Taking Out the Trash The purpose of sleep remains mysterious. Using state-of-the-art in vivo two-photon imaging to directly compare two arousal states in the same mouse, Xie et al. (p. 373 ; see the Perspective by Herculano-Houzel ) found that metabolic waste products of neural activity were cleared out of the sleeping brain at a faster rate than during the awake state. This finding suggests a mechanistic explanation for how sleep serves a restorative function, in addition to its well-described effects on memory consolidation.

CSF from the subarachnoid space moves rapidly into the brain along paravascular routes surrounding penetrating cerebral arteries, exchanging with brain interstitial fluid (ISF) and facilitating the clearance of interstitial solutes, such as amyloid β, in a pathway that we have termed the “glymphatic” system. Prior reports have suggested that paravascular bulk flow of CSF or ISF may be driven by arterial pulsation. However, cerebral arterial pulsation could not be directly assessed. In the present study, we use in vivo two-photon microscopy in mice to visualize vascular wall pulsatility in penetrating intracortical arteries. We observed that unilateral ligation of the internal carotid artery significantly reduced arterial pulsatility by ∼50%, while systemic administration of the adrenergic agonist dobutamine increased pulsatility of penetrating arteries by ∼60%. When paravascular CSF–ISF exchange was evaluated in real time using in vivo two-photon and ex vivo fluorescence imaging, we observed that internal carotid artery ligation slowed the rate of paravascular CSF–ISF exchange, while dobutamine increased the rate of paravascular CSF–ISF exchange. These findings demonstrate that cerebral arterial pulsatility is a key driver of paravascular CSF influx into and through the brain parenchyma, and suggest that changes in arterial pulsatility may contribute to accumulation and deposition of toxic solutes, including amyloid β, in the aging brain.

The glymphatic system is a recently defined brain-wide paravascular pathway for cerebrospinal fluid (CSF) and interstitial fluid (ISF) exchange that facilitates efficient clearance of solutes and waste from the brain. CSF enters the brain along para-arterial channels to exchange with ISF, which is in turn cleared from the brain along para-venous pathways. Because soluble amyloid β clearance depends on glymphatic pathway function, we proposed that failure of this clearance system contributes to amyloid plaque deposition and Alzheimer's disease progression. Here we provide proof of concept that glymphatic pathway function can be measured using a clinically relevant imaging technique. Dynamic contrast-enhanced MRI was used to visualize CSF-ISF exchange across the rat brain following intrathecal paramagnetic contrast agent administration. Key features of glymphatic pathway function were confirmed, including visualization of para-arterial CSF influx and molecular size-dependent CSF-ISF exchange. Whole-brain imaging allowed the identification of two key influx nodes at the pituitary and pineal gland recesses, while dynamic MRI permitted the definition of simple kinetic parameters to characterize glymphatic CSF-ISF exchange and solute clearance from the brain. We propose that this MRI approach may provide the basis for a wholly new strategy to evaluate Alzheimer's disease susceptibility and progression in the live human brain.

Traumatic brain injury (TBI) is an established risk factor for the early development of dementia, including Alzheimer's disease, and the post-traumatic brain frequently exhibits neurofibrillary tangles comprised of aggregates of the protein tau. We have recently defined a brain-wide network of paravascular channels, termed the "glymphatic" pathway, along which CSF moves into and through the brain parenchyma, facilitating the clearance of interstitial solutes, including amyloid-β, from the brain. Here we demonstrate in mice that extracellular tau is cleared from the brain along these paravascular pathways. After TBI, glymphatic pathway function was reduced by ∼60%, with this impairment persisting for at least 1 month post injury. Genetic knock-out of the gene encoding the astroglial water channel aquaporin-4, which is importantly involved in paravascular interstitial solute clearance, exacerbated glymphatic pathway dysfunction after TBI and promoted the development of neurofibrillary pathology and neurodegeneration in the post-traumatic brain. These findings suggest that chronic impairment of glymphatic pathway function after TBI may be a key factor that renders the post-traumatic brain vulnerable to tau aggregation and the onset of neurodegeneration.

Importance

 Cognitive impairment and dementia, including Alzheimer disease (AD), are common within the aging population, yet the factors that render the aging brain vulnerable to these processes are unknown. Perivascular localization of aquaporin-4 (AQP4) facilitates the clearance of interstitial solutes, including amyloid-β, through the brainwide network of perivascular pathways termed theglymphatic system, which may be compromised in the aging brain. 

Objectives

 To determine whether alterations in AQP4 expression or loss of perivascular AQP4 localization are features of the aging human brain and to define their association with AD pathology. 

