Novel multi-wavelength switching filters based on cascaded long-period fiber gratings and polarization-maintaining fiber in a Sagnac loop configuration are proposed and experimentally demonstrated. The rapid wavelength switching is achieved by an electro-optic polarization controller. The device is independent of the polarization state of the input light due to the bi-directional polarization compensation of the Sagnac loop interferometer although the polarization state of the optical wave filter is rapidly switched by the electro-optic modulator in the loop. The proposed device can be useful for applications to all-channel gating and odd/even-channel switching devices with fine channel selectivity and high-speed response.

Abstract Transcranial functional photoacoustic (fPA) voltage-sensitive dye (VSD) imaging promises to overcome current temporal and spatial limitations of current neuroimaging modalities. The technique previously distinguished global seizure activity from control neural activity in groups of rats. To validate the focal specificity of transcranial fPA neuroimaging in vivo , we now present proofs-of-concept that the results differentiate between low- and high-dose N-methyl-D-aspartate (NMDA) evoked neural activity in rat hippocampus. Concurrent quantitative EEG (qEEG) and microdialysis recorded real-time circuit dynamics and glutamate concentration change, respectively. We hypothesized that location-specific fPA VSD contrast would identify the neural dynamics in hippocampus with the correlation to NMDA evoked focal glutamate release and time-specific EEG signals. To test the hypothesis, we infused 0.3 to 3.0 mM NMDA at 2 μl/min over 60 min via an implanted microdialysis probe. The dialysate samples collected every 20 min during the infusion were analyzed for focal changes in extracellular glutamate release. Transcranial fPA VSD imaging provided NMDA-evoked VSD responses with positive correlation to extracellular glutamate concentration change at the contralateral side of the microdialysis probe. The graded response represents the all-or-none gating system of the dentate gyrus (DG) in hippocampus. Quantitative EEG (qEEG) successfully confirmed induction of focal seizure activity during NMDA infusion. We conclude that transcranial fPA VSD imaging distinguished graded DG gatekeeping functions, based on the VSD redistribution mechanism sensitive to electrophysiologic membrane potential. The results suggest the potential future use of this emerging technology in clinics and science as an innovative and significant functional neuroimaging modality.

Abstract Despite current progress achieved in the surgical technique of radical prostatectomy, post-operative complications such as erectile dysfunction and urinary incontinence persist at high incidence rates. In this paper, we present a methodology for functional intra-operative localization of the cavernous nerve (CN) network for nerve-sparing radical prostatectomy using near-infrared cyanine voltage-sensitive dye (VSD) imaging, which visualizes membrane potential variations in the CN and its branches (CNB) in real time. As a proof-of-concept experiment, we demonstrate a functioning complex nerve network in response to electrical stimulation of the CN, which was clearly differentiated from surrounding tissues in an in vivo rat prostate model. Stimulation of an erection was confirmed by correlative intracavernosal pressure (ICP) monitoring. Within 10 minutes, we performed trans-fascial staining of the CN by direct VSD administration. Our findings suggest the applicability of VSD imaging for real-time, functional imaging guidance during nerve-sparing radical prostatectomy.

Novel multi-wavelength switching filters based on cascaded long-period fiber grating (LPG) and polarization-maintaining fiber (PMF) in a Sagnac loop configuration are proposed and experimentally demonstrated. While the multi-channel spectrum of PMF Sagnac loop filter is controlled by the polarization state in the loop, the polarization-independence of the LPG filter is used to drop one channel. The polarization-independence of the cascaded LPG filter is also used for the fixed periodic loss spectrum to drop multiple channels in the loop. Although the polarization state of the optical wave filter is switched by the electro-optic modulator in the loop, the device is independent of the polarization state of the input light due to the bi-directional polarization compensation of the Sagnac loop interferometer. This device can be used to achieve all-channel gating and odd/even-channel switching with fine channel selectivity and high speed response.

Minimally-invasive monitoring of electrophysiological neural activities in real-time —that enables quantification of neural functions without a need for invasive craniotomy and the longer time constants of fMRI and PET— presents a very challenging yet significant task for neuroimaging. In this paper, we present proof-of-concept in vivo functional PA (fPA) imaging of chemoconvulsant rat seizure model with intact scalp using a fluorescence quenching-based cyanine voltage-sensitive dye (VSD) characterized by a lipid vesicle model mimicking different levels of membrane potential variation. The framework also involves use of a near-infrared VSD delivered through the blood-brain barrier (BBB), opened by pharmacological modulation of adenosine receptor signaling. Using normalized time-frequency analysis on temporal PA sequences, the neural activity in the seizure group was distinguished from those of the control groups. Electroencephalogram (EEG) recording confirmed the changes of severity and frequency of brain activities, induced by chemoconvulsant seizures of the rat brain. The findings demonstrate that fPA imaging of fluorescence quenching-based VSD is a promising tool for in vivo recording of deep brain activities in the rat brain, thus excluding the need of invasive craniotomy.

Astrocytes are a direct target of neuromodulators and can influence neuronal activity on broad spatial and temporal scales through their close proximity to synapses. However, our knowledge about how astrocytes are functionally recruited during different animal behaviors and their diverse effects on the CNS remains limited. To enable measurement of astrocyte activity patterns in vivo during normative behaviors, we developed a high-resolution, long working distance, multi-core fiber optic imaging platform that allows visualization of cortical astrocyte calcium transients through a cranial window in freely moving mice. Using this platform, we defined the spatiotemporal dynamics of astrocytes during diverse behaviors, ranging from circadian fluctuations to novelty exploration, showing that astrocyte activity patterns are more variable and less synchronous than apparent in head-immobilized imaging conditions. Although the activity of astrocytes in visual cortex was highly synchronized during quiescence to arousal transitions, individual astrocytes often exhibited distinct thresholds and activity patterns during explorative behaviors, in accordance with their molecular diversity, allowing temporal sequencing across the astrocyte network. Imaging astrocyte activity during self-initiated behaviors revealed that noradrenergic and cholinergic systems act synergistically to recruit astrocytes during state transitions associated with arousal and attention, which was profoundly modulated by internal state. The distinct activity patterns exhibited by astrocytes in the cerebral cortex may provide a means to vary their neuromodulatory influence in response to different behaviors and internal states.

Optical imaging of brain activity has mostly employed genetically manipulated mice, which cannot be translated to clinical human usage. Observation of brain activity directly is challenging due to difficulty in delivering dyes and other agents through the blood brain barrier (BBB). Using fluorescence imaging, we have demonstrated the feasibility of delivering the near-infrared voltage-sensitive dye (VSD) IR-780 perchlorate to the brain tissue through pharmacological techniques, via an adenosine agonist (Regadenoson). Comparison of VSD fluorescence of mouse brains without and with Regadenoson showed significantly increased residence time of the fluorescence signal in the latter case, indicative of VSD diffusion into the brain tissue. Dose and timing of Regadenoson were varied to optimize BBB permeability for VSD delivery.