Abstract Transcranial electric stimulation is a non-invasive tool that can influence brain activity; however, the parameters necessary to affect local circuits in vivo remain to be explored. Here, we report that in rodents and human cadaver brains, ~75% of scalp-applied currents are attenuated by soft tissue and skull. Using intracellular and extracellular recordings in rats, we find that at least 1 mV/mm voltage gradient is necessary to affect neuronal spiking and subthreshold currents. We designed an ‘intersectional short pulse’ stimulation method to inject sufficiently high current intensities into the brain, while keeping the charge density and sensation on the scalp surface relatively low. We verify the regional specificity of this novel method in rodents; in humans, we demonstrate how it affects the amplitude of simultaneously recorded EEG alpha waves. Our combined results establish that neuronal circuits are instantaneously affected by intensity currents that are higher than those used in conventional protocols.

Abstract We present a device that can be utilized for a large-scale in vivo extracellular recording, from more than 250 electrodes, with the capability to optically modulate activities of neurons located at more than a hundred individual stimulation targets at the anatomical resolution.

Abstract Understanding complex neuronal circuitry and its functions of a living organism requires a specialized tool which is capable of (i) recording a large ensemble of neuronal signals at single cell resolution, (ii) modulating neuronal activities optogenetically at the same time, and (iii) sustaining functionality for long-term chronic experiments without significant tissue degeneration or device migration. We hereby present an ultra-flexible, minimally-invasive, Michigan-type neural probe for chronic opto-electrophysiology studies: flexLiTE (flexible micro-LED integrated optoelectrodes). flexLiTE incorporates monolithically integrated, soma-sized micro-inorganic LEDs (μILEDs, 12 individually operated) and 32 recording electrodes. The stimulation and recording modalities are integrated by stacking two modules on a flexible shank, resulting in a 115 μm-wide,12 μm-thick, 10 mm-long optoelectrode. From prototype devices, we demonstrated the reliable operation of flexLiTEs for recording and modulation of hippocampal neurons in a freely moving mouse for over ~2 month.

Abstract Over the past few decades, daily exposure to radiofrequency (RF) fields has been increasing due to the rapid development of wireless and medical imaging technologies. Under extreme circumstances, exposure to very strong RF energy can lead to heating of body tissue, even resulting in tissue injury. The presence of implanted devices, moreover, can amplify RF effects on surrounding tissue. Therefore, it is important to understand the interactions of RF fields with tissue in the presence of implants, in order to establish appropriate wireless safety protocols, and also to extend the benefits of medical imaging to increasing numbers of people with implanted medical devices. This study explored the neurological effects of RF exposure in rodents implanted with neuronal recording electrodes. We exposed freely moving and anesthetized rats and mice to 950 MHz RF energy while monitoring their brain activity, temperature, and behavior. We found that RF exposure could induce fast onset firing of single neurons without heat injury. In addition, brain implants enhanced the effect of RF stimulation resulting in reversible behavioral changes. Using an optical temperature measurement system, we found greater than tenfold increase in brain temperature in the vicinity of the implant. On the one hand, our results underline the importance of careful safety assessment for brain implanted devices, but on the other hand, we also show that metal implants may be used for neurostimulation if brain temperature can be kept within safe limits.

High-yield electrophysiological extracellular recording in freely moving rodents provides a unique window into the temporal dynamics of neural circuits. Recording from unrestrained animals is critical to investigate brain activity during natural behaviors. The use and implantation of high-channel-count silicon probes represent the largest cost and experimental complexity associated with such recordings making a recoverable and reusable system desirable. To address this, we have designed and tested a novel 3D printed head-gear system for freely moving mice and rats. The system consists of a recoverable microdrive printed in stainless steel and a plastic head cap system, allowing researchers to reuse the silicon probes with ease, decreasing the effective cost, and the experimental effort and complexity. The cap designs are modular and provide structural protection and electrical shielding to the implanted hardware and electronics. We provide detailed procedural instructions allowing researchers to adapt and flexibly modify the head-gear system.

The ability to deliver highly compliant biosensors through the toughest membranes of the central and peripheral nervous system is an important challenge in neuroscience and neural engineering. Bioelectronic devices implanted through dura mater and thick epineurium would ideally create minimal compression and acute damage as they reach the neurons of interest. We demonstrate that a novel diamond shuttle can deliver ultra-compliant polymer microelectrodes to intraneural structures with the smallest cross-sectional area and dimpling reported to date. This was demonstrated in vivo through rat dura mater and feline dura and dorsal root epineurium. The dorsal root ganglia are an especially relevant target for organ function and pain research, and unlike dura mater over the brain, its outer membrane cannot be removed surgically. We present a method of creating a unique diamond shuttle, only 11 microns thick with a T-beam vertical support, that pierces dura and epineurium. This T-beam structure reduced the cross-sectional area of the shuttle by 58% relative to an equivalently stiff silicon shuttle. We also discovered that higher frequency oscillation of the shuttle, at 200 Hz, significantly reduced tissue compression regardless of the insertion speed, while slow speeds independently also reduced tissue compression. Finally, we demonstrate the shuttle delivery of and neural recordings from ultra-fine, flexible arrays (5 microns thick, 65 microns wide) with 60 microelectrodes in a 1.2-mm span from different neural targets. This novel microelectrode shuttle has a large design space making it suitable for research in a variety of central and peripheral nervous system targets and animal models.

