Nongenetic Optical Methods for Measuring and Modulating Neuronal Response
Source abstract
Abstract
The ability to probe and modulate electrical signals sensitively at cellular length scales is a key challenge in the field of electrophysiology. Electrical signals play integral roles in regulating cellular behavior and in controlling biological function. From cardiac arrhythmias to neurodegenerative disorders, maladaptive phenotypes in electrophysiology can result in serious and potentially deadly medical conditions. Understanding how to monitor and to control these behaviors precisely and noninvasively represents an important step in developing next-generation therapeutic devices. As we develop a deeper understanding of neural network formation, electrophysiology has the potential to offer fundamental insights into the inner working of the brain. In this Perspective, we explore traditional methods for examining neural function, discuss recent genetic advances in electrophysiology, and then focus on the latest innovations in optical sensing and stimulation of action potentials in neurons. We emphasize nongenetic optical methods, as these provide high spatiotemporal resolution and can be achieved with minimal invasiveness.
Source: openalex_inverted_index · Quality: baseline
Research context
OpenAlex topics: Photoreceptor and optogenetics research · Neuroscience and Neural Engineering · Neural dynamics and brain function
SciVX discovery tags are terminology-based. OpenAlex topics are source-provided classifications.
Affiliations
John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences, Harvard University, Cambridge, Massachusetts 02138, United States
Department of Chemistry, the James Franck Institute, the Institute for Biophysical Dynamics, University of Chicago, Chicago, Illinois 60637, United States
Funding
NIH Office of the Director · Air Force Office of Scientific Research · National Institute of Biomedical Imaging and Bioengineering
References (99)
Show source-provided references
1. 10.1038/144710a010.1038/144710a0 ↗
2. 10.1243/17403499JNN14910.1243/17403499JNN149 ↗
3. 10.1038/nrd255210.1038/nrd2552 ↗
4. 10.1039/C3MT00283G10.1039/C3MT00283G ↗
5. 10.1021/bi00552a01810.1021/bi00552a018 ↗
6. 10.1038/nn152510.1038/nn1525 ↗
7. 10.1038/nmeth.243410.1038/nmeth.2434 ↗
8. 10.1038/nmeth.147910.1038/nmeth.1479 ↗
9. 10.1038/nn.435910.1038/nn.4359 ↗
10. 10.1038/nmeth.300010.1038/nmeth.3000 ↗
11. 10.3389/fphys.2014.0034410.3389/fphys.2014.00344 ↗
12. 10.1016/j.ijpharm.2015.08.02910.1016/j.ijpharm.2015.08.029 ↗
13. 10.1038/420116a10.1038/420116a ↗
14. 10.1056/NEJMoa160967710.1056/NEJMoa1609677 ↗
15. 10.1089/humc.2018.29032.int10.1089/humc.2018.29032.int ↗
16. 10.1056/NEJMoa170848310.1056/NEJMoa1708483 ↗
17. 10.1038/mt.2016.1010.1038/mt.2016.10 ↗
18. 10.1016/S0304-8853(99)00088-810.1016/S0304-8853(99)00088-8 ↗
19. 10.1021/nn406302j10.1021/nn406302j ↗
20. 10.1038/nbt87210.1038/nbt872 ↗
21. 10.1113/jphysiol.1952.sp00476410.1113/jphysiol.1952.sp004764 ↗
22. 10.1152/ajplegacy.1939.127.2.21110.1152/ajplegacy.1939.127.2.211 ↗
23. 10.1016/j.expneurol.2016.06.00510.1016/j.expneurol.2016.06.005 ↗
24. Tasaki I. · 1982
25. 10.1126/science.742319610.1126/science.7423196 ↗
26. 10.2170/jjphysiol.32.50510.2170/jjphysiol.32.505 ↗
27. 10.1038/ncomms769710.1038/ncomms7697 ↗
28. 10.1016/j.bpc.2010.11.00110.1016/j.bpc.2010.11.001 ↗
29. 10.1038/nnano.2012.11210.1038/nnano.2012.112 ↗
30. 10.1038/3509657810.1038/35096578 ↗
31. 10.1016/B978-0-12-396534-9.00009-X10.1016/B978-0-12-396534-9.00009-X ↗
