During active movement the electric potentials measured from the surface of the motor cortex exhibit consistent modulation, revealing two distinguishable processes in the power spectrum. At frequencies <40 Hz, narrow-band power decreases occur with movement over widely distributed cortical areas, while at higher frequencies there are spatially more focal power increases. These high-frequency changes have commonly been assumed to reflect synchronous rhythms, analogous to lower-frequency phenomena, but it has recently been proposed that they reflect a broad-band spectral change across the entire spectrum, which could be obscured by synchronous rhythms at low frequencies. In 10 human subjects performing a finger movement task, we demonstrate that a principal component type of decomposition can naively separate low-frequency narrow-band rhythms from an asynchronous, broad-spectral, change at all frequencies between 5 and 200 Hz. This broad-spectral change exhibited spatially discrete representation for individual fingers and reproduced the temporal movement trajectories of different individual fingers.

Abstract Vagus nerve stimulation (VNS) is a neuromodulation therapy with the potential to treat a wide range of chronic conditions in which inflammation is implicated, including type 2 diabetes, obesity, atherosclerosis and heart failure. Many of these diseases have well-established mouse models but due to the significant surgical and engineering challenges that accompany a reliable interface for long-term VNS in mice, the therapeutic implications of this bioelectronic approach remain unexplored. Here, we describe a long-term VNS implant in mice, developed at 3 research laboratories and validated for between-lab reproducibility. Implant functionality was evaluated over 3-8 weeks in 81 anesthetized or conscious mice by determining the stimulus intensity required to elicit a change in heart rate (heart rate threshold, HRT). HRT was also used as a method to standardize stimulation dosing across animals. Overall, 60-90% of implants produced stimulus-evoked physiological responses for at least 4 weeks, with HRT values stabilizing after the second week of implantation. Furthermore, stimulation delivered through 6-week-old implants decreased TNF levels in a subset of mice with acute inflammation caused by endotoxemia. Histological examination of 4- to 6-week-old implants revealed fibrotic encapsulation and no gross fiber loss. This implantation and dosing approach provide a tool to systematically investigate the therapeutic potential of long-term VNS in chronic diseases modeled in the mouse, the most widely used vertebrate species in biomedical research.

Abstract Vagal fibers travel inside fascicles and form branches to innervate organs and regulate organ functions. Vagus nerve stimulation (VNS) therapies activate fibers non-selectively, often resulting in reduced efficacy and side effects from non-targeted organs. Transverse and longitudinal arrangement of fibers according to functions they mediate and organs they innervate is unknown, however it is crucial for selective VNS. Using microcomputed tomography, we found that, in swine, fascicles are arranged in 2 overlapping axes, with sensory and motor fascicles separated cephalad and merging caudad, and larynx-, heart- and lung-specific fascicles separated caudad and progressively merging cephalad. Using immunohistochemistry, we found that the distribution of single fibers is highly nonuniform: myelinated afferents and efferents occupy separate fascicles, unmyelinated efferents co-localize with myelinated afferents, and small unmyelinated afferents are widely distributed. Using a multi-contact cuff electrode, we delivered fascicular cervical VNS in anesthetized and awake swine. Compound action potentials, from distinct fiber types, and organ responses, including laryngeal muscle, cough, breathing, heart rate and blood pressure responses are elicited in a radially asymmetric manner, with consistent angular separations. These results indicate that vagal fibers are anatomically organized according to functions they mediate and organs they innervate and can be asymmetrically activated by fascicular cervical VNS.

Abstract Objective Neurostimulation is emerging as treatment for several diseases of the brain and peripheral organs. Due to variability arising from placement of stimulation devices, underlying neuroanatomy and physiological responses to stimulation, it is essential that neurostimulation protocols are personalized to maximize efficacy and safety. Building such personalized protocols would benefit from accumulated information in increasingly large datasets of other individuals’ responses. Approach To address that need, we propose a meta-learning family of algorithms to conduct few-shot optimization of key fitting parameters of physiological and neural responses in new individuals. While our method is agnostic to neurostimulation setting, here we demonstrate its effectiveness on the problem of physiological modeling of fiber recruitment during vagus nerve stimulation (VNS). Using data from acute VNS experiments, the mapping between amplitudes of stimulus-evoked compound action potentials (eCAPs) and physiological responses, such as heart rate and breathing interval modulation, is inferred. Main results Using additional synthetic data sets to complement experimental results, we demonstrate that our meta-learning framework is capable of directly modeling the physiology-eCAP relationship for individual subjects with much fewer individually queried data points than standard methods. Significance Our meta-learning framework is general and can be adapted to many input-response neurostimulation mapping problems. Moreover, this method leverages information from growing data sets of past patients, as a treatment is deployed. It can also be combined with several model types, including regression, Gaussian processes with Bayesian optimization, and beyond.

