High-resolution neural interfaces are essential tools for studying and modulating neural circuits underlying brain function and disease. Because electrodes are miniaturized to achieve higher spatial resolution and channel count, maintaining low impedance and high signal quality becomes a significant challenge. Nanostructured materials can address this challenge because they combine high electrical conductivity with mechanical flexibility and can interact with biological systems on a molecular scale. Unfortunately, fabricating high-resolution neural interfaces from nanostructured materials is typically expensive and time-consuming and does not scale, which precludes translation beyond the benchtop. Two-dimensional (2D) Ti3C2 MXene possesses a combination of remarkably high volumetric capacitance, electrical conductivity, surface functionality, and processability in aqueous dispersions distinct among carbon-based nanomaterials. Here, we present a high-throughput microfabrication process for constructing Ti3C2 neuroelectronic devices and demonstrate their superior impedance and in vivo neural recording performance in comparison with standard metal microelectrodes. Specifically, when compared to gold microelectrodes of the same size, Ti3C2 electrodes exhibit a 4-fold reduction in interface impedance. Furthermore, intraoperative in vivo recordings from the brains of anesthetized rats at multiple spatial and temporal scales demonstrate that Ti3C2 electrodes exhibit lower baseline noise, higher signal-to-noise ratio, and reduced susceptibility to 60 Hz interference than gold electrodes. Finally, in neuronal biocompatibility studies, neurons cultured on Ti3C2 are as viable as those in control cultures, and they can adhere, grow axonal processes, and form functional networks. Overall, our results indicate that Ti3C2 MXene microelectrodes have the potential to become a powerful platform technology for high-resolution biological interfaces.

Abstract Approximately 20 million Americans currently experience residual deficits from traumatic peripheral nerve injury. Despite recent advancements in surgical technique, peripheral nerve repair typically results in poor functional outcomes due to prolonged periods of denervation resulting from long regenerative distances coupled with relatively slow rates of axonal regeneration. Development of novel surgical solutions requires valid preclinical models that adequately replicate the key challenges of clinical peripheral nerve injury. Our team has developed a porcine model using Yucatan minipigs that provides an opportunity to investigate peripheral nerve regeneration using different nerves tailored for a specific mechanism of interest, such as (1) nerve modality: motor, sensory, and mixed-modality; (2) injury length: short versus long gap; and (3) total regenerative distance: proximal versus distal injury. Here, we describe a comprehensive porcine model of two challenging clinically relevant procedures for repair of long segmental lesions (≥ 5 cm) – the deep peroneal nerve repaired using a sural nerve autograft and the common peroneal nerve repaired using a saphenous nerve autograft – each featuring ultra-long total regenerative distances (up to 20 cm and 27 cm, respectively) to reach distal targets. This paper includes a detailed characterization of the relevant anatomy, surgical approach/technique, functional/electrophysiological outcomes, and nerve morphometry for baseline and autograft repaired nerves. These porcine models of major peripheral nerve injury are suitable as preclinical, translatable models for evaluating the efficacy, safety, and tolerability of next-generation artificial nerve grafts prior to clinical deployment.

ABSTRACT Mild traumatic brain injury (mTBI) affects millions of individuals annually primarily through falls, traffic collisions, or blunt trauma and can generate symptoms that persist for years. Closed-head rotational injury is the most common form of mTBI and is defined by a rapid change in acceleration within an intact skull. Injury kinematics – the mechanical descriptors of injury-inducing motion – explain movement of the head, energy transfer to the brain, and, therefore, determine injury severity. However, the relationship between closed-head rotational injury kinematics – such as angular velocity, angular acceleration, and injury duration – and outcome after mTBI is currently unknown. To address this gap in knowledge, we analyzed archived surgical records of 24 swine experiencing a diffuse closed-head rotational acceleration mTBI against 12 sham animals. Kinematics were contrasted against acute recovery outcomes, specifically apnea, extubation time, standing time, and recovery duration. Compared to controls, animals with mTBI were far more likely to have apnea (p<0.001) along with shorter time to extubation (p=0.023), and longer time from extubation to recovery (p=0.006). Using regression analyses with variable selection, we generated simplified linear models relating kinematics to apnea (R 2 =0.27), standing time (R 2 =0.39) and recovery duration (R 2 =0.42). Neuropathology was correlated with multiple kinematics, with maximum acceleration exhibiting the strongest correlation (R 2 =0.66). Together, these data suggest the interplay between multiple injury kinematics, including minimum velocity and middle to minimum acceleration time, best explain acute recovery parameters and neuropathology after mTBI in swine. Future experiments that independently manipulate individual kinematics could be instrumental in developing translational diagnostics for clinical mTBI. HIGHLIGHTS Acute recovery parameters including apnea, extubation time, and recovery duration were altered after a single closed-head mTBI in swine. Lasso-based regressions utilized kinematic parameters, including minimum velocity and middle to minimum acceleration time, to relate kinematics to apnea time, standing time, and recovery duration. Lasso regression equations were able to modestly predict apnea time (R 2 =0.27) and moderately predict standing time (R 2 =0.39) and recovery duration (R 2 =0.42). Injury kinematic parameters, primarily maximum acceleration, were correlated with white matter pathology after mTBI.

