Abstract Transcranial alternating current stimulation (tACS) can influence human perception and behavior, with recent evidence also suggesting its potential impact in clinical settings, but the underlying mechanisms are poorly understood. Behavioral and indirect physiological evidence indicates that phase-dependent constructive and destructive interference between the tACS electric field and ongoing brain oscillations may play an important role, but direct in-vivo validation was infeasible because stimulation artifacts impeded such assessment. Using stimulation artifact source separation (SASS), a real-time compatible artifact suppression approach, we overcame this limitation and provide direct evidence for millisecond-by-millisecond phase-dependent enhancement and suppression of ongoing brain oscillations during amplitude-modulated tACS (AM-tACS) across 29 healthy human volunteers. We found that AM-tACS enhanced and suppressed targeted brain oscillations by 11.7 ± 5.14% and 10.1 ± 4.07% respectively. Millisecond-precise modulation of oscillations predicted modulation of behavior (r = 0.65, p < 0.001). These results not only provide direct evidence for constructive and destructive interference as a key mechanism of AM-tACS but suggest superiority of phase-locked (closed-loop) AM-tACS over conventional (open-loop) AM-tACS to purposefully enhance or suppress brain oscillations. Significance The presented data provide direct evidence for a key mechanism underlying neurophysiological and behavioral effects of transcranial alternating current stimulation (tACS), a broadly used neuromodulation approach that yields promising clinical results but also raised controversies because of its variable effects. Our findings not only elucidate the underlying mechanisms of tACS, but also provide the rationale for closed-loop tACS protocols that will enable targeted enhancement and suppression of brain oscillations related to various brain functions such perception, memory or cognition. Towards this end, we introduce the technical prerequisites to establish millisecond-to-millisecond precise closed-loop tACS protocols that will be important to advance tACS as a neuroscientific and clinical tool, for example in the treatment of neuropsychiatric disorders.

ABSTRACT Phagocytosis of Mycobacterium tuberculosis (Mtb) aggregates, rather than similar numbers of single bacilli, induces host macrophage death and favors bacterial growth. Here, we examined whether aggregation contributes to enhanced Mtb pathogenicity in vivo in rabbit lungs. Rabbits were exposed to infectious aerosols containing mainly Mtb-aggregates (Mtb-AG) or Mtb-single cells (Mtb-SC). The lung bacterial load, histology, and immune cell composition were investigated over time. Genome-wide transcriptome analysis, cellular and tissue-level assays, and immunofluorescent imaging were performed on lung tissue to define and compare differential immune activation and pathogenesis between Mtb-AG and Mtb-SC infection. Lung bacillary loads, disease scores, lesion size, and structure were significantly higher in Mtb-AG than in Mtb-SC infected animals. A differential immune cell distribution and activation were noted in the lungs and spleen of the two groups of infected animals. Mtb-AG infected animals also showed early induction of inflammatory network genes associated with necrosis and reduced host cell viability. Consistently, larger lung granulomas with clumped Mtb, extensive necrotic foci, and elevated matrix metalloproteases expression were observed in Mtb-AG infected rabbits. Our findings suggest that bacillary aggregation increases Mtb fitness for improved growth and accelerated lung inflammation and cell death, thereby exacerbating disease pathology in the lungs.