Closed-loop optogenetic control of the dynamics of neural activity in non-human primates

光遗传学 神经科学 局部场电位 兴奋性突触后电位 刺激 神经刺激 爆裂 生物神经网络 脑刺激 抑制性突触后电位 生物
作者
Boubker Zaaimi,Mark Turnbull,Anupam Hazra,Y. Wang,Carolina Gándara,Faye McLeod,E. E. McDermott,Enrique Escobedo‐Cousin,Ahmad Shah Idil,Richard G. Bailey,Sabrina Tardio,Aaliyah Patel,Nikhil Ponon,Johannes Gausden,Darren Walsh,Frances Hutchings,Marcus Kaiser,Mark O. Cunningham,Gavin J. Clowry,Fiona E. N. LeBeau,Timothy G. Constandinou,Stuart N. Baker,Nick Donaldson,Patrick Degenaar,A.G. O’Neill,Andrew J. Trevelyan,Andrew Jackson
出处
期刊:Nature Biomedical Engineering [Springer Nature]
卷期号:7 (4): 559-575 被引量:22
标识
DOI:10.1038/s41551-022-00945-8
摘要

Electrical neurostimulation is effective in the treatment of neurological disorders, but associated recording artefacts generally limit its applications to open-loop stimuli. Real-time and continuous closed-loop control of brain activity can, however, be achieved by pairing concurrent electrical recordings and optogenetics. Here we show that closed-loop optogenetic stimulation with excitatory opsins enables the precise manipulation of neural dynamics in brain slices from transgenic mice and in anaesthetized non-human primates. The approach generates oscillations in quiescent tissue, enhances or suppresses endogenous patterns in active tissue and modulates seizure-like bursts elicited by the convulsant 4-aminopyridine. A nonlinear model of the phase-dependent effects of optical stimulation reproduced the modulation of cycles of local-field potentials associated with seizure oscillations, as evidenced by the systematic changes in the variability and entropy of the phase-space trajectories of seizures, which correlated with changes in their duration and intensity. We also show that closed-loop optogenetic neurostimulation could be delivered using intracortical optrodes incorporating light-emitting diodes. Closed-loop optogenetic approaches may be translatable to therapeutic applications in humans. Closed-loop optogenetic stimulation with excitatory opsins enables the precise manipulation of neural dynamics in brain slices from transgenic mice and in anaesthetized non-human primates.
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