Abstract Over 2.8 million people experience mild traumatic brain injury (TBI) in the United States each year, which may lead to long-term neurological dysfunction. The mechanical forces that occur due to TBI propagate through the brain to produce diffuse axonal injury (DAI) and trigger secondary neuroinflammatory cascades. The cascades may persist from acute to chronic time points after injury, altering the homeostasis of the brain. However, the relationship between the hallmark axonal pathology of diffuse TBI and potential changes in glial cell activation or morphology have not been established in a clinically relevant large animal model at chronic time points. In this study, we assessed tissue from pigs subjected to rapid head rotation in the coronal plane to generate mild TBI. Neuropathological assessments for axonal pathology, microglial morphological changes, and astrocyte reactivity were conducted in specimens out to 1 year post injury. We detected an increase in overall amyloid precursor protein pathology, as well as periventricular white matter and fimbria/fornix pathology after a single mild TBI. We did not detect changes in corpus callosum integrity or astrocyte reactivity. However, detailed microglial skeletal analysis revealed changes in morphology, most notably increases in the number of microglial branches, junctions, and endpoints. These subtle changes were most evident in periventricular white matter and certain hippocampal subfields, and were observed out to 1 year post injury in some cases. These ongoing morphological alterations suggest persistent change in neuroimmune homeostasis. Additional studies are needed to characterize the underlying molecular and neurophysiological alterations, as well as potential contributions to neurological deficits.

Abstract Peripheral nerve injury (PNI) impacts millions annually, often leaving debilitated patients with minimal repair options to improve functional recovery. Our group has previously developed tissue engineered nerve grafts (TENGs) featuring long, aligned axonal tracts from dorsal root ganglia (DRG) neurons that are fabricated in custom bioreactors using the process of axon “stretch-growth”. We have shown that TENGs effectively serve as “living scaffolds” to promote regeneration across segmental nerve defects by exploiting the newfound mechanism of axon-facilitated axon regeneration, or “AFAR”, by simultaneously providing haptic and neurotrophic support. To extend this work, the current study investigated the efficacy of living versus non-living regenerative scaffolds in preserving host sensory and motor neuronal health following nerve repair. Rats were assigned across five groups: naïve, or repair using autograft, nerve guidance tube (NGT) with collagen, NGT + non-aligned DRG populations in collagen, or TENGs. We found that TENG repairs yielded equivalent regenerative capacity as autograft repairs based on preserved health of host spinal cord motor neurons and acute axonal regeneration, whereas NGT repairs or DRG neurons within an NGT exhibited reduced motor neuron preservation and diminished regenerative capacity. These acute regenerative benefits ultimately resulted in enhanced levels of functional recovery in animals receiving TENGs, at levels matching those attained by autografts. Our findings indicate that TENGs may preserve host spinal cord motor neuron health and regenerative capacity without sacrificing an otherwise uninjured nerve (as in the case of the autograft), and therefore represent a promising alternative strategy for neurosurgical repair following PNI. HIGHLIGHTS TENGs preserve host spinal cord motor neuron health and regenerative capacity acutely following repair of segmental nerve defects, matching that of the clinical gold-standard autograft and exceeding commercially-available nerve guidance tubes. TENGs facilitated regeneration across segmental nerve defects, yielding similar degree of chronically surviving host spinal motor neurons and functional recovery as compared to autografts. Early surgical intervention for segmental nerve defect with living scaffolds, such as TENGs and autografts, preserves the host regenerative capacity, and likely increases the ceiling for total regeneration and functional recovery at chronic time points compared to (acellular) commercially-available nerve guidance tubes. TENGs preserve host neuronal health and regenerative capacity without sacrificing an otherwise uninjured nerve, and therefore represent a promising alternative strategy to autografts or nerve guidance tube repairs.

Over the past decade, boldine, a naturally occurring alkaloid found in several plant species including the Chilean Boldo tree, has garnered attention for its efficacy in rodent models of human disease. Some of the properties that have been attributed to boldine include antioxidant activities, neuroprotective and analgesic actions, hepatoprotective effects, anti-inflammatory actions, cardioprotective effects and anticancer potential. Compelling data now indicates that boldine blocks connexin (Cx) hemichannels (HCs) and that many if not all of its effects in rodent models of injury and disease are due to CxHC blockade. Here we provide an overview of boldine’s pharmacological properties, including its efficacy in rodent models of common human injuries and diseases, and of its absorption, distribution, pharmacokinetics, and metabolism.

