Optogenetics, the ability to use light to activate and silence specific neuron types within neural networks in vivo and in vitro, is revolutionizing neuroscientists' capacity to understand how defined neural circuit elements contribute to normal and pathological brain functions. Typically, awake behaving experiments are conducted by inserting an optical fiber into the brain, tethered to a remote laser, or by utilizing an implanted light-emitting diode (LED), tethered to a remote power source. A fully wireless system would enable chronic or longitudinal experiments where long duration tethering is impractical, and would also support high-throughput experimentation. However, the high power requirements of light sources (LEDs, lasers), especially in the context of the extended illumination periods often desired in experiments, precludes battery-powered approaches from being widely applicable. We have developed a headborne device weighing 2 g capable of wirelessly receiving power using a resonant RF power link and storing the energy in an adaptive supercapacitor circuit, which can algorithmically control one or more headborne LEDs via a microcontroller. The device can deliver approximately 2 W of power to the LEDs in steady state, and 4.3 W in bursts. We also present an optional radio transceiver module (1 g) which, when added to the base headborne device, enables real-time updating of light delivery protocols; dozens of devices can be controlled simultaneously from one computer. We demonstrate use of the technology to wirelessly drive cortical control of movement in mice. These devices may serve as prototypes for clinical ultra-precise neural prosthetics that use light as the modality of biological control.

Abstract Observing the activity of large populations of neurons in vivo is critical for understanding brain function and dysfunction. The use of fluorescent genetically-encoded calcium indicators (GECIs) in conjunction with miniaturized microscopes is an exciting emerging toolset for recording neural activity in unrestrained animals. Despite their potential, current miniaturized microscope designs are limited by using image sensors with low frame rates, sensitivity, and resolution. Beyond GECIs, there are many neuroscience applications which would benefit from the use of other emerging neural indicators, such as fluorescent genetically-encoded voltage indicators (GEVIs) that have faster temporal resolution to match neuron spiking, yet, require imaging at high speeds to properly sample the activity-dependent signals. We integrated an advanced CMOS image sensor into a popular open-source miniaturized microscope platform. MiniFAST is a fast and sensitive miniaturized microscope capable of 1080p video, 1.5 µm resolution, frame rates up to 500 Hz and high gain ability (up to 70 dB) to image in extremely low light conditions. We report results of high speed 500 Hz in vitro imaging of a GEVI and ∼300 Hz in vivo imaging of transgenic Thy1-GCaMP6f mice. Finally, we show the potential for a reduction in photobleaching by using high gain imaging with ultra-low excitation light power (0.05 mW) at 60 Hz frame rates while still resolving Ca 2+ spiking activity. Our results extend miniaturized microscope capabilities in high-speed imaging, high sensitivity and increased resolution opening the door for the open-source community to use fast and dim neural indicators.

Ultra-flexible microelectrodes that can bend and flex with the natural movement of the brain reduce the inflammatory response and improve the stability of long-term neural recordings. However, current methods to implant these highly flexible electrodes rely on temporary stiffening agents that increase the electrode size thus aggravating neural damage during implantation, which leads to cell loss and glial activation that persists even after the stiffening agents are removed or dissolve. A method to deliver thin, ultra-flexible electrodes deep into neural tissue without increasing the stiffness or size of the electrodes will enable minimally invasive electrical recordings from within the brain. Here we show that specially designed microfluidic devices can apply a tension force to ultra-flexible electrodes that prevents buckling without increasing the thickness or stiffness of the electrode during implantation. Additionally, these fluidic microdrives allow us to precisely actuate the electrode position with micron-scale accuracy. To demonstrate the efficacy of our 'fluidic microdrives', we used them to actuate highly flexible carbon nanotube fiber (CNTf) microelectrodes for electrophysiology. We used this approach in three proof-of-concept experiments. First, we recorded compound action potentials in a soft model organism, the small cnidarian Hydra. Second, we targeted electrodes precisely to the thalamic reticular nucleus in brain slices and recorded spontaneous and optogenetically-evoked extracellular action potentials. Finally, we inserted electrodes more than 4 mm deep into the brain of rats and detected spontaneous individual unit activity in both cortical and subcortical regions. Compared to syringe injection, fluidic microdrives do not penetrate the brain and prevent changes in intracranial pressure by diverting fluid away from the injection site during insertion and actuation. Overall, the fluidic microdrive technology provides a robust new method to implant and actuate ultra-flexible neural electrodes.

Recording electrical activity from individual cells in vivo is a key technology for basic neuroscience and has growing clinical applications. To maximize the number of independent recording channels as well as the longevity, and quality of these recordings, researchers often turn to small and flexible electrodes that minimize tissue damage and can isolate signals from individual neurons. One challenge when creating these small electrodes, however, is to maintain a low interfacial impedance by applying a surface coating that is stable in tissue and does not significantly complicate the fabrication process. Here we use a high-pressure Pt sputtering process to create low-impedance electrodes at the wafer scale using standard microfabrication equipment. Direct-sputtered Pt provides a reliable and well-controlled porous coating that reduces the electrode impedance by 5-9 fold compared to flat Pt and is compatible with the microfabrication technologies used to create flexible electrodes. These porous Pt electrodes show reduced thermal noise that matches theoretical predictions. In addition, we show that these electrodes can be implanted into rat cortex, record single unit activity, and be removed all without disrupting the integrity of the coating. We also demonstrate that the shape of the electrode (in addition to the surface area) has a significant effect on the electrode impedance when the feature sizes are on the order of tens of microns. Overall, porous Pt represents a promising method for manufacturing low-impedance electrodes that can be seamlessly integrated into existing processes for producing flexible neural probes.