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Experimental assessment of the safety and potential efficacy of high irradiance photostimulation of brain tissues

Authors :
Claire Martin
Frédéric Pain
Suhan Senova
Stéphane Palfi
Antoine Chaillet
Chih-Chieh Chiang
Ilona Scisniak
Isabelle Doignon
Institut Mondor de Recherche Biomédicale (IMRB)
Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Université Paris-Est Créteil Val-de-Marne - Paris 12 (UPEC UP12)-IFR10
Groupe Henri Mondor-Albert Chenevier
Assistance publique - Hôpitaux de Paris (AP-HP) (AP-HP)-Hôpital Henri Mondor-Hôpital Albert Chenevier
Imagerie et Modélisation en Neurobiologie et Cancérologie (IMNC (UMR_8165))
Université Paris-Sud - Paris 11 (UP11)-Institut National de Physique Nucléaire et de Physique des Particules du CNRS (IN2P3)-Université Paris Diderot - Paris 7 (UPD7)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
University of Warsaw (UW)
National Tsing Hua University [Hsinchu] (NTHU)
Intéractions cellulaires et physiopathologie hépathique (Orsay, Essonne) UMRS 1174 (ICPH )
Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)
Laboratoire des signaux et systèmes (L2S)
Université Paris-Sud - Paris 11 (UP11)-CentraleSupélec-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Unité de Biologie Fonctionnelle et Adaptative (BFA (UMR_8251 / U1133))
Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Paris (UP)
ANR-13-JS03-0006,SYNCHNEURO,Théorie de la commande pour la synchronisation neuronale: modélisation à partir de données l'optogénétique, et alteration boucle-fermée des oscillations cérébrales pathologiques(2013)
Laboratoire des signaux et systèmes ( L2S )
Université Paris-Sud - Paris 11 ( UP11 ) -CentraleSupélec-Centre National de la Recherche Scientifique ( CNRS )
Imagerie et Modélisation en Neurobiologie et Cancérologie ( IMNC )
Centre National de la Recherche Scientifique ( CNRS ) -Université Paris Diderot - Paris 7 ( UPD7 ) -Institut National de Physique Nucléaire et de Physique des Particules du CNRS ( IN2P3 ) -Université Paris-Sud - Paris 11 ( UP11 )
PAIN, FREDERIC
Jeunes Chercheuses et Jeunes Chercheurs - Théorie de la commande pour la synchronisation neuronale: modélisation à partir de données l'optogénétique, et alteration boucle-fermée des oscillations cérébrales pathologiques - - SYNCHNEURO2013 - ANR-13-JS03-0006 - JC - VALID
Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-IFR10-Université Paris-Est Créteil Val-de-Marne - Paris 12 (UPEC UP12)
Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Paris Cité (UPCité)
Source :
Scientific Reports, Scientific Reports, Nature Publishing Group, 2017, 7, pp.43997. ⟨10.1038/srep43997⟩, Scientific Reports, Nature Publishing Group, 2017, 7, 〈10.1038/srep43997〉, Scientific Reports, 2017, 7, pp.43997. ⟨10.1038/srep43997⟩
Publication Year :
2017
Publisher :
Nature Publishing Group, 2017.

Abstract

Optogenetics is widely used in fundamental neuroscience. Its potential clinical translation for brain neuromodulation requires a careful assessment of the safety and efficacy of repeated, sustained optical stimulation of large volumes of brain tissues. This study was performed in rats and not in non-human primates for ethical reasons. We studied the spatial distribution of light, potential damage, and non-physiological effects in vivo, in anesthetized rat brains, on large brain volumes, following repeated high irradiance photo-stimulation. We generated 2D irradiance and temperature increase surface maps based on recordings taken during optical stimulation using irradiance and temporal parameters representative of common optogenetics experiments. Irradiances of 100 to 600 mW/mm2 with 5 ms pulses at 20, 40, and 60 Hz were applied during 90 s. In vivo electrophysiological recordings and post-mortem histological analyses showed that high power light stimulation had no obvious phototoxic effects and did not trigger non-physiological functional activation. This study demonstrates the ability to illuminate cortical layers to a depth of several millimeters using pulsed red light without detrimental thermal damages.

Details

Language :
English
ISSN :
20452322
Database :
OpenAIRE
Journal :
Scientific Reports
Accession number :
edsair.doi.dedup.....d7f295e9c6a84deeca7b085685e3921a
Full Text :
https://doi.org/10.1038/srep43997