Abstract Ischemic stroke is a neurological condition that results in significant mortality and long-term disability for adults, creating huge health burdens worldwide. For stroke patients, acute intervention offers the most critical therapeutic opportunity as it can reduce irreversible tissue injury and improve functional outcomes. However, currently available treatments within the acute window are highly limited. Although emerging neuromodulation therapies have been tested for chronic stroke patients, acute stimulation is rarely studied due to the risk of causing adverse effects related to ischemia-induced electrical instability. To address this gap, we combined electrophysiology and histology tools to investigate the effects of acute electrical stimulation on ischemic neural damage in non-human primates. Specifically, we induced photothrombotic lesions in the monkey sensorimotor cortex while collecting electrocorticography (ECoG) signals through a customized neural interface. Gamma activity in ECoG was used as an electrophysiological marker to track the effects of stimulation on neural activation. Meanwhile, histological analysis including Nissl, cFos, and microglial staining was performed to evaluate the tissue response to ischemic injury. Comparing stimulated monkeys to controls, we found that theta-burst stimulation administered directly adjacent to the ischemic infarct at 1 hour post-stroke briefly inhibits peri-infarct neuronal activation as reflected by decreased ECoG gamma power and cFos expression. Meanwhile, lower microglial activation and smaller lesion volumes were observed in animals receiving post-stroke stimulation. Together, these results suggest that acute electrical stimulation can be used safely and effectively as an early stroke intervention to reduce excitotoxicity and inflammation, thus mitigating neural damage and enhancing stroke outcomes.

Abstract Objective Non-human primates (NHPs) are critical for development of translational neural technologies because of their neurological and neuroanatomical similarities to humans. Large-scale neural interfaces in NHPs with multiple modalities for stimulation and data collection poise us to unveil network-scale dynamics of both healthy and unhealthy neural systems. We aim to develop a large-scale multi-modal interface for NHPs for the purpose of studying large-scale neural phenomena including neural disease, damage, and recovery. Approach We present a multi-modal artificial dura (MMAD) composed of flexible conductive traces printed into transparent medical grade polymer. Our MMAD provides simultaneous neurophysiological recordings and optical access to large areas of the cortex (~3 cm 2 ) and is designed to mitigate photo-induced electrical artifacts. The MMAD is the centerpiece of the interfaces we have designed to support electrocorticographic recording and stimulation, cortical imaging, and optogenetic experiments, all at the large-scales afforded by the brains of NHPs. We performed electrical and optical experiments bench-side and in vivo with macaques to validate the utility of our MMAD. Main results Using our MMAD we present large-scale electrocorticography from sensorimotor cortex of three macaques. Furthermore, we validated surface electrical stimulation in one of our animals. Our bench-side testing showed up to 90% reduction of photo-induced artifacts with our MMAD. The transparency of our MMAD was confirmed both via bench-side testing (87% transmittance) and via in vivo imaging of blood flow from the underlying microvasculature using optical coherence tomography angiography. Significance Our results indicate that our MMAD supports large-scale electrocorticography, large-scale cortical imaging, and, by extension, large-scale optical stimulation. The MMAD prepares the way for both acute and long-term chronic experiments with complimentary data collection and stimulation modalities. When paired with the complex behaviors and cognitive abilities of NHPs, these assets prepare us to study large-scale neural phenomena including neural disease, damage, and recovery.

Summary Lesioning and neurophysiological studies have facilitated the elucidation of cortical functions and mechanisms of functional recovery following injury. Clinical translation of such studies is contingent on their employment in non-human primates (NHPs), yet tools for monitoring and modulating cortical physiology are incompatible with conventional NHP lesioning techniques. To address these challenges, we developed a toolbox demonstrated in seven macaques. We introduce the photothrombotic method to induce focal cortical lesions alongside a quantitative model for the design of lesion profiles based on experimental needs. Large-scale (∼5 cm 2 ) vascular and neural dynamics can be monitored and lesion induction can be validated in vivo with optical coherence tomography angiography and our electrocorticographic array, the latter of which also enables testing stimulation-based interventions. By combining optical and electrophysiological techniques in NHPs, we can enhance our understanding of cortical functions, investigate functional recovery mechanisms, integrate physiological and behavioral findings, and develop treatments for neurological disorders.

Estimating dynamic network communication is attracting increased attention, spurred by rapid advancements in multi-site neural recording technologies and efforts to better understand cognitive processes. Yet, traditional methods, which infer communication from statistical dependencies among distributed neural recordings, face core limitations: they do not model neural interactions in a biologically plausible way, neglect spatial information from the recording setup, and yield predominantly static estimates that cannot capture rapid changes in the brain. To address these issues, we introduce a graph diffusion autoregressive model. Designed for distributed field potential recordings, our model combines vector autoregression with a network communication process to produce a high-resolution communication signal. We successfully validated the model on simulated neural activity and recordings from subdural and intracortical micro-electrode arrays placed in macaque sensorimotor cortex demonstrating its ability to describe rapid communication dynamics induced by optogenetic stimulation, changes in resting state communication, and the trial-by-trial variability during a reach task.

One remarkable feature of behavior is an animal’s ability to rapidly switch between activity states; however, how the brain regulates these spontaneous transitions based on the animal’s perceived environment is not well understood. Here we show a C. elegans sleep-like state on a scalable platform that enables simultaneous control of multiple environmental factors including temperature, mechanical stress, and food availability. This brief quiescent state, we refer to as “microfluidic-induced sleep,” occurs spontaneously in microfluidic chambers, which allows us to track animal movement and perform whole-brain imaging. With these capabilities, we establish that microfluidic-induced sleep meets the behavioral requirements of C. elegans sleep and depends on multiple factors, such as satiety and temperature. Additionally, we show for the first time that C. elegans sleep can be induced through mechanosensory pathways. Together, these results establish a rich model system for studying how animals process multiple sensory pathways to regulate behavioral states.

Optogenetics has been a powerful scientific tool for two decades, yet its integration with non-human primate (NHP) electrophysiology has been limited due to several technical challenges. These include a lack of electrode arrays capable of supporting large-scale and long-term optical access, inaccessible viral vector delivery methods for transfection of large regions of cortex, a paucity of hardware designed for large-scale patterned cortical illumination, and inflexible designs for multi-modal experimentation. To address these gaps, we introduce a highly accessible platform integrating optogenetics and electrophysiology for behavioral and neural modulation with neurophysiological recording in NHPs. We employed this platform in two rhesus macaques and showcased its capability of optogenetically disrupting reaches, while simultaneously monitoring ongoing electrocorticography activity underlying the stimulation-induced behavioral changes. The platform exhibits long-term stability and functionality, thereby facilitating large-scale electrophysiology, optical imaging, and optogenetics over months, which is crucial for translationally relevant multi-modal studies of neurological and neuropsychiatric disorders.