This technique allows functional imaging of neurons in head-fixed Drosophila while the fly walks on an air-supported ball. Using a genetically encoded calcium sensor, the activity of motion-sensitive neurons in the fly optic lobe was recorded while the flies were presented with visual stimuli. Activity in these cells correlated with robust optomotor behavior in the walking flies. Drosophila melanogaster is a model organism rich in genetic tools to manipulate and identify neural circuits involved in specific behaviors. Here we present a technique for two-photon calcium imaging in the central brain of head-fixed Drosophila walking on an air-supported ball. The ball's motion is tracked at high resolution and can be treated as a proxy for the fly's own movements. We used the genetically encoded calcium sensor, GCaMP3.0, to record from important elements of the motion-processing pathway, the horizontal-system lobula plate tangential cells (LPTCs) in the fly optic lobe. We presented motion stimuli to the tethered fly and found that calcium transients in horizontal-system neurons correlated with robust optomotor behavior during walking. Our technique allows both behavior and physiology in identified neurons to be monitored in a genetic model organism with an extensive repertoire of walking behaviors.

Abstract Cerebellar transcranial direct current stimulation (ctDCS) can facilitate motor learning; however, ctDCS effects have not been investigated using portable neuroimaging vis-à-vis lobular electric field strength. This is important since the subject-specific residual architecture for cerebellar interconnections with the cerebral cortex, including the prefrontal cortex (PFC) and the sensorimotor cortex (SMC), can influence the ctDCS effects on the cerebral functional activation. In this study, we investigated functional near-infrared spectroscopy (fNIRS) in conjunction with electroencephalography (EEG) to measure the changes in the brain activation at the PFC and the SMC following virtual reality (VR)-based Balance Training (VBaT), before and after ctDCS treatment in 12 hemiparetic chronic stroke survivors. Furthermore, we performed general linear modeling (GLM) that can putatively associate the lobular electric field strength due to ctDCS priming with the changes in the fNIRS-EEG measures in the chronic stroke survivors. Here, fNIRS-EEG based measures were investigated in their latent space found using canonical correlation analysis (CCA) that is postulated to capture neurovascular coupling. We found that the ctDCS electrode montage, as well as the state (pre-intervention, during intervention, post-intervention), had a significant (p<0.05) effect on the changes in the canonical scores of oxy-hemoglobin (O2Hb) signal measured with fNIRS. Also, skill acquisition during first exposure to VBaT decreased the activation (canonical score of O2Hb) of PFC of the non-lesioned hemisphere in the novices at their first exposure before the ctDCS intervention. Moreover, ctDCS intervention targeting the leg representation in the cerebellum led to a decrease in the canonical scores of O2Hb at the lesioned SMC, which is postulated to be related to the cerebellar brain inhibition. Furthermore, ctDCS electrode montage, as well as the state, had a significant (p<0.05) interaction effect on the canonical scores of log10-transformed EEG bandpower. Our current study showed the feasibility of fNIRS-EEG imaging of the ctDCS responses in the latent neurovascular coupling space that can not only be used for monitoring the dynamical changes in the brain activation associated with ctDCS-facilitated VBaT, but may also be useful in subject-specific current steering for tDCS to target the cerebral fNIRS-EEG sources to reduce inter-individual variability.

Abstract Functional brain connectivity using functional near-infrared spectroscopy (fNIRS) during a pattern cutting (PC) task was investigated in physical and virtual simulators. 14 right-handed novice medical students were recruited and divided into separate cohorts for physical (N=8) and virtual (N=6) PC training. Functional brain connectivity measured were based on wavelet coherence (WCOH) from task-related oxygenated hemoglobin (HBO2) changes from baseline at left and right prefrontal cortex (LPFC, RPFC), left and right primary motor cortex (LPMC, RPMC), and supplementary motor area (SMA). HBO2 changes within the neurovascular frequency band (0.01-0.07Hz) from long-separation channels were used to compute average inter-regional WCOH metrics during the PC task. The coefficient of variation (CoV) of WCOH metrics and PC performance metrics were compared. WCOH metrics from short-separation fNIRS time-series were separately compared. Partial eta squared effect size (Bonferroni correction) between the physical versus virtual simulator cohorts was found to be highest for LPMC-RPMC connectivity. Also, the percent change in magnitude-squared WCOH metric was statistically (p<0.05) different for LPMC-RPMC connectivity between the physical and the virtual simulator cohorts. Percent change in WCOH metrics from extracerebral sources was not different at the 5% significance level. Also, higher CoV for both LPMC-RPMC magnitude-squared WCOH metric and PC performance metrics were found in physical than a virtual simulator. We conclude that interhemispheric connectivity of the primary motor cortex is the distinguishing functional brain connectivity feature between the physical versus the virtual simulator cohorts. Brain-behavior relationship based on CoV between the LPMC-RPMC magnitude-squared WCOH metric and the FLS PC performance metric provided novel insights into the neuroergonomics of the physical and virtual simulators that is crucial for validating Virtual Reality technology.