Decoding laminar information across deep brain structures and cortical regions is necessary in order to understand the neuronal ensembles that represent cognition and memory. Large animal models are essential for translational research due to their gyrencephalic neuroanatomy and significant white matter composition. A lack of long-length probes with appropriate stiffness to penetrate to deeper structures with minimal damage to the neural interface is one of the major technical limitations to applying the approaches currently utilized in lower order animals to large animals. We therefore tested the performance of multichannel silicon probes of various solutions and designs that were developed specifically for large animal electrophysiology. Neurophysiological signals from dorsal hippocampus were recorded in chronically implanted awake behaving Yucatan pigs. Single units and local field potentials were analyzed to evaluate performance of given silicon probes over time. EDGE-style probes had the highest yields during intra-hippocampal recordings in pigs, making them the most suitable for chronic implantations and awake behavioral experimentation. In addition, the cross-sectional area of silicon probes was found to be a crucial determinant of silicon probe performance over time, potentially due to reduction of damage to the neural interface. Novel 64-channel EDGE-style probes tested acutely produced an optimal single unit separation and a denser sampling of the laminar structure, identifying these research silicon probes as potential candidates for chronic implantations. This study provides an analysis of multichannel silicon probes designed for large animal electrophysiology of deep laminar brain structures, and suggests that current designs are reaching the physical thresholds necessary for long-term (~ 1 month) recordings with single-unit resolution.

Mild traumatic brain injury (mTBI) or concussion is a substantial health problem globally, with up to 15% of patients experiencing persisting symptoms that can significantly impact quality of life. Currently, the diagnosis of mTBI relies on clinical presentation with ancillary neuroimaging to exclude more severe forms of injury. However, identifying patients at risk for a poor outcome or protracted recovery is challenging, in part due to the lack of early objective tests that reflect the relevant underlying pathology. While the pathophysiology of mTBI is poorly understood, axonal damage caused by rotational forces is now recognized as an important consequence of injury. Moreover, serum measurement of the neurofilament light (NfL) protein has emerged as a potentially promising biomarker of injury. Understanding the pathological processes that determine serum NfL dynamics over time, and the ability of NfL to reflect underlying pathology will be critical for future clinical research aimed at reducing the burden of disability after mild TBI. Using a gyrencephalic model of head rotational acceleration scaled to human concussion, we demonstrate significant elevations in serum NfL, with a peak at 3 days post-injury. Moreover, increased serum NfL was detectable out to 2 weeks post-injury, with some evidence it follows a biphasic course. Subsequent quantitative histological examinations demonstrate that axonal pathology, including in the absence of neuronal somatic degeneration, was the likely source of elevated serum NfL. However, the extent of axonal pathology quantified via multiple markers did not correlate strongly with the extent of serum NfL. Interestingly, the extent of blood–brain barrier (BBB) permeability offered more robust correlations with serum NfL measured at multiple time points, suggesting BBB disruption is an important determinant of serum biomarker dynamics after mTBI. These data provide novel insights to the temporal course and pathological basis of serum NfL measurements that inform its utility as a biomarker in mTBI.

Monocyte-derived macrophages orchestrate tissue regeneration by homing to sites of injury, phagocytosing pathological debris, and stimulating other cell types to repair the tissue. Accordingly, monocytes have been investigated as a translational and potent source for cell therapy, but their utility has been hampered by their rapid acquisition of a pro-inflammatory phenotype in response to the inflammatory injury microenvironment. To overcome this problem, we designed a cell therapy strategy where we collect and exogenously reprogram monocytes by intracellularly loading the cells with biodegradable microparticles containing an anti-inflammatory drug in order to modulate and maintain an anti-inflammatory phenotype over time. To test this concept, poly(lactic-co-glycolic) acid microparticles were loaded with the anti-inflammatory drug dexamethasone (Dex) and administered to primary human monocytes for four hours to facilitate phagocytic uptake. After removal of non-phagocytosed microparticles, microparticle-loaded monocytes differentiated into macrophages and stored the microparticles intracellularly for several weeks in vitro, releasing drug into the extracellular environment over time. Cells loaded with intracellular Dex microparticles showed decreased expression and secretion of inflammatory factors even in the presence of pro-inflammatory stimuli up to 7 days after microparticle uptake compared to untreated cells or cells loaded with blank microparticles. This study represents a new strategy for long-term maintenance of anti-inflammatory macrophage phenotype using a translational monocyte-based cell therapy strategy without the use of genetic modification. Because of the ubiquitous nature of monocyte-derived macrophage involvement in pathology and regeneration, this strategy holds potential as a treatment for a vast number of diseases and disorders.