Tether-free photothermal deep-brain stimulation in freely behaving mice via wide-field illumination in the near-infrared-II window

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作者
Xiang Wu,Yuyan Jiang,Nicholas J. Rommelfanger,Fan Yang,Qi Zhou,Rongkang Yin,Junlang Liu,Sa Cai,Wei Ren,Andrew Shin,Kyrstyn S. Ong,Kanyi Pu,Guosong Hong
出处
期刊:Nature Biomedical Engineering [Springer Nature]
卷期号:6 (6): 754-770 被引量:117
标识
DOI:10.1038/s41551-022-00862-w
摘要

Neural circuitry is typically modulated via invasive brain implants and tethered optical fibres in restrained animals. Here we show that wide-field illumination in the second near-infrared spectral window (NIR-II) enables implant-and-tether-free deep-brain stimulation in freely behaving mice with stereotactically injected macromolecular photothermal transducers activating neurons ectopically expressing the temperature-sensitive transient receptor potential cation channel subfamily V member 1 (TRPV1). The macromolecular transducers, ~40 nm in size and consisting of a semiconducting polymer core and an amphiphilic polymer shell, have a photothermal conversion efficiency of 71% at 1,064 nm, the wavelength at which light attenuation by brain tissue is minimized (within the 400–1,800 nm spectral window). TRPV1-expressing neurons in the hippocampus, motor cortex and ventral tegmental area of mice can be activated with minimal thermal damage on wide-field NIR-II illumination from a light source placed at distances higher than 50 cm above the animal’s head and at an incident power density of 10 mW mm–2. Deep-brain stimulation via wide-field NIR-II illumination may open up opportunities for social behavioural studies in small animals. Deep-brain stimulation in freely behaving mice can be achieved via wide-field near-infrared illumination and stereotactically injected photothermal transducers activating neurons ectopically expressing a temperature-sensitive cation channel.
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