Open-top light-sheet (OTLS) microscopy offers rapid 3D imaging of large optically cleared specimens. This enables nondestructive 3D pathology, which provides key advantages over conventional slide-based histology including comprehensive sampling without tissue sectioning/destruction and visualization of diagnostically important 3D structures. With 3D pathology, clinical specimens are often labeled with small-molecule stains that broadly target nucleic acids and proteins, mimicking conventional hematoxylin and eosin (H&E) dyes. Tight optical sectioning helps to minimize out-of-focus fluorescence for high-contrast imaging in these densely labeled tissues but has been challenging to achieve in OTLS systems due to trade-offs between optical sectioning and field of view. Here we present an OTLS microscope with voice-coil-based axial sweeping to circumvent this trade-off, achieving 2 µm axial resolution over a 750 × 375 µm field of view. We implement our design in a non-orthogonal dual-objective (NODO) architecture, which enables a 10-mm working distance with minimal sensitivity to refractive index mismatches, for high-contrast 3D imaging of clinical specimens.

Low-intensity ultrasound is an emerging modality for neuromodulation. Yet, piezo-based transducers offer poor spatial confinement of excitation volume, often bigger than a few millimeters in diameter. In addition, the bulky size limits their implementation in a wearable setting and prevents integration with other experimental modalities. Here, we report spatially confined optoacoustic neural stimulation through a novel miniaturized Fiber-Optoacoustic Converter (FOC). The FOC has a diameter of 600 μm and generates omnidirectional ultrasound wave locally at the fiber tip through the optoacoustic effect. We show that the optoacoustic wave can directly activate individual cultured neurons and generate intracellular Ca2+ transients. The FOC activates neurons within a radius of 500 μm around the fiber tip, delivering superior spatial resolution over conventional piezo-based low-frequency transducers. Combining FOC with electrophysiology, direct and spatially confined neural stimulation of mouse brain is achieved in vivo.

High-quality optical sectioning is required for volumetric imaging of densely labeled clinical tissues. We describe an optimized open-top light-sheet (OTLS) microscope with axially swept illumination to provide improved optical sectioning over large fields of view.

Abstract Microwaves, with wavelengths on the order of millimeters, have centimeter-scale penetration depth and have been shown to reversibly inhibit neuronal activity. Yet, microwaves alone do not provide sufficient spatial precision to modulate target neurons without affecting surrounding tissues. Here, we report an implantable split-ring resonator (SRR) that generates a localized and enhanced microwave field at the gap site with submillimeter spatial precision. The SRR breaks the microwave diffraction limit and greatly enhances the efficiency of microwave inhibition. With the SRR, microwaves at dosages below the safe exposure limit are shown to inhibit neurons within 1 mm from the gap site. Application of the microwave SRR to suppress seizures in an in vivo model of epilepsy is demonstrated.

Abstract Highly precise neuromodulation with a high efficacy poses great importance in neuroscience. Here, we developed a candle soot fiber optoacoustic emitter (CSFOE), capable of generating a high pressure of over 10 MPa, enabling highly efficient neuromodulation in vitro. The design of the fiber optoacoustic emitter, including the choice of the material and the thickness of the layered structure, was optimized in both simulations and experiments. The optoacoustic conversion efficiency of the optimized CSFOE was found to be ten times higher than the other carbon-based fiber optoacoustic emitters. Driven by a single laser, the CSFOE can perform dual-site optoacoustic activation of neurons, confirmed by calcium (Ca) imaging. Our work opens potential avenues for more complex and programmed control in neural circuits using a simple design for multisite neuromodulation in vivo.

By optically sensing the mid-infrared absorption induced photothermal effect, midinfrared photothermal (MIP) microscope enables super-resolution IR imaging and scrutinizing of biological systems in an aqueous environment. However, the speed of current lock-in based sample-scanning MIP system is limited to 1.0 millisecond or longer per pixel, which is insufficient for capturing dynamics inside living systems. Here, we report a single pulse laserscanning MIP microscope that dramatically increases the imaging speed by three orders of magnitude. We harness a lock-in free demodulation scheme which uses high-speed digitization to resolve single IR pulse induced contrast at nanosecond time scale. To realize single pulse photothermal detection at each pixel, we employ two sets of galvo mirrors for synchronized scanning of mid-infrared and probe beams to achieve an imaging line rate over 2 kHz. With video-rate imaging capability, we observed two types of distinct dynamics of lipids in living cells. Furthermore, by hyperspectral imaging, we chemically dissected a single cell wall at nanometer scale. Finally, with a uniform field of view over 200 by 200 μm 2 and 2 Hz frame rate, we mapped fat storage in free-moving C. elegans and live embryos.