Transcranial electrical stimulation (tES) is increasingly recognized for its potential to modulate cerebral blood flow (CBF) and evoke cerebrovascular reactivity (CVR), which are crucial in conditions like mild cognitive impairment (MCI) and dementia. This study explores the impact of tES on the neurovascular unit (NVU), employing a physiological modeling approach to simulate the vascular response to electric fields generated by tES. Utilizing the FitzHugh–Nagumo model for neuroelectrical activity, we demonstrate how tES can initiate vascular responses such as vasoconstriction followed by delayed vasodilation in cerebral arterioles, potentially modulated by a combination of local metabolic demands and autonomic regulation (pivotal locus coeruleus). Here, four distinct pathways within the NVU were modeled to reflect the complex interplay between synaptic activity, astrocytic influences, perivascular potassium dynamics, and smooth muscle cell responses. Modal analysis revealed characteristic dynamics of these pathways, suggesting that oscillatory tES may finely tune the vascular tone by modulating the stiffness and elasticity of blood vessel walls, possibly by also impacting endothelial glycocalyx function. The findings underscore the therapeutic potential vis-à-vis blood-brain barrier safety of tES in modulating neurovascular coupling and cognitive function needing the precise modulation of NVU dynamics. This technology review supports the human-in-the-loop integration of tES leveraging digital health technologies for the personalized management of cerebral blood flow, offering new avenues for treating vascular cognitive disorders. Future studies should aim to optimize tES parameters using computational modeling and validate these models in clinical settings, enhancing the understanding of tES in neurovascular health.

Abstract Homeostatic control of neuronal excitability by modulation of synaptic inhibition (I) and excitation (E) of the principal neurons is important during brain maturation. The fundamental features of in-utero brain developmental, including local synaptic E-I ratio and bioenergetics, can be modeled by cerebral organoids (CO) that have exhibited highly regular nested oscillatory network events. Therefore, we evaluated a ‘Phase Zero’ clinical study platform combining broadband Vis/near-infrared(NIR) spectroscopy and electrophysiology to study E-I ratio based on the spectral exponent of local field potentials and bioenergetics based on the activity of mitochondrial Cytochrome-C Oxidase (CCO). We found a significant effect of the age of the healthy controls iPSC CO from 23 days to 3 months on the CCO activity (χ 2 (2,N=10)=20,p=4.5400e-05), and spectral exponent between 30–50Hz (χ 2 (2,N=16)=13.88,p=0.001). Also, a significant effect of drugs, choline (CHO), idebenone (IDB), R-alpha-lipoic acid plus acetyl-L-carnitine (LCLA), was found on the CCO activity (χ 2 (3,N=10)=25.44,p = 1.2492e-05), spectral exponent between 1–20Hz (χ 2 (3,N=16)=43.5,p=1.9273e-09) and 30–50Hz (χ 2 (3,N=16)=23.47, p=3.2148e-05) in 34 days old CO from schizophrenia (SCZ) patients iPSC. We present a multidimensional approach combining electrophysiology and Vis-NIR spectroscopy to complement traditional drug design approaches that can advance the system towards a normative parameter space.

Abstract Despite substantial progress towards establishing virtual reality (VR) simulators as a replacement for physical ones for skill training, its effect on the brain network during skill acquisition has not been well addressed. In this study, we employed portable optical neuroimaging technology and Granger causality approach to uncover the impact of the two medical simulation technologies on the directed functional brain network of the subjects with two different skill levels. The mobile brain-behavior relantionship was evaluated using functional near-infrared spectroscopy (fNIRS) while right-handed subjects performed well-established fundamentals of laparoscopic surgery (FLS) pattern cutting task. A multiple regression path analysis found that the cognitive-action information flow from the right prefrontal cortex to the supplementary motor area statistically significantly predicted the FLS task performance. Here, the skill level (expert vs novice) affected the cognitive-action information flow from the right prefrontal cortex and the efference copy information flow from the left primary motor cortex via supplementary motor area as hub to the cognitive-perception at the left prefrontal cortex, i.e., the action-preception link. The simulation technology (physical vs VR simulator) affected solely the cognitive-action information flow from the right prefrontal cortex to the left primary motor cortex; however, the interaction between the medical simulation technology) and the skill level affected the efference information flow from the left primary motor cortex to the right prefrontal cortex and from the supplementary motor area to the left prefrontal cortex. These discriminative findings are crucial since our VR simulator had face and construct validity. Therefore, our study highlighted the importance of efference information flow within the framework of the perception-action cycle when comparing medical simulation technology for visuomotor skill acquisition.

