Abstract Vagus nerve stimulation (VNS) is a neuromodulation therapy with the potential to treat a wide range of chronic conditions in which inflammation is implicated, including type 2 diabetes, obesity, atherosclerosis and heart failure. Many of these diseases have well-established mouse models but due to the significant surgical and engineering challenges that accompany a reliable interface for long-term VNS in mice, the therapeutic implications of this bioelectronic approach remain unexplored. Here, we describe a long-term VNS implant in mice, developed at 3 research laboratories and validated for between-lab reproducibility. Implant functionality was evaluated over 3-8 weeks in 81 anesthetized or conscious mice by determining the stimulus intensity required to elicit a change in heart rate (heart rate threshold, HRT). HRT was also used as a method to standardize stimulation dosing across animals. Overall, 60-90% of implants produced stimulus-evoked physiological responses for at least 4 weeks, with HRT values stabilizing after the second week of implantation. Furthermore, stimulation delivered through 6-week-old implants decreased TNF levels in a subset of mice with acute inflammation caused by endotoxemia. Histological examination of 4- to 6-week-old implants revealed fibrotic encapsulation and no gross fiber loss. This implantation and dosing approach provide a tool to systematically investigate the therapeutic potential of long-term VNS in chronic diseases modeled in the mouse, the most widely used vertebrate species in biomedical research.

Abstract Vagal fibers travel inside fascicles and form branches to innervate organs and regulate organ functions. Vagus nerve stimulation (VNS) therapies activate fibers non-selectively, often resulting in reduced efficacy and side effects from non-targeted organs. Transverse and longitudinal arrangement of fibers according to functions they mediate and organs they innervate is unknown, however it is crucial for selective VNS. Using microcomputed tomography, we found that, in swine, fascicles are arranged in 2 overlapping axes, with sensory and motor fascicles separated cephalad and merging caudad, and larynx-, heart- and lung-specific fascicles separated caudad and progressively merging cephalad. Using immunohistochemistry, we found that the distribution of single fibers is highly nonuniform: myelinated afferents and efferents occupy separate fascicles, unmyelinated efferents co-localize with myelinated afferents, and small unmyelinated afferents are widely distributed. Using a multi-contact cuff electrode, we delivered fascicular cervical VNS in anesthetized and awake swine. Compound action potentials, from distinct fiber types, and organ responses, including laryngeal muscle, cough, breathing, heart rate and blood pressure responses are elicited in a radially asymmetric manner, with consistent angular separations. These results indicate that vagal fibers are anatomically organized according to functions they mediate and organs they innervate and can be asymmetrically activated by fascicular cervical VNS.

Abstract Vagus nerve stimulation (VNS) is used as therapy in epilepsy and depression and is tested as a potential treatment for several chronic disorders. Typically, VNS is delivered at increasing stimulus intensity until a response is observed (threshold intensity). Factors that affect threshold intensities for engagement of different fiber types and concomitant physiological responses have not been studied. We determined neural and physiological responses to increasing stimulus intensities of VNS in anesthetized and awake animals, and examined the effect of implant- and anesthesia-related factors on threshold intensities in a rodent model of VNS. In acute and long-term cervical vagus nerve implants (53 and 14 rats, respectively) VNS was delivered under isoflurane, ketamine-xylazine, or awake at different intensities. Stimulus-evoked compound action potentials (eCAPs) were recorded, elicited physiological responses were registered, including changes heart rate (HR), breathing, and blood pressure (BP), and threshold intensities were determined. The intensity that elicits eCAPs (“neural threshold”) is significantly lower than what elicits a physiological response (“physiological threshold”, PT) (25 μA ±1.8 vs. 70 μA ±5.2, respectively; Mean ±SEM). Changes in BP occur at the lowest stimulus intensities (80 μA ±7), followed by changes in HR (105 μA ±8.4) and finally in breathing (310 μA ±32.5). PT is lower with than without electrode insulation (60 μA ±12, vs. 700 μA ±123). PT and electrode impedance are correlated in long-term ( r =0.47; p <0.001) but not in acute implants ( r =-0.34; p NS); both PT and impedance increase with implant age (Pearson correlation r =0.44; p <0.001 and r=0.64; p<0.001, respectively). PT is lowest when animals are awake (210 μA ±33; Mean ±SEM), followed by ketamine-xylazine (630 μA ±154), and isoflurane (1075 μA ±131). The sequence of physiological responses with increasing VNS intensity is similar in both anesthetized and awake states. Implant age, electrical impedance and the type of anesthesia affect VNS threshold and should be accounted for when determining stimulation dose.