Abstract Vagus nerve stimulation (VNS) is used as therapy in epilepsy and depression and is tested as a potential treatment for several chronic disorders. Typically, VNS is delivered at increasing stimulus intensity until a response is observed (threshold intensity). Factors that affect threshold intensities for engagement of different fiber types and concomitant physiological responses have not been studied. We determined neural and physiological responses to increasing stimulus intensities of VNS in anesthetized and awake animals, and examined the effect of implant- and anesthesia-related factors on threshold intensities in a rodent model of VNS. In acute and long-term cervical vagus nerve implants (53 and 14 rats, respectively) VNS was delivered under isoflurane, ketamine-xylazine, or awake at different intensities. Stimulus-evoked compound action potentials (eCAPs) were recorded, elicited physiological responses were registered, including changes heart rate (HR), breathing, and blood pressure (BP), and threshold intensities were determined. The intensity that elicits eCAPs (“neural threshold”) is significantly lower than what elicits a physiological response (“physiological threshold”, PT) (25 μA ±1.8 vs. 70 μA ±5.2, respectively; Mean ±SEM). Changes in BP occur at the lowest stimulus intensities (80 μA ±7), followed by changes in HR (105 μA ±8.4) and finally in breathing (310 μA ±32.5). PT is lower with than without electrode insulation (60 μA ±12, vs. 700 μA ±123). PT and electrode impedance are correlated in long-term ( r =0.47; p <0.001) but not in acute implants ( r =-0.34; p NS); both PT and impedance increase with implant age (Pearson correlation r =0.44; p <0.001 and r=0.64; p<0.001, respectively). PT is lowest when animals are awake (210 μA ±33; Mean ±SEM), followed by ketamine-xylazine (630 μA ±154), and isoflurane (1075 μA ±131). The sequence of physiological responses with increasing VNS intensity is similar in both anesthetized and awake states. Implant age, electrical impedance and the type of anesthesia affect VNS threshold and should be accounted for when determining stimulation dose.

Abstract Afferent and efferent vagal fibers mediate bidirectional communication between the brain and visceral organs. Small, unmyelinated C-afferents constitute the majority of vagal fibers, play critical roles in numerous interoceptive circuits and autonomic reflexes in health and disease and may contribute to the efficacy and safety of vagus nerve stimulation (VNS). Selective engagement of C-afferents with electrical stimuli has not been feasible, due to the default fiber recruitment order: larger fibers first, smaller fibers last. Here, we determine and optimize an electrical stimulus that selectively engages vagal C-afferents. Intermittent KHz-frequency electrical stimulation (KES) activates motor and, preferentially, sensory vagal neurons in the brainstem. During KES, asynchronous activity of C-afferents increases, while that of larger fibers remains largely unchanged. In parallel, KES effectively blocks excitability of larger fibers while moderately suppressing excitability of C-afferents. By compiling selectivity indices in individual animals, we find that optimal KES parameters for C-afferents are >5KHz frequency and 7-10 times engagement threshold (×T) intensity in rats, 15-25×T in mice. These effects can be explained in computational models by how sodium channel responses to KES are shaped by axonal size and myelin. Our results indicate that selective engagement of vagal C-afferents is attainable by intermittent KES.

Abstract Background Inflammation is pathogenically implicated in pulmonary arterial hypertension (PAH); however, it has not been adequately targeted therapeutically. We investigated whether neuromodulation of an anti-inflammatory neuroimmune pathway involving the splenic nerve using noninvasive, focused ultrasound stimulation of the spleen (sFUS) can improve experimental pulmonary hypertension (PH). Methods PH was induced in rats either by SU5416 (20 mg/kg SQ) injection, followed by 21 (or 35) days of hypoxia (SuHx model), or by monocrotaline (60 mg/kg IP) injection (MCT model). Animals were randomized to receive either daily, 12-min-long sessions of sFUS or sham stimulation, for 14 days. Catheterizations, echocardiography, indices of autonomic function, lung and heart histology and immunohistochemistry, spleen flow cytometry and lung single-cell-RNA sequencing were performed after treatment to assess the effects of sFUS. Results Splenic denervation right before induction of PH results in a more severe phenotype. In both SuHx and MCT models of PH, sFUS treatment reduces right ventricular (RV) systolic pressure by 25-30% compared to sham therapy, without affecting systemic pressure, and improves RV function and autonomic indices. sFUS reduces wall thickness, apoptosis, and proliferation in small pulmonary arterioles, suppresses CD3+ and CD68+ cell infiltration in lungs and RV fibrosis and hypertrophy and lowers brain natriuretic peptide. Beneficial effects persist for weeks after sFUS discontinuation and are more robust with early and longer treatment. Splenic denervation abolishes sFUS therapeutic benefits. sFUS partially normalizes CD68+ and CD8+ T-cells cell counts in the spleen and downregulates several inflammatory genes and pathways in nonclassical and classical monocytes, and macrophages in the lung. Differentially expressed genes in those cell types are significantly enriched for human PAH-associated genes. Conclusions sFUS causes dose-dependent, sustained improvement of hemodynamic, autonomic, laboratory and pathological manifestations in two models of experimental PH. Mechanistically, sFUS normalizes immune cell populations in the spleen and downregulates inflammatory genes and pathways in the lung, many of which are relevant in human disease.

