high-energy nano-second MIR laser source. However, existing MIR laser technologies are limited to either low pulse energy or free-space structure which is sensitive to environmental conditions. Fiber lasers are promising technologies for PAM for their potential of offering both high pulse energy and robust performance against environmental conditions. However, MIR high energy fiber laser has not yet been used for PAM because it is still at the infant research stage. Aim We aim to employ the emerging gas-filled anti-resonant hollow-core fiber (ARHCF) laser technology for MIR-PAM for the purpose of imaging myelin-rich regions in a mouse brain. Approach This laser source is developed with a ∼2.75 μJ high-pulse-energy nano-second laser at 3.4 μm, targeting the main absorption band of myelin sheaths, the primary chemical component of axons in the central nervous system. The laser mechanism relies on two-orders gas-induced vibrational stimulated Raman scattering (SRS) for nonlinear wavelength conversion, starting from a 1060 nm pump laser to 1409 nm through the 1 st order Stokes generation in the nitrogen-filled 1 st stage ARHCF, then, from 1409 nm to 3.4 μm through the 2 nd stage hydrogen-filled ARHCF. Results The developed Raman laser was used for the first time for transmission-mode MIR-PAM of mouse brain regions containing rich myelin structures. Conclusions This work pioneers the potential use of high-energy and nano-second gas-filled ARHCF laser source to MIR-PAM, with a first attempt to report this kind of fiber laser source for PAM of lipid-rich myelin regions in a mouse brain. The proposed ARHCF laser technology is also expected to generate high-energy pulses at the ultraviolet (UV) region, which can significantly improve the lateral resolution of the PAM.

Abstract Optical neural interfaces combining optogenetics and electrophysiology have been demonstrated as powerful tools for distinguishing the causal roles of neural circuits in the nervous system. Functional optrodes for multipoint stimulation and recording have already been demonstrated in the brain. However, soft and flexible multimodal optrodes for the purpose of probing the spinal cord have remained undeveloped. Here, we present the design and fabrication of a novel optrode for multi-site optical stimulation and electrical recording in the spinal cord by combining optical fiber drawing of polymer material, laser micromachining, and integration of tungsten microelectrodes in a monolithic fiber-based structure. The results from space-resolved scattering measurements, electrochemical impedance spectroscopy, and an acute in vivo electrophysiology experiment in an anesthetized rodent suggest this probe as a potential novel interface, which can serve as a part of therapeutic strategies against neurological conditions and injury in the spinal cord.

ABSTRACT Controlling neuronal activity with high spatial resolution using multifunctional and minimally invasive neural interfaces constitutes an important step towards developments in neuroscience and novel treatments for brain diseases. While infrared neuromodulation is an emerging technology for controlling the neuronal circuitry, it lacks soft implantable monolithic interfaces capable of simultaneously delivering light and recording electrical signals from the brain while being mechanically brain-compatible. Here, we have developed a soft fibre-based device based on high-performance thermoplastics which are >100-fold softer than silica glass. The presented fibre-implant is capable of safely neuromodulating the brain activity in localized cortical domains by delivering infrared laser pulses in the 2 μm spectral region while recording electrophysiological signals. Action and local field potentials were recorded in vivo in adult rats while immunohistochemical analysis of the tissue indicated limited microglia and monocytes response introduced by the fibre and the infrared pulses. We expect our devices to further enhance infrared neuromodulation as a versatile approach for fundamental research and clinically translatable therapeutic interventions.

Optical fiber technology has a critical role in modern neuroscience towards understanding the complex neuronal dynamics within the nervous system. In this study, we manufactured amorphous thermally drawn poly D, L-lactic acid (PDLLA) optical fibers in different diameters. These fibers were then implanted into the lateral posterior (LP) region of the mouse brain for 4 months, allowing us to assess their degradation characteristics. The gradual dissolution of the implanted PDLLA optical fibers in the brain was confirmed by optical microscope and scanning electron microscopy (SEM), molecular weight measurements, and light transmission spectroscopy. The results indicate that the degradation rate was mainly pronounced during the first week. Degradation after 4 months resulted in the formation of micropores on the surface of the implanted fiber within the gray matter region of the brain. Moreover, the current PDLLA optical fiber implant offers efficient light transmission in the short-wavelength near-infrared (SW-NIR) range. SW-NIR enables deeper tissue penetration and reduced light scattering, making it ideal for optogenetics and functional imaging with therapeutic potential in neurological disorders. We believe that the provided PDLLA optical fiber in this study constitutes a promising candidate for the development of next-generation biocompatible, soft, and biodegradable bi-directional neural interfaces