Design, Setting, and Participants

 Expression of AQP4 was analyzed in postmortem frontal cortex of cognitively healthy and histopathologically confirmed individuals with AD by Western blot or immunofluorescence for AQP4, amyloid-β 1-42, and glial fibrillary acidic protein. Postmortem tissue and clinical data were provided by the Oregon Health and Science University Layton Aging and Alzheimer Disease Center and Oregon Brain Bank. Postmortem tissue from 79 individuals was evaluated, including cognitively intact “young” individuals aged younger than 60 years (range, 33-57 years), cognitively intact “aged” individuals aged older than 60 years (range, 61-96 years) with no known neurological disease, and individuals older than 60 years (range, 61-105 years) of age with a clinical history of AD confirmed by histopathological evaluation. Forty-eight patient samples (10 young, 20 aged, and 18 with AD) underwent histological analysis. Sixty patient samples underwent Western blot analysis (15 young, 24 aged, and 21 with AD). 

Main Outcomes and Measures

 Expression of AQP4 protein, AQP4 immunoreactivity, and perivascular AQP4 localization in the frontal cortex were evaluated. 

Results

 Expression of AQP4 was associated with advancing age among all individuals (R2 = 0.17;P = .003). Perivascular AQP4 localization was significantly associated with AD status independent of age (OR, 11.7 per 10% increase in localization; z = −2.89;P = .004) and was preserved among eldest individuals older than 85 years of age who remained cognitively intact. When controlling for age, loss of perivascular AQP4 localization was associated with increased amyloid-β burden (R2 = 0.15;P = .003) and increasing Braak stage (R2 = 0.14;P = .006). 

Conclusions and Relevance

 In this study, altered AQP4 expression was associated with aging brains. Loss of perivascular AQP4 localization may be a factor that renders the aging brain vulnerable to the misaggregation of proteins, such as amyloid-β, in neurodegenerative conditions such as AD.

Abstract Background Neurodegenerative diseases such as Alzheimer’s are associated with the aggregation of endogenous peptides and proteins that contribute to neuronal dysfunction and loss. The glymphatic system, a brain-wide perivascular pathway along which cerebrospinal fluid (CSF) and interstitial fluid (ISF) rapidly exchange, has recently been identified as a key contributor to the clearance of interstitial solutes from the brain, including amyloid β. These findings suggest that measuring changes in glymphatic pathway function may be an important prognostic for evaluating neurodegenerative disease susceptibility or progression. However, no clinically acceptable approach to evaluate glymphatic pathway function in humans has yet been developed. Methods Time-sequenced ex vivo fluorescence imaging of coronal rat and mouse brain slices was performed at 30–180 min following intrathecal infusion of CSF tracer (Texas Red- dextran-3, MW 3 kD; FITC- dextran-500, MW 500 kD) into the cisterna magna or lumbar spine. Tracer influx into different brain regions (cortex, white matter, subcortical structures, and hippocampus) in rat was quantified to map the movement of CSF tracer following infusion along both routes, and to determine whether glymphatic pathway function could be evaluated after lumbar intrathecal infusion. Results Following lumbar intrathecal infusions, small molecular weight TR-d3 entered the brain along perivascular pathways and exchanged broadly with the brain ISF, consistent with the initial characterization of the glymphatic pathway in mice. Large molecular weight FITC-d500 remained confined to the perivascular spaces. Lumbar intrathecal infusions exhibited a reduced and delayed peak parenchymal fluorescence intensity compared to intracisternal infusions. Conclusion Lumbar intrathecal contrast delivery is a clinically useful approach that could be used in conjunction with dynamic contrast enhanced MRI nuclear imaging to assess glymphatic pathway function in humans.

Cerebral edema is a major contributor to morbidity associated with traumatic brain injury (TBI). The methods involved in most rodent models of TBI, including head fixation, opening of the skull, and prolonged anesthesia, likely alter TBI development and reduce secondary injury. We report the development of a closed-skull model of murine TBI, which minimizes time of anesthesia, allows the monitoring of intracranial pressure (ICP), and can be modulated to produce mild and moderate grade TBI. In this model, we characterized changes in aquaporin-4 (AQP4) expression and localization after mild and moderate TBI. We found that global AQP4 expression after TBI was generally increased; however, analysis of AQP4 localization revealed that the most prominent effect of TBI on AQP4 was the loss of polarized localization at endfoot processes of reactive astrocytes. This AQP4 dysregulation peaked at 7 days after injury and was largely indistinguishable between mild and moderate grade TBI for the first 2 weeks after injury. Within the same model, blood-brain barrieranalysis of variance permeability, cerebral edema, and ICP largely normalized within 7 days after moderate TBI. These findings suggest that changes in AQP4 expression and localization may not contribute to cerebral edema formation, but rather may represent a compensatory mechanism to facilitate its resolution.

There has been an increased focus on the neurological sequelae of repetitive mild traumatic brain injury (TBI), particularly neurodegenerative syndromes, such as chronic traumatic encephalopathy (CTE); however