Abstract Afferent and efferent vagal fibers mediate bidirectional communication between the brain and visceral organs. Small, unmyelinated C-afferents constitute the majority of vagal fibers, play critical roles in numerous interoceptive circuits and autonomic reflexes in health and disease and may contribute to the efficacy and safety of vagus nerve stimulation (VNS). Selective engagement of C-afferents with electrical stimuli has not been feasible, due to the default fiber recruitment order: larger fibers first, smaller fibers last. Here, we determine and optimize an electrical stimulus that selectively engages vagal C-afferents. Intermittent KHz-frequency electrical stimulation (KES) activates motor and, preferentially, sensory vagal neurons in the brainstem. During KES, asynchronous activity of C-afferents increases, while that of larger fibers remains largely unchanged. In parallel, KES effectively blocks excitability of larger fibers while moderately suppressing excitability of C-afferents. By compiling selectivity indices in individual animals, we find that optimal KES parameters for C-afferents are >5KHz frequency and 7-10 times engagement threshold (×T) intensity in rats, 15-25×T in mice. These effects can be explained in computational models by how sodium channel responses to KES are shaped by axonal size and myelin. Our results indicate that selective engagement of vagal C-afferents is attainable by intermittent KES.

Abstract Background The noradrenergic innervation of the spleen is implicated in the autonomic control of inflammation and has been the target of neurostimulation therapies for inflammatory diseases. However, there is no real-time marker of its successful activation, which hinders the optimization of anti- inflammatory neurostimulation therapies and mechanistic studies in anti-inflammatory neural circuits. Methods In mice, we performed fast-scan cyclic voltammetry (FSCV) in the spleen during intravascular injections of norepinephrine (NE), or during stimulation of the vagus, splanchnic, or splenic nerves. We defined the stimulus-elicited charge generated at the oxidation potential for NE (∼0.8 V) as the “NE voltammetry signal” and quantified the dependence of the signal on NE or nerve stimulation dose. We correlated the NE voltammetry signal in response to splenic nerve stimulation (SpNS) with the latter’s anti-inflammatory effect in a model of lipopolysaccharide- (LPS) induced endotoxemia, quantified as suppression of TNF release. Results We found that the NE voltammetry signal is proportional to injected amount and estimated peak NE concentration, with 0.3 μM detection threshold. In response to SpNS, the signal increases within seconds, returns to baseline minutes later and is blocked by interventions that deplete NE or inhibit NE release. The signal is elicited by efferent, but not afferent, electrical or optogenetic vagus nerve stimulation, and by splanchnic nerve stimulation. The magnitude of the signal during SpNS is inversely correlated with subsequent TNF suppression in endotoxemia and explains 40% of the variance in TNF measurements. Conclusion FSCV in the spleen provides a marker for real-time monitoring of anti-inflammatory activation of the splenic innervation during autonomic stimulation.

Electrical stimulation of peripheral nerves is a widely used technique to treat a variety of conditions including chronic pain, motor impairment, headaches, and epilepsy. Nerve stimulation to achieve efficacious symptomatic relief depends on the proper selection of electrical stimulation parameters to recruit the appropriate fibers within a nerve. Recently, electrical stimulation of the vagus nerve has shown promise for controlling inflammation and clinical trials have demonstrated efficacy for the treatment of inflammatory disorders. This application of vagus nerve stimulation activates the inflammatory reflex, reducing levels of inflammatory cytokines during inflammation. Here, we wanted to test whether altering the parameters of electrical vagus nerve stimulation would change circulating cytokine levels of normal healthy animals in the absence of increased inflammation. To examine this, we systematically tested a set of electrical stimulation parameters and measured serum cytokine levels in healthy mice. Surprisingly, we found that specific combinations of pulse width, pulse amplitude, and frequency produced significant increases of the pro-inflammatory cytokine tumor necrosis factor alpha (TNFα), while other parameters selectively lowered serum TNFα levels, as compared to sham-stimulated mice. In addition, serum levels of the anti-inflammatory cytokine interleukin-10 (IL-10) were significantly increased by select parameters of electrical stimulation but remained unchanged with others. These results indicate that electrical stimulation parameter selection is critically important for the modulation of cytokines via the cervical vagus nerve and that specific cytokines can be increased by electrical stimulation in the absence of inflammation. As the next generation of bioelectronic therapies and devices are developed to capitalize on the neural regulation of inflammation, the selection of nerve stimulation parameters will be a critically important variable for achieving cytokine-specific changes.

Abstract Novel research in the field of bioelectronic medicine requires systems that pair high-performance neurostimulation and bio-signal acquisition hardware with advanced software signal processing and control algorithms. Although mice are the most commonly used animal in medical research, the size, weight, and power requirements of such systems either preclude their use or impose significant constraints on experimental design. Here, we describe a fully-implantable neuromodulation system suitable for use in mice, measuring 2.2 cm 3 and weighing 2.8 g. A bidirectional wireless interface allows simultaneous readout of multiple physiological signals and complete control over stimulation parameters, and a wirelessly rechargeable battery provides a lifetime of up to 5 days on a single charge. The device was successfully implanted (N=12) and a functional neural interface (capable of inducing acute bradycardia) is demonstrated with functional lifetimes exceeding to three weeks. The design utilizes only commercially-available components and 3D-printed packaging, with the goal of accelerating discovery and translation of future bioelectronic therapeutics.