Abstract We propose a low-invasive method to enable implantable, large volume Raman spectroscopy in arbitrarily deep brain regions of the mouse brain. Using a single tapered fiber as thin as 1 μm at the tip, we identified diagnostic markers of brain metastasis - the most frequent brain tumor in human adults - with overall accuracy ≥ 90%. We view our approach as a promising complement to the existing palette of tools for optical interrogation of the brain.

The continuous exchange between the neuroscience and neuroengineering communities that took place over the past decades has uncovered a multitude of technological solutions to interface with the brain. In this framework, a fascinating approach relies on the integration of multiple activation and monitoring capabilities in the same implantable neural probe to better study the multifaceted nature of neural signaling and related functions in the deep brain regions. We highlight current challenges and perspectives on technological developments that could potentially enable the integration of multiple functionalities on optical fiber-based non-planar implantable neurophotonics probes.

Techniques to monitor functional fluorescence signal from the brain are increasingly popular in the neuroscience community. However, most implementations are based on flat cleaved optical fibers (FFs) that can only interface with shallow tissue volumes adjacent to the fiber opening. To circumvent this limitation, we exploit modal properties of tapered optical fibers (TFs) to structure light collection over the wide optically active area of the fiber taper, providing an approach to efficiently and selectively collect light from the region(s) of interest. While being less invasive than FFs, TF probes can uniformly collect light over up to 2 mm of tissue and allow for multisite photometry along the taper. Furthermore, by micro-structuring the non-planar surface of the fiber taper, collection volumes from TFs can also be engineered arbitrarily in both shape and size. Owing to the abilities offered by these probes, we envision that TFs can set a novel, powerful paradigm in optically targeting not only the deep brain, but, more in general, any biological system or organ where light collection from the deep tissues is beneficial but challenging because of tissue scattering and absorption.

ABSTRACT Tapered optical fibers (TFs) were recently employed for depth-resolved monitoring of functional fluorescence in sub-cortical brain structures, enabling light collection from groups of a few cells through small optical windows located on the taper edge [1]. Here we present a numerical model to estimate light collection properties of microstructured TFs implanted in scattering brain tissue. Ray tracing coupled with Henyey-Greenstein scattering model enables the estimation of both light collection and fluorescence excitation fields in three dimensions, whose combination is employed to retrieve the volume of tissue probed by the device.

ABSTRACT Fiber photometry is widely used in neuroscience labs for in vivo detection of functional fluorescence from optical indicators of neuronal activity with a simple optical fiber. The fiber is commonly placed next to the region of interest to both excite and collect the fluorescence signal. However, the path of both excitation and fluorescence photons is altered by the uneven optical properties of the brain, due to local variation of the refractive index, different cellular types, densities and shapes. Nonetheless, the effect of the local anatomy on the actual shape and extent of the volume of tissue that interfaces with the fiber has received little attention so far. To fill this gap, we measured the size and shape of fiber photometry efficiency field in the primary motor and somatosensory cortex, in the hippocampus and in the striatum of the mouse brain, highlighting how their substructures determine the detected signal and the depth at which photons can be mined. Importantly, we show that the information on the spatial expression of the fluorescent probes alone is not sufficient to account for the contribution of local subregions to the overall collected signal, and it must be combined with the optical properties of the tissue adjacent to the fiber tip.

The use of wavefront shaping has found extensive application to develop ultra-thin endoscopic techniques based on multimode optical fibers (MMF), leveraging on the ability to control modal interference at the fiber’s distal end. Although several techniques have been developed to achieve MMF-based laser-scanning imaging, the use of short laser pulses is still a challenging application. This is due to the intrinsic delay and temporal broadening introduced by the fiber itself, which requires additional compensation optics on the reference beam during the calibration procedure. Here we combine the use of a supercontinuum laser and an internal reference-based wavefront shaping system to produce focused spot scanning in multiple planes at the output of a step-index multimode fiber, without the requirement of a delay line or pulse pre-compensation. We benchmarked the performances of internal vs external reference during calibration, finding that the use of an internal reference grants better focusing efficiency. The system was characterized at different wavelengths, showcasing the wavelength resiliency of the different parameters. Lastly, the scanning of focal planes beyond the fiber facet was achieved by exploiting the chromato-axial memory effect.