32. 10.1021/acsnano.8b0086710.1021/acsnano.8b00867 ↗
33. 10.1098/rspb.1958.001210.1098/rspb.1958.0012 ↗
34. 10.1016/j.neuron.2015.08.03210.1016/j.neuron.2015.08.032 ↗
35. 10.1038/ncomms452010.1038/ncomms4520 ↗
36. 10.1529/biophysj.106.10375410.1529/biophysj.106.103754 ↗
37. 10.1073/pnas.080747610510.1073/pnas.0807476105 ↗
38. 10.1126/science.115436710.1126/science.1154367 ↗
39. 10.1038/nnano.2015.11510.1038/nnano.2015.115 ↗
40. 10.1146/annurev-bioeng-071811-15001810.1146/annurev-bioeng-071811-150018 ↗
41. 10.1038/nature2549410.1038/nature25494 ↗
42. 10.1126/science.118238310.1126/science.1182383 ↗
43. 10.1038/nature1038110.1038/nature10381 ↗
44. 10.1038/nnano.2011.24910.1038/nnano.2011.249 ↗
45. 10.1126/science.119203310.1126/science.1192033 ↗
46. 10.1038/nnano.2013.27310.1038/nnano.2013.273 ↗
47. 10.1038/nnano.2011.22310.1038/nnano.2011.223 ↗
48. 10.1038/nnano.2017.310.1038/nnano.2017.3 ↗
49. 10.1021/acs.accounts.7b0051910.1021/acs.accounts.7b00519 ↗
50. 10.1073/pnas.090925010710.1073/pnas.0909250107 ↗
51. 10.1021/acs.nanolett.6b0002010.1021/acs.nanolett.6b00020 ↗
52. 10.1126/sciadv.160103910.1126/sciadv.1601039 ↗
53. 10.1021/acs.nanolett.7b0152310.1021/acs.nanolett.7b01523 ↗
54. 10.1002/adma.20150325210.1002/adma.201503252 ↗
55. 10.1016/S0140-6736(06)69740-710.1016/S0140-6736(06)69740-7 ↗
56. 10.3389/fnins.2015.0029010.3389/fnins.2015.00290 ↗
57. 10.1038/nphoton.2012.10410.1038/nphoton.2012.104 ↗
58. 10.1038/ncomms174210.1038/ncomms1742 ↗
59. 10.1021/nl503430410.1021/nl5034304 ↗
60. 10.1038/srep0891110.1038/srep08911 ↗
61. 10.1016/j.bpj.2017.11.01810.1016/j.bpj.2017.11.018 ↗
62. 10.1016/j.neuron.2015.02.03310.1016/j.neuron.2015.02.033 ↗
63. 10.1038/nmat467310.1038/nmat4673 ↗
64. Tanaka K. · 1999
65. Canham L. · 201410.1007/978-3-319-05744-6 ↗
66. Hadziioannou G. · 199910.1002/3527602186 ↗
67. 10.1021/acs.bioconjchem.5b0049710.1021/acs.bioconjchem.5b00497 ↗
68. 10.1038/nphoton.2015.12810.1038/nphoton.2015.128 ↗
69. 10.1038/nmat196310.1038/nmat1963 ↗
70. 10.1126/sciadv.160169910.1126/sciadv.1601699 ↗
71. 10.1063/1.315384610.1063/1.3153846 ↗
72. 10.1038/ncomms116410.1038/ncomms1164 ↗
73. 10.1038/nphoton.2013.3410.1038/nphoton.2013.34 ↗
74. 10.1021/ja300727510.1021/ja3007275 ↗
75. 10.1021/cn300213f10.1021/cn300213f ↗
76. 10.1039/C5CS00593K10.1039/C5CS00593K ↗
77. 10.1002/ente.20130017410.1002/ente.201300174 ↗
78. 10.1364/BOE.3.00044710.1364/BOE.3.000447 ↗
79. 10.1021/nl062513v10.1021/nl062513v ↗
80. 10.1021/nl034733410.1021/nl0347334 ↗
81. 10.1021/acs.chemrev.5b0006310.1021/acs.chemrev.5b00063 ↗
82. 10.1126/science.125727810.1126/science.1257278 ↗
83. 10.1038/nnano.2009.30410.1038/nnano.2009.304 ↗
84. 10.1039/C6RA14806A10.1039/C6RA14806A ↗
85. 10.1021/ja803290710.1021/ja8032907 ↗
86. 10.1038/s41551-018-0230-110.1038/s41551-018-0230-1 ↗
87. 10.1038/nature0618110.1038/nature06181 ↗
88. 10.1038/nnano.2013.27110.1038/nnano.2013.271 ↗
89. 10.1021/ja411050r10.1021/ja411050r ↗
90. 10.1021/nn101076t10.1021/nn101076t ↗
91. 10.1073/pnas.112041510910.1073/pnas.1120415109 ↗
92. 10.1021/acs.nanolett.5b0196310.1021/acs.nanolett.5b01963 ↗
93. 10.1038/s41565-017-0041-710.1038/s41565-017-0041-7 ↗
94. 10.1038/s41467-018-03212-010.1038/s41467-018-03212-0 ↗
95. 10.1038/nrneurol.2017.10510.1038/nrneurol.2017.105 ↗
96. 10.1016/S1474-4422(17)30299-510.1016/S1474-4422(17)30299-5 ↗
97. 10.1126/science.126077610.1126/science.1260776 ↗
98. 10.1146/annurev.neuro.29.051605.11282410.1146/annurev.neuro.29.051605.112824 ↗
99. 10.1038/nrd435110.1038/nrd4351 ↗