Abstract Recent neuroscientific research seeks to comprehend the sophisticated deep-brain networks of neural circuits consisting of large scale neuronal ensembles across multiple brain regions. An ideal way to unveil the complex connectome might be stimulating individual neurons with high spatial resolution in a broad range of brain, while seamlessly monitoring the correspondent neuronal activities. Optogenetics is known as a key technology to enable such a goal thanks to its high spatial and temporal selectivity in neuromodulation. Existing silicon probe technologies have been able to partially achieve such a goal by recording broad region of brain activities through multiple electrodes per shank, but those cannot complete perfect coverage due to the limited channel counts for the optogenetic stimulation. Here, we present an high-channel-count optogenetic system with simultaneous 256 recoding and 128 optogenetic stimulation sites, exhibiting the highest channel density ever reported, enabled by a flexible polyimide cable-based hybrid-integration of a low-stimulation-artifact micro-LED (µLED) opto-electrode with a low-power and -noise, area-efficient CMOS interfacing integrated-circuit (IC). The presented optogenetic system provides 256-neuron-size electrodes (11 × 15 µm 2 ) with a 40 µm inter-electrode pitch for high spatial oversampling in recording and 128-soma-size µLEDs (8 × 11 µm 2 ) with a 20 µm inter-LED pitch for single-cell resolution in stimulation, resulting in a vertical span of 640 µm and a horizontal span of 2,100 µm with a total 8 shanks. For versatility in optogenetics-based experiments from small rodents to primates with user-preferable settings, the system base that provides programmability of recording and stimulation parameters and rest of signal processing, such as filtering, digitization, and data transmission including serial peripheral interface (SPI) has also been designed within small area of 23.8 × 28.8 mm 2 with only 3.5-gram weight, resulting in the highest channel density both in size (0.56 channels/mm 2 ) and weight (109.71 channels/gram) among the state-of-the-art optogenetics-based neuromodulation systems. To verify the system operation in vivo , a compact optogenetics headstage has been also fabricated. Using the prepared optogenetic headstage, 169 isolated neurons have been observed with various stimulation intensities. The results offered in this article indicate that the presented hybrid integrated ultrahigh-density, high-channel-count headstage can be used to realize the massive-scale in-depth brain studies with optogenetics.

Brain states fluctuate between exploratory and consummatory phases of behavior. These state changes affect both internal computation and the organism's responses to sensory inputs. Understanding neuronal mechanisms supporting exploratory and consummatory states and their switching requires experimental control of behavioral shifts and collecting sufficient amounts of brain data. To achieve this goal, we developed the ThermoMaze, which exploits the animal's natural warmth-seeking homeostatic behavior. By decreasing the floor temperature and selectively heating unmarked areas, mice avoid the aversive state by exploring the maze and finding the warm spot. In its design, the ThermoMaze is analogous to the widely used water maze but without the inconvenience of a wet environment and, therefore, allows the collection of physiological data in many trials. We combined the ThermoMaze with electrophysiology recording, and report that spiking activity of hippocampal CA1 neurons during sharp-wave ripple events encode the position of the animal. Thus, place-specific firing is not confined to locomotion and associated theta oscillations but persist during waking immobility and sleep at the same location. The ThermoMaze will allow for detailed studies of brain correlates of immobility, preparatory-consummatory transitions and open new options for studying behavior-mediated temperature homeostasis.

Optogenetics are a powerful tool for testing how a neural circuit influences neural activity, cognition, and behavior. Accordingly, the number of studies employing optogenetic perturbation has grown exponentially over the last decade. However, recent studies have highlighted that the impact of optogenetic stimulation/silencing can vary depending on the construct used, the local microcircuit connectivity, extent/power of illumination, and neuron types perturbed. Despite these caveats, the majority of studies employ optogenetics without simultaneously recording neural activity in the circuit that is being perturbed. This dearth of simultaneously recorded neural data is due in part to technical difficulties in combining optogenetics and extracellular electrophysiology. The recent introduction of μLED silicon probes, which feature independently controllable miniature LEDs embedded at several levels of each of multiple shanks of silicon probes, provides a tractable method for temporally and spatially precise interrogation of neural circuits. Here, we provide a protocol addressing how to perform chronic recordings using μLED probes. This protocol provides a schematic for performing causal and reproducible interrogations of neural circuits and addresses all phases of the recording process: introduction of optogenetic construct, implantation of the μLED probe, performing simultaneous optogenetics and electrophysiology

Notwithstanding advances with low-intensity transcranial electrical stimulation (TES), there remain questions about the efficacy of clinically realistic electric fields on neuronal function. We used Neuropixels 2.0 probe with 384 channels in an in-vivo rat model of TES to detect effects of weak fields on neuronal firing rate. High-density field mapping and computational models verified field intensity (1 V/m in hippocampus per 50 microA of applied skull currents). We demonstrate that electric fields below 0.5 V/m acutely modulate firing rate in 5% of neurons recorded in the hippocampus. At these intensities, average firing rate effects increased monotonically with electric field intensity at a rate of 7 % per V/m. For the majority of excitatory neurons, firing increased for cathodal stimulation and diminished for anodal stimulation. While more diverse, the response of inhibitory neurons followed a similar pattern on average, likely as a result of excitatory drive. Our results indicate that responses to TES at clinically relevant intensities are driven by a fraction of high-responder excitatory neurons, with polarity-specific effects. We conclude that transcranial electric stimulation is an effective neuromodulator at clinically realistic intensities.