Abstract Fast volumetric imaging is essential for understanding the function of excitable tissues such as those found in the brain and heart. Measuring cardiac voltage transients in tissue volumes with spatial and temporal resolutions needed to give insight to cardiac function has so far been impossible. We introduce a new imaging modality based on simultaneous illumination of multiple planes in the tissue and parallel detection with multiple cameras, avoiding compromises inherent in any scanning approach. The system enables imaging of voltage transients in-situ, allowing us, for the first time, to map voltage activity in the whole heart volume at KHz rates. The unprecedented spatio-temporal resolution of our method enabled the observation of novel dynamics of electrical propagation through the zebrafish atrioventricular canal.

Abstract The development of new approaches to control cardiac arrhythmias requires a deep understanding of spiral wave dynamics. Optogenetics offers new possibilities for this. Preliminary experiments show that sub-threshold illumination affects electrical wave propagation in the mouse heart. However, a systematic exploration of these effects is technically challenging. Here, we use state-of-the-art computer models to study the dynamic control of spiral waves in a two-dimensional model of the adult mouse ventricle, using stationary and non-stationary patterns of sub-threshold illumination. Our results indicate a light intensity-dependent increase in cellular resting membrane potentials, which together with diffusive cell-cell coupling leads to the development of spatial voltage gradients over differently illuminated areas. A spiral wave drifts along the positive gradient. These gradients can be strategically applied to ensure drift-induced termination of a spiral wave, both in optogenetics and in conventional methods of electrical defibrillation.

ABSTRACT Coupled electro-mechanical waves define heart’s function in health and disease. Genetic abnormalities, drug-triggered or acquired pathologies can disrupt and uncouple these waves with potentially lethal consequences. Optical mapping of electrical waves using fluorescent dyes or genetically-encoded sensors in human induced pluripotent stem cell derived cardiomyocytes (iPSC-CMs) offers mechanistic insights into cardiac conduction abnormalities. Interferometric dye-free/label-free wave mapping (without specific sensors) presents an alternative, likely capturing the mechanical aspects of cardiac conduction. Because of its non-invasive nature and spectral flexibility (not restricted to a specific excitation wavelength), it is an attractive chronic imaging tool in iPSC-CMs, as part of all-optical high-throughput platforms. In this study, we developed simultaneous widefield voltage and interferometric dye-free optical imaging methodology that was used: 1) to validate dye-free optical mapping for quantification of cardiac wave properties in human iPSC-CMs; 2) to demonstrate low-cost optical mapping of electromechanical waves in hiPSC-CMs using recent near-infrared (NIR) voltage sensors and orders of magnitude cheaper miniature CMOS cameras; 3) to uncover previously underexplored frequency- and space-varying parameters of cardiac electromechanical waves in hiPSC-CMs. We find similarity in the frequency-dependent responses of electrical (NIR fluorescence imaged) and mechanical (dye-free imaged) waves, with the latter being more sensitive to faster rates and showing steeper restitution and earlier appearance of wave-front tortuosity. During regular pacing, the dye-free imaged conduction velocity and the electrical wave velocity are correlated; both modalities being sensitive to pharmacological uncoupling and both dependent on gap-junctional protein (connexins) determinants of wave propagation. We uncover strong frequency-dependence of the electromechanical delay (EMD) locally and globally in hiPSC-CMs on a rigid substrate. The presented framework and results offer new means to track the functional responses of hiPSC-CM inexpensively and non-invasively for counteracting heart disease and aiding cardiotoxicity testing and drug development.

Alterations in autonomic function are known to occur in cardiac conditions including sudden cardiac death. Cardiac stimulation via sympathetic neurons can potentially trigger arrhythmias. Dissecting direct neural-cardiac interactions at the cellular level is technically challenging and understudied due to the lack of experimental model systems and methodologies. Here we demonstrate the utility of optical interrogation of sympathetic neurons and their effects on macroscopic cardiac monolayer dynamics to address research targets such as the effects of adrenergic stimulation via the release of neurotransmitters, the effect of neuronal numbers on cardiac wave behaviour and the applicability of optogenetics in mechanistic in vitro studies. We combine photo-uncaging or optogenetic neural stimulation with imaging of cardiac monolayers to measure electrical activity in an automated fashion, illustrating the power and high throughput capability of such interrogations. The methods described highlight the challenges and benefits of co-cultures as experimental model systems.

We introduce a solid state high throughput screening (ssHTS) imaging modality that uses a novel Newtonian telescope design to image multiple spatially separated samples without moving parts or robotics. Conventional high-throughput imaging modalities either require movement of the sample to the focal plane of the imaging system or movement of the imaging system itself or use a wide-field approach to capture several samples in one frame. Schemes which move the sample or the imaging system can be mechanically complex and are inherently slow, while wide-field imaging systems have poor light collection efficiency and resolution compared to systems that image a single sample at a given time point. Our proposed ssHTS system uses a large parabolic reflector and an imaging lenses positioned at their focal distances above each sample. A fast LED array sequentially illuminate samples to generate images that are captured with a single camera placed at the focal point of the reflector. This optical configuration allows each sample to completely fill a sensors field of view. Since each LED illuminates a single sample and LED switch times are very fast, images from spatially separated samples can be captured at rates limited only by the camera's frame rate. The system is demonstrated by imaging cardiac monolayer and Caenorhabditis elegans (C. elegans) preparations.

We apply a novel microscope architecture, the Exeter Multiscope, to the problem of acquiring image data in rapid succession from nine wells of a 96 well plate. We demonstrate that the new microscope can detect contraction in cardiomyocyte monolayers which have been plated into these wells. Each well is sampled using 500 x 500 pixels across a 1.4 x 1.4 mm field of view, acquired in three colours at 3.7 Hz per well. The use of multiple illumination wavelengths provides post-hoc focus selection, further increasing the level of automation. The performance of the Exeter Multiscope is benchmarked against industry standard methods using a commercial microscope with a motorised stage and demonstrates that the Multiscope can acquire data almost 40 times faster. The data from both Multiscope and the commercial systems are processed by a 'pixel variance' algorithm that uses information from the pixel value variability over time to determine the timing and amplitude of tissue contraction. This algorithm is also benchmarked against an existing algorithm that employs an absolute difference measure of tissue contraction.