Urodynamic studies, used to understand bladder function, diagnose bladder disease, and develop treatments for dysfunctions, are ideally performed with awake subjects. However, in animal models, especially cats (a common model of spinal cord injury and associated bladder pathology), anesthesia is often required for these procedures and can be a research confounder. This study compared the effects of select agents (dexmedetomidine, alfaxalone, propofol, isoflurane, and α-chloralose) on urodynamic (Δpressure, bladder capacity, bladder compliance, non-voiding contractions, bladder pressure slopes) and anesthetic (change in heart rate [ΔHR], average heart rate [HR], reflexes, induction/recovery times) parameters in repeated cystometrograms across five adult male cats. Δpressure was greatest with propofol, bladder capacity was highest with α-chloralose, non-voiding contractions were greatest with α-chloralose. Propofol and dexmedetomidine had the highest bladder pressure slopes during the initial and final portions of the cystometrograms respectively. Cats progressed to a deeper plane of anesthesia (lower HR, smaller ΔHR, decreased reflexes) under dexmedetomidine, compared to propofol and alfaxalone. Time to induction was shortest with propofol, and time to recovery was shortest with dexmedetomidine. These agent-specific differences in urodynamic and anesthetic parameters in cats will facilitate appropriate study-specific anesthetic choices.

Abstract Overactive bladder patients suffer from a frequent, uncontrollable urge to urinate, which can lead to a poor quality of life. We aim to improve open-loop sacral neuromodulation therapy by developing a conditional stimulation paradigm using neural recordings from dorsal root ganglia (DRG) as sensory feedback. Experiments were performed in 5 anesthetized felines. We implemented a Kalman filter-based algorithm to estimate the bladder pressure in real-time using sacral-level DRG neural recordings and initiated sacral root electrical stimulation when the algorithm detected an increase in bladder pressure. Closed-loop neuromodulation was performed during continuous cystometry and compared to bladder fills with continuous and no stimulation. Overall, closed-loop stimulation increased bladder capacity by 13.8% over no stimulation (p < 0.001) and reduced stimulation time versus continuous stimulation by 57.7%. High-confidence bladder single units had a reduced sensitivity during stimulation, with lower linear trendline fits and higher pressure thresholds for firing observed during stimulation trials. This study demonstrates the utility of decoding bladder pressure from neural activity for closed-loop control of sacral neuromodulation. An underlying mechanism for sacral neuromodulation may be a reduction in bladder sensory neuron activity during stimulation. Real-time validation during behavioral studies is necessary prior to clinical translation of closed-loop sacral neuromodulation.

Abstract Bioelectric medicine treatments target disorders of the nervous system unresponsive to pharmacological methods. While current stimulation paradigms effectively treat many disorders, the underlying mechanisms are relatively unknown, and current neuroscience recording electrodes are often limited in their specificity to gross averages across many neurons or axons. Here, we develop a novel, durable carbon fiber electrode array adaptable to many neural structures for precise neural recording. Carbon fibers were sharpened using a reproducible blowtorch method that uses the reflection of fibers against the surface of a water bath. The arrays were developed by partially embedding carbon fibers in medical-grade silicone to improve durability. We recorded acute spontaneous electrophysiology from the rat cervical vagus nerve (CVN), feline dorsal root ganglia (DRG), and rat brain. Blowtorching resulted in fibers of 72.3 ± 33.5 degree tip angle with 146.8 ± 17.7 μm exposed carbon. Silicone-embedded carbon fiber arrays were durable with 87.5% of fibers remaining after 50,000 passes. Observable neural clusters were recorded using sharpened carbon fiber electrodes from rat CVN (41.8 μV pp ), feline DRG (101.1 μV pp ), and rat brain (80.7 μV pp ). Recordings from the feline DRG included physiologically-relevant signals from increased bladder pressure and cutaneous brushing. These results suggest that this carbon fiber array is a uniquely durable and adaptable neural recording device. In the future, this device may be useful as a bioelectric medicine tool for diagnosis and closed-loop neural control of therapeutic treatments and monitoring systems.

Objective: We aim at characterising the encoding of bladder pressure (intravesical pressure) by a population of sensory fibres. This research is motivated by the possibility to restore bladder function in elderly patients or after spinal cord injury using implanted devices, so called bioelectronic medicines. For these devices, nerve-based estimation of intravesical pressure can enable a personalized and on-demand stimulation paradigm, which will be more effective and efficient. In this context, a better understanding of the encoding strategies employed by the body might in the future be exploited by informed decoding algorithms that enable a precise and robust bladder-pressure estimation. Approach: To this end, we apply information theory to microelectrode-array recordings from the cat sacral dorsal root ganglion while filling the bladder, conduct surrogate data studies to augment the data we have, and finally decode pressure in a simple informed approach. Main results: We find an encoding scheme by different main bladder neuron types that we divide into three response types (slow tonic, phasic, and derivative fibres). We show that an encoding by different bladder neuron types, each represented by multiple cells, offers reliability through within-type redundancy and high information rates through near-independence of different types. Our subsequent decoding study shows a potentially more robust decoding from mean responses of homogeneous cell pools. Significance: We have here, for the first time, analysed the encoding of intravesical pressure by a population of sensory neurons in a principled way using information theory. We show that even a simple adapted decoder can exploit the redundancy in the population to be more robust against cell loss. This work thus paves the way towards principled encoding studies in the periphery and towards a new generation of informed peripheral nerve decoders for bioelectronic medicines.### Competing Interest StatementThe authors have declared no competing interest.

Overactive bladder patients suffer from a frequent and uncontrollable urge to urinate, which can lead to a poor quality of life. Current sacral neuromodulation therapy uses open-loop electrical stimulation to alleviate symptoms, which limits battery life and can lead to neural habituation. In this study, we aim to improve therapy by developing a conditional stimulation paradigm using neural recordings from dorsal root ganglia (DRG) as sensory feedback. Experiments were performed in 5 non-survival, anesthetized felines, in which the sacral-level DRG and spinal roots were exposed bilaterally. A bipolar cuff electrode was placed on a S1 root distal to the DRG for stimulation. Microelectrode arrays were implanted in the same or opposite S1 and/or S2 DRG. We implemented a Kalman filter-based algorithm to estimate the bladder pressure in real-time using DRG neural recordings. The Medtronic Summit Research Development Kit was used to control sacral root stimulation when the algorithm detected an increase in bladder pressure. Closed-loop neuromodulation was performed during continuous cystometry and compared to bladder fills with continuous and no stimulation. Overall, closed-loop stimulation with DRG sensory feedback increased bladder capacity by 13.8% over no stimulation (p