Abstract Bioelectronic therapies modulating the vagus nerve are promising for cardiovascular, inflammatory, and mental disorders. Clinical applications are however limited by side-effects such as breathing obstruction and headache caused by non-specific stimulation. To design selective and functional stimulation, we engineered VaStim, a realistic and efficient in-silico model. We developed a protocol to personalize VaStim in-vivo using simple muscle responses, successfully reproducing experimental observations, by combining models with trials conducted on five pigs. Through optimized algorithms, VaStim simulated the complete fiber population in minutes, including often omitted unmyelinated fibers which constitute 80% of the nerve. The model suggested that all Aα-fibers across the nerve affect laryngeal muscle, while heart rate changes were caused by B-efferents in specific fascicles. It predicted that tripolar paradigms could reduce laryngeal activity by 70% compared to typically used protocols. VaStim may serve as a model for developing neuromodulation therapies by maximizing efficacy and specificity, reducing animal experimentation.

Abstract Background The noradrenergic innervation of the spleen is implicated in the autonomic control of inflammation and has been the target of neurostimulation therapies for inflammatory diseases. However, there is no real-time marker of its successful activation, which hinders the optimization of anti- inflammatory neurostimulation therapies and mechanistic studies in anti-inflammatory neural circuits. Methods In mice, we performed fast-scan cyclic voltammetry (FSCV) in the spleen during intravascular injections of norepinephrine (NE), or during stimulation of the vagus, splanchnic, or splenic nerves. We defined the stimulus-elicited charge generated at the oxidation potential for NE (∼0.8 V) as the “NE voltammetry signal” and quantified the dependence of the signal on NE or nerve stimulation dose. We correlated the NE voltammetry signal in response to splenic nerve stimulation (SpNS) with the latter’s anti-inflammatory effect in a model of lipopolysaccharide- (LPS) induced endotoxemia, quantified as suppression of TNF release. Results We found that the NE voltammetry signal is proportional to injected amount and estimated peak NE concentration, with 0.3 μM detection threshold. In response to SpNS, the signal increases within seconds, returns to baseline minutes later and is blocked by interventions that deplete NE or inhibit NE release. The signal is elicited by efferent, but not afferent, electrical or optogenetic vagus nerve stimulation, and by splanchnic nerve stimulation. The magnitude of the signal during SpNS is inversely correlated with subsequent TNF suppression in endotoxemia and explains 40% of the variance in TNF measurements. Conclusion FSCV in the spleen provides a marker for real-time monitoring of anti-inflammatory activation of the splenic innervation during autonomic stimulation.

Abstract The autonomic nervous system (ANS), which maintains physiological homeostasis in various organ systems via parasympathetic and sympathetic branches, is altered in common diffuse and focal conditions. Sensitive, quantitative biomarkers could detect changes in ANS function, first here in healthy participants and eventually in patients displaying dysautonomia. This framework combines controlled autonomic testing with feature extraction from physiological responses. Twenty-one individuals were assessed in two morning and two afternoon sessions over two weeks. Each session included five standard clinical tests probing autonomic function: squat test, cold pressor test, diving reflex test, deep breathing, and Valsalva maneuver. Noninvasive sensors captured continuous electrocardiography, blood pressure, breathing, electrodermal activity, and pupil diameter. Heart rate, heart rate variability, mean arterial pressure, electrodermal activity, and pupil diameter responses to the perturbations were extracted, and averages across participants were computed. A template matching algorithm calculated scaling and stretching features that optimally fit the average to an individual response. These features were grouped based on test and modality to derive sympathetic and parasympathetic indices for this healthy population. A significant positive correlation ( p = 0.000377) was found between sympathetic amplitude response and body mass index. Additionally, longer duration and larger amplitude sympathetic and longer duration parasympathetic responses occurred in afternoon testing sessions; larger amplitude parasympathetic responses occurred in morning sessions. These results demonstrate the robustness and sensitivity of an algorithmic approach to extract multimodal responses from standard tests. This novel method of quantifying ANS function can be used for early diagnosis, measurement of disease progression, or treatment evaluation.