The world population aged 60 years and older is expected to double between 2015 and 2050. Aging is associated with a decline in cognitive and motor performances which are a part of geriatric syndromes. Aging is also associated with the loss of cerebellar volume where the cerebellum has a considerable contribution in cognitive and motor functions. Therefore, cerebellar transcranial direct current stimulation (ctDCS) has been proposed to study and facilitate cerebellar function during aging. However, the one size fits all approach used for ctDCS can lead to variability in the cerebellar lobule-specific dosing due to age-related changes in the cerebellar structure. Therefore, we investigated lobular electric field (EF) distribution during healthy aging for age groups of 18 to 89 years where computational modeling was based on age-appropriate human brain magnetic resonance imaging (MRI) templates (http://jerlab.psych.sc.edu/NeurodevelopmentalMRIDatabase/). A fully automated open-source pipeline (Realistic vOlumetric-Approach to Simulate Transcranial Electric Stimulation ROAST) was used for the age-group specific EF modeling. Then, we extracted the EF distribution at the 28 cerebellar lobules based on a spatially unbiased atlas (SUIT) for the cerebellum. Our computational results showed that the EF strength increased significantly at certain important cerebellar lobules (e.g., Crus I and Crus II relevant for cognitive function) contralateral (contra) to the targeted (ipsi) cerebellar hemisphere at an older age that reduced the ctDCS specificity. Specifically, two-way ANOVA showed that the lobules as well as the age-group (and their interaction term) had a significant effect (p<0.01). Post-hoc multiple comparison tests at Alpha=0.01 using Bonferroni critical values showed that Right (Ipsi) Crus I, Right (Ipsi) Crus II, Right (Ipsi) VI, Vermis VIIb, Vermis VIIIa, Right (Ipsi) VIIb, Left (Contra) VIIIb, Left (Contra) IX, Right (Ipsi) VIIIa, Right (Ipsi) VIIIb, Vermis VIIIb, Right (Ipsi) IX, and Vermis IX, and the age-group 18, 18.5, 19, 20-24, 45-49, 50-54, 70-74, 75-79, 85-89 years experienced higher electric field strength (>0.11V/m). Since there is a dichotomy between the sensorimotor cerebellum and the cognitive cerebellum, therefore, subject-specific MRI based head modeling for lobule-specific dosage considerations will be necessary for clinical translation of ctDCS to address geriatric cerebellar syndromes.

The efficient management of irrigation is crucial for the sustainability and productivity of horticultural farms. Traditional methods of monitoring soil moisture and scheduling irrigation can be labor-intensive and imprecise. The advent of unmanned aerial vehicles (UAVs), commonly known as drones, has opened up new possibilities for precision agriculture. Drones equipped with remote sensing technologies can provide high-resolution spatial and temporal data on soil moisture variability across a farm. This data can be used to optimize irrigation scheduling, leading to water savings, improved crop yields, and reduced environmental impact. This article reviews the current state of drone technology for soil moisture monitoring and irrigation management in horticulture. It discusses the principles of drone-based remote sensing, the types of sensors used, and the data processing and interpretation techniques involved. Case studies of successful applications of drones for irrigation optimization in various horticultural crops are presented. The article also addresses the challenges and limitations of drone-based irrigation management, including regulatory issues, data accuracy and resolution, and the need for specialized expertise. Future directions for research and development in this field are explored. With ongoing advancements in drone technology and data analytics, drones are poised to become an indispensable tool for precision irrigation management in horticulture.

Objective: Cerebellar transcranial direct current stimulation (ctDCS) is challenging due to the complexity of the cerebellar structure. Therefore, our objective is to develop a freely available computational pipeline to perform cerebellar atlas-based electric field analysis using magnetic resonance imaging (MRI) guided subject-specific head modeling. Methods: We present a freely available computational pipeline to determine subject-specific lobular electric field distribution during ctDCS. The computational pipeline can isolate subject-specific cerebellar lobules based on a spatially unbiased atlas (SUIT) for the cerebellum, and then calculates the lobular electric field distribution during ctDCS. The computational pipeline was tested in a case study using a subject-specific head model as well as using a Colin 27 Average Brain. The 5cmx5cm anode was placed 3 cm lateral to inion, and the same sized cathode was placed on the contralateral supra-orbital area (called Manto montage) and buccinators muscle (called Celnik montage). A 4x1 HD-ctDCS electrode montage was also implemented for a comparison using analysis of variance (ANOVA). Results: Eta-squared effect size after three-way ANOVA for electric field strength was 0.05 for lobule, 0.00 for montage, 0.04 for head model, 0.01 for lobule*montage interaction, 0.01 for lobule* head model interaction, and 0.00 for montage*head model interaction in case of Enorm. Here, the electric field strength of both the Celnik and the Manto montages affected the lobules Crus II, VIIb, VIII, IX of the targeted cerebellar hemispheres while Manto montage had more bilateral effect. The HD-ctDCS montage primarily affected the lobules Crus I, Crus II, VIIb of the targeted cerebellar hemisphere. Our freely available computational modeling approach to analyze subject-specific lobular electric field distribution during ctDCS provided an insight into healthy human anodal ctDCS results.