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.

Emerging evidence suggests that the temporal dynamics of cortico-cortical evoked potentials (CCEPs) may be used to characterize the patterns of information flow between and within brain networks. At present, however, the spatiotemporal dynamics of CCEP propagation cortically and subcortically are incompletely understood. We hypothesized that CCEPs propagate as an evoked traveling wave emanating from the site of stimulation. To elicit CCEPs, we applied single-pulse stimulation to stereoelectroencephalography (SEEG) electrodes implanted in 21 adult patients with intractable epilepsy. For each robust CCEP, we measured the timing of the maximal descent in evoked local field potentials and broadband high-gamma power (70-150 Hz) envelopes relative to the distance between the recording and stimulation contacts using three different metrics (i.e., Euclidean distance, path length, geodesic distance), representing direct, subcortical, and transcortical propagation, respectively. Many evoked responses to single-pulse electrical stimulation appear to propagate as traveling waves (~17-30%), even in the sparsely sampled, three-dimensional SEEG space. These results provide new insights into the spatiotemporal dynamics of CCEP propagation.

The emerging field of cancer neuroscience reshapes our understanding of the intricate relationship between the nervous system and cancer biology; this new paradigm is likely to fundamentally change and advance neuro-oncological care. The profound interplay between cancers and the nervous system is reciprocal: Cancer growth can be induced and regulated by the nervous system; conversely, tumors can themselves alter the nervous system. Such crosstalk between cancer cells and the nervous system is evident in both the peripheral and central nervous systems. Recent advances have uncovered numerous direct neuron-cancer interactions at glioma-neuronal synapses, paracrine mechanisms within the tumor microenvironment, and indirect neuroimmune interactions. Neurosurgeons have historically played a central role in neuro-oncological care, and as the field of cancer neuroscience is becoming increasingly established, the role of neurosurgical intervention is becoming clearer. Examples include peripheral denervation procedures, delineation of neuron-glioma networks, development of neuroprostheses, neuromodulatory procedures, and advanced local delivery systems. The present review seeks to highlight key cancer neuroscience mechanisms with neurosurgical implications and outline the future role of neurosurgical intervention in cancer neuroscience.

A third of the patients who undergo intracranial EEG (iEEG) for seizure-onset zone (SOZ) localization do not proceed to resective surgery for epilepsy, and over half of those who do continue to have seizures following treatment. To better identify candidates who are more likely to see benefits from undergoing iEEG, we investigated preoperative and iEEG peri-operative features associated with the localization of a putative SOZ, undergoing subsequent surgical treatment, and seizure outcomes.

Interictal epileptiform discharges (IEDs) are intermittent high-amplitude electrical signals that occur between seizures. They have been shown to propagate through the brain as traveling waves when recorded with epicortical grid-type electrodes and small penetrating microelectrode arrays. However, little work has been done to translate experimental IED analyses to more clinically relevant platforms such as stereoelectroencephalography (SEEG). In this pilot study, the authors aimed to define a computational method to identify and characterize IEDs recorded from clinical SEEG electrodes and leverage the directionality of IED traveling waves to localize the seizure onset zone (SOZ).

Pain is a complex experience involving sensory, emotional, and cognitive aspects, and multiple networks manage its processing in the brain. Examining how pain transforms into a behavioral response can shed light on the networks' relationships and facilitate interventions to treat chronic pain. However, studies using high spatial and temporal resolution methods to investigate the neural encoding of pain and its psychophysical correlates have been limited. We recorded from intracranial stereo-EEG (sEEG) electrodes implanted in sixteen different brain regions of twenty patients who underwent psychophysical pain testing consisting of a tonic thermal stimulus to the hand. Broadband high-frequency local field potential amplitude (HFA; 70-150 Hz) was isolated to investigate the relationship between the ongoing neural activity and the resulting psychophysical pain evaluations. Two different generalized linear mixed-effects models (GLME) were employed to assess the neural representations underlying binary and graded pain psychophysics. The first model examined the relationship between HFA and whether the patient responded "yes" or "no" to whether the trial was painful. The second model investigated the relationship between HFA and how painful the stimulus was rated on a visual analog scale. GLMEs revealed that HFA in the inferior temporal gyrus (ITG), superior frontal gyrus (SFG), and superior temporal gyrus (STG) predicted painful responses at stimulus onset. An increase in HFA in the orbitofrontal cortex (OFC), SFG, and striatum predicted pain responses at stimulus offset. Numerous regions including the anterior cingulate cortex, hippocampus, IFG, MTG, OFC, and striatum, predicted the pain rating at stimulus onset. However, only the amygdala and fusiform gyrus predicted increased pain ratings at stimulus offset. We characterized the spatiotemporal representations of binary and graded painful responses during tonic pain stimuli. Our study provides evidence from intracranial recordings that the neural encoding of psychophysical pain changes over time during a tonic thermal stimulus, with different brain regions being predictive of pain at the beginning and end of the stimulus.

