ABSTRACT Wireless communication using electro-magnetic (EM) fields acts as the backbone for information exchange among wearable devices around the human body. However, for Implanted devices, EM fields incur high amount of absorption in the tissue, while alternative modes of transmission including ultrasound, optical and magnetoelectric methods result in large amount of transduction losses due to conversion of one form of energy to another, thereby increasing the overall end-to-end energy loss. To solve the challenge of wireless powering and communication in a brain implant with low end-end channel loss , we present Bi-Phasic Quasistatic Brain Communication (BP-QBC), achieving < 60dB worst-case end-to-end channel loss at a channel length of ~55mm, by using Electro-quasistatic (EQS) Signaling that avoids transduction losses due to no field-modality conversion . BP-QBC utilizes dipole coupling based signal transmission within the brain tissue using differential excitation in the transmitter (TX) and differential signal pick-up at the receiver (RX), while offering ~41X lower power w.r.t. traditional Galvanic Human Body Communication (G-HBC) at a carrier frequency of 1MHz, by blocking any DC current paths through the brain tissue. Since the electrical signal transfer through the human tissue is electro-quasistatic up to several 10’s of MHz range, BP-QBC allows a scalable (bps-10Mbps) duty-cycled uplink (UL) from the implant to an external wearable. The power consumption in the BP-QBC TX is only 0.52 μW at 1Mbps (with 1% duty cycling), which is within the range of harvested power in the downlink (DL) from a wearable hub to an implant through the EQS brain channel, with externally applied electric currents < 1/5th of ICNIRP safety limits. Furthermore, BP-QBC eliminates the need for sub-cranial interrogators/repeaters , as it offers better signal strength due to no field transduction. Such low end-to-end channel loss with high data rates enabled by a completely new modality of brain communication and powering has deep societal and scientific impact in the fields of neurobiological research, brain-machine interfaces, electroceuticals and connected healthcare.

Abstract Scn2a encodes voltage-gated sodium channel Na V 1.2, which mediates neuronal firing. The current paradigm suggests that Na V 1.2 gain-of-function variants enhance neuronal excitability resulting in epilepsy, whereas Na V 1.2 deficiency impairs neuronal excitability contributing to autism. In this paradigm, however, why about a third of patients with Na V 1.2 deficiency still develop seizures remains a mystery. Here we challenge the conventional wisdom, reporting that neuronal excitability is increased with severe Na V 1.2 deficiency. Using a unique gene-trap knockout mouse model of Scn2a , we found enhanced intrinsic excitabilities of principal neurons in the cortico-striatal circuit, known to be involved in Scn2a -related seizures. This increased excitability is autonomous, and is reversible by genetic restoration of Scn2a expression in adult mice. Mechanistic investigation reveals a compensatory downregulation of potassium channels including K V 1.1, which could be targeted to alleviate neuronal hyperexcitability. Our unexpected findings may explain Na V 1.2 deficiency-related epileptic seizures in humans and provide molecular targets for potential interventions. TEASER Severe Na V 1.2 deficiency results in neuronal hyperexcitability via the compensatory downregulation of potassium channels. HIGHLIGHTS Severe Na V 1.2 deficiency results in enhanced excitability of medium spiny neurons (MSNs) and pyramidal neurons in adult mice; Increased neuronal excitability in MSNs is accompanied by elevated voltage threshold; Na V 1.2 deficiency-related hyperexcitability is reversible with the restoration of Scn2a expression, and is autonomous; The expression of the K V 1.1 channel has a compensatory reduction in neurons with Na V 1.2 deficiency, and KV channels openers normalize the neuronal excitability; The enhanced excitability in brain slices translates to elevated in vivo firing commonly associated with seizures.

When modeling electric current flow in neurons and excitable cells, traditional cable theory ignores electrodiffusion (i.e. the interaction between electric fields and ionic diffusion) as it assumes that concentration changes associated with ionic currents are negligible. This assumption, while true for large neuronal compartments, fails when applied to femto-liter size compartments such as dendritic spines - small protrusions that form the main site of synaptic inputs in the brain. Here, we use the Poisson (P) and Nernst-Planck (NP) equations, which relate electric field to charge and couple Fick's law of diffusion to the electric field, to model ion concentration dynamics in dendritic spines. We use experimentally measured voltage transients from spines with nanoelectrodes to explore these dynamics with realistic parameters. We find that (i) passive diffusion and electrodiffusion jointly affect the kinetics of spine excitatory post synaptic potentials (EPSPs); (ii) spine geometry plays a key role in shaping EPSPs; and, (iii) the spine-neck resistance dynamically decreases during EPSPs, leading to short-term synaptic facilitation. Our formulation can be easily adopted to model ionic biophysics in a variety of nanoscale bio compartments.

Linking sensory-evoked traveling waves to underlying circuit patterns is critical to understanding the neural basis of sensory perception. To form this link, we performed simultaneous electrophysiology and two-photon calcium imaging through transparent NeuroGrids and mapped touch-evoked cortical traveling waves and their underlying microcircuit dynamics. In awake mice, both passive and active whisker touch elicited traveling waves within and across barrels, with a fast early component followed by a variable late wave that lasted hundreds of milliseconds post-stimulus. Strikingly, late-wave dynamics were modulated by stimulus value and correlated with task performance. Mechanistically, the late wave component was i) modulated by motor feedback, ii) complemented by a sparse ensemble pattern across layer 2/3, which a balanced-state network model reconciled via inhibitory stabilization, and iii) aligned to regenerative Layer-5 apical dendritic Ca

SUMMARY Basal dendrites of layer 5 cortical pyramidal neurons exhibit Na + and NMDAR spikes, and are uniquely poised to influence somatic output. Nevertheless, due to technical limitations, how multibranch basal dendritic integration shapes action-potential output remains poorly mapped. Here, we combine 3D two-photon holographic transmitter-uncaging, whole-cell dynamic-clamp, and biophysical modeling, to reveal how synchronously activated synapses (distributed and clustered) across multiple basal dendritic branches impacts action-potential generation – under quiescent and in vivo like conditions. While dendritic Na + spikes promote milli-second precision, distributed inputs and NMDAR spikes modulate firing rates via axo-somatic persistent sodium channel amplification. Action-potential precision, noise-enhanced responsiveness, and improved temporal resolution, were observed under high conductance states, revealing multiplexed dendritic control of somatic output amidst noisy membrane-voltage fluctuations and backpropagating spikes. Our results unveil a critical multibranch integration framework in which a delicate interplay between distributed synapses, clustered synapses, and axo-somatic subthreshold conductance’s, dictates somatic spike precision and gain.