Limited accessibility of retinal neurons to electrophysiology on a cellular scale in-vivo has restricted studies of their signaling to in-vitro preparations and animal models. Physiological changes underlying neural activity are mediated by variations in electrical potential that alter the surface tension of the cell membrane. In addition, physiological processes affect concentration of the cell's constituents that results in variation of osmotic pressure. Both these phenomena affect the neuron's shape which can be detected using interferometric imaging, thereby enabling non-invasive label-free imaging of physiological activity in-vivo with cellular resolution. Here, we apply high-speed phase-resolved optical coherence tomography in line-field configuration to image the biophysical phenomena associated with phototransduction in human cone photoreceptors in vivo. We demonstrate that individual cones exhibit a biphasic response to light: an early ms-scale fast contraction of the outer segment immediately after the onset of the flash stimulus followed by a gradual (hundreds of ms) expansion. We demonstrate that the contraction can be explained by rapid charge movement accompanying the isomerization of cone opsins, consistent with the early receptor potential observed in the electroretinogram and classical electrophysiology in-vitro. We demonstrate the fidelity of such all-optical recording of light-induced activity in the human retina, namely the optoretinogram, across a range of spatiotemporal scales. This approach incorporates functional evaluation into a routine clinical examination of retinal structure and thus holds enormous potential to serve as a biomarker for early disease diagnosis and monitoring therapeutic efficacy.

Abstract Optoretinography – the non-invasive, optical imaging of light-induced functional activity in the retina – stands to provide a critical biomarker for testing the safety and efficacy of new therapies as well as their rapid translation to the clinic. Optical phase change in response to light, as readily accessible in phase-resolved OCT, offers a path towards all-optical imaging of retinal function. However, typical human eye motion adversely affects phase stability and precludes the recording of fast light-induced retinal events. Here we introduce a high-speed line-scan spectral domain OCT with adaptive optics (AO), aimed at volumetric imaging and phase-resolved acquisition of retinal responses to light. By virtue of parallel acquisition of an entire retinal cross-section (B-scan) in a single high-speed camera frame, depth-resolved tomograms at speeds up to 16 kHz were achieved with high sensitivity and phase stability. To optimize spectral and spatial resolution, an anamorphic detection paradigm was introduced enabling improved light collection efficiency and signal roll-off compared to traditional methods. The benefits in speed, resolution and sensitivity were exemplified in imaging nanometer-millisecond scale light-induced optical path length changes in cone photoreceptor outer segments. With 660 nm stimuli, individual cone responses readily segregated into three clusters, corresponding to long, middle and short-wavelength cones. Recording such optoretinograms on spatial scales ranging from individual cones, to 100 μm-wide retinal patches offers a robust and sensitive biomarker for cone function in health and disease. Furthermore, incorporating this capability into an easy-to-use and ubiquitous diagnostic platform of OCT enables its widespread application to patient care and drug development.