Summary Interictal epileptiform discharges (IEDs), also known as interictal spikes, are large intermittent electrophysiological events observed between seizures in patients with epilepsy. Though they occur far more often than seizures, IEDs are less studied, and their relationship to seizures remains unclear. To better understand this relationship, we examined multi-day recordings of microelectrode arrays implanted in human epilepsy patients, allowing us to precisely observe the spatiotemporal propagation of IEDs, spontaneous seizures, and how they relate. These recordings showed that the majority of IEDs are traveling waves, traversing the same path as ictal discharges during seizures, and with a fixed direction relative to seizure propagation. Moreover, the majority of IEDs, like ictal discharges, were bidirectional, with one predominant and a second, less frequent antipodal direction. These results reveal a fundamental spatiotemporal similarity between IEDs and ictal discharges. These results also imply that most IEDs arise in brain tissue outside the site of seizure onset and propagate toward it, indicating that the propagation of IEDs provides useful information for localizing the seizure focus.

Abstract Background Understanding neural selectivity is essential for optimizing medical applications of deep brain stimulation (DBS). We previously showed that modulation of the DBS waveform can induce changes in orientation-based selectivity, and that lengthening of DBS pulses or directional segmentation can reduce preferential selectivity for large axons. In this work, we sought to answer a simple, but important question: how do the size and shape of the contact influence neural selectivity? Methods We created multicompartment neuron models for several axon diameters and used finite element modeling with standard-sized cylindrical leads to determine the effects on changing contact size and shape on axon activation profiles and volumes of tissue activated. Contacts ranged in size from 0.04 to 16 mm 2 , compared with a standard size of 6 mm 2 . Results We found that changes in contact size induce substantial changes in orientation-based selectivity in the context of a cylindrical lead, and rectangular shaping of the contact can alter this selectivity. Smaller contact sizes were more effective in constraining neural activation to small, nearby axons representative of grey matter. However, micro-scale contacts enable only limited spread of neural activation before exceeding standard charge density limitations; further, energetic efficiency is optimized by somewhat larger contacts. Interpretations Small-scale contacts are optimal for constraining stimulation in nearby grey matter and avoiding orientation-selective activation. However, given charge density limitations and energy inefficiency of micro-scale contacts, our results suggest that contacts about half the size of those on segmented clinical leads may optimize efficiency and charge density limitation avoidance.

Abstract Objective Numerous studies have examined epilepsy surgery outcomes, yet the variability in the level of detail reported hampers our ability to apply these findings broadly across patient groups. Established reporting standards in other clinical research fields enhance the quality and generalizability of results, ensuring that the insights gained from studying these surgeries can benefit future patients effectively. This study aims to assess current reporting standards for epilepsy surgery research and identify potential gaps and areas for enhancement. Methods The Enhancing the Quality and Transparency of Health Research (EQUATOR) repository was accessed from inception to April 27, 2023, yielding 561 available reporting standards. Reporting standards were manually reviewed in duplicate independently for applicability to epilepsy and/or neurosurgery research. The reporting standards had to cover the following aspects in human studies: (1) reporting standards for epilepsy/epilepsy surgery and (2) reporting standards for neurosurgery. Disagreements were resolved by a third author. The top five neurosurgery, neurology, and medicine journals were also identified through Google Scholar's citation index and examined to determine the relevant reporting standards they recommended and whether those were registered with EQUATOR. Results Of the 561 EQUATOR reporting standards, 181 were pertinent to epilepsy surgery. One was related to epilepsy, six were specific to surgical research, and nine were related to neurological/neurosurgical research. The remaining 165 reporting standards were applicable to research across various disciplines and included but were not limited to CONSORT (Consolidated Standards of Reporting Trails), STROBE (Strengthening the Reporting of Observational Studies in Epidemiology), and PRISMA (Preferred Reporting Items for Systematic Reviews and Meta‐Analyses). None of these required reporting factors associated with epilepsy surgery outcomes, such as duration of epilepsy or magnetic resonance imaging findings. Significance Reporting standards specific to epilepsy surgery are lacking, reflecting a gap in standards that may affect the quality of publications. Improving this gap with a set of specific reporting standards would ensure that epilepsy surgery studies are more transparent and rigorous in their design.

The centromedian (CM) nucleus of the thalamus is a promising target for a range of brain diseases including drug-resistant generalized and multifocal epilepsy. CM is highly connected to cortical and subcortical regions including frontoparietal/sensorimotor cortex, striatum, brainstem, and cerebellum, which are involved in some generalized epilepsy syndromes like Lennox-Gastaut syndrome (LGS). In this video, the authors describe their methodology for targeting CM for deep brain stimulation (DBS). Delineation of an optimal and consistent target will expand the efficacy of neuromodulation of CM in intractable epilepsy. The video can be found here: https://stream.cadmore.media/r10.3171/2024.4.FOCVID245.