Abstract Implanted bioelectronic devices have the potential to treat disorders that are resistant to traditional pharmacological therapies; however, reaching many therapeutic nerve targets requires invasive surgeries and implantation of centimeter-sized devices. Here we show that it is possible to stimulate peripheral nerves from within blood vessels using a millimeter-sized wireless implant. By directing the stimulating leads through the blood vessels we can target specific nerves that are difficult to reach with traditional surgeries. Furthermore, we demonstrate this endovascular nerve stimulation (EVNS) with a millimeter sized wireless stimulator that can be delivered minimally invasively through a percutaneous catheter which would significantly lower the barrier to entry for neuromodulatory treatment approaches because of the reduced risk. This miniaturization is achieved by using magnetoelectric materials to efficiently deliver data and power through tissue to a digitally-programmable 0.8 mm 2 CMOS system-on-a-chip. As a proof-of-principle we show wireless stimulation of peripheral nerve targets both directly and from within the blood vessels in rodent and porcine models. The wireless EVNS concept described here provides a path toward minimally invasive bioelectronics where mm-sized implants combined with endovascular stimulation enable access to a number of nerve targets without open surgery or implantation of battery-powered pulse generators.

Minimally invasive neural interfaces can be used to diagnose, manage, and treat many disorders with substantially reduced risks of surgical complications. Endovascular neural interfaces implanted in the veins or arteries is one approach, but it requires prescriptions of anti-thrombotic medication and are likely not explantable after endothelialization. More critically, the approach is limited by the small size and location of blood vessels, such that many important cortical, subcortical, spinal targets cannot be reached. Here, we demonstrate a chronic endocisternal neural interface that approaches brain and spinal cord targets through inner and outer cerebral spinal fluid (CSF) spaces. These spaces surround the nervous system and lack the tortuosity of the circulatory system, giving us access to the entire brain convexity, deep brain structures within the ventricles, and the spinal cord from the spinal subarachnoid space. Combined with miniature magnetoelectric-powered bioelectronics, the entire wireless system is deployable through a percutaneous procedure. The flexible catheter electrodes can be freely navigated throughout the body from the spinal to cranial subarachnoid space, and from the cranial subarachnoid space to the ventricles. We show in a large animal model that we can also reposition the recording and stimulation electrodes or explant the neural interface after chronic implantation. This enables applications in therapies that require transient or permanent brain/machine interface such as stroke rehabilitation and epilepsy monitoring and opens a new class of minimally invasive endocisternal bioelectronics.

ABSTRACT Brain arteriovenous malformations (bAVMs) are direct connections between arteries and veins that remodel into a complex nidus susceptible to rupture and hemorrhage. Most sporadic bAVMs feature somatic activating mutations within KRAS , and endothelial-specific expression of the constitutively active variant KRAS G12D models sporadic bAVM in mice. By leveraging 3D-based micro-CT imaging, we demonstrate that KRAS G12D -driven bAVMs arise in stereotypical anatomical locations within the murine brain, which coincide with high endogenous Kras expression. We extend these analyses to show that a distinct variant, KRAS G12C , also generates bAVMs in predictable locations. Analysis of 15,000 human patients revealed that, similar to murine models, bAVMs preferentially occur in distinct regions of the adult brain. Furthermore, bAVM location correlates with hemorrhagic frequency. Quantification of 3D imaging revealed that G12D and G12C alter vessel density, tortuosity, and diameter within the mouse brain. Notably, aged G12D mice feature increased lethality, as well as impaired cognition and motor function. Critically, we show that pharmacological blockade of the downstream kinase, MEK, after lesion formation ameliorates KRAS G12D -driven changes in the murine cerebrovasculature and may also impede bAVM progression in human pediatric patients. Collectively, these data show that distinct KRAS variants drive bAVMs in similar patterns and suggest MEK inhibition represents a non-surgical alternative therapy for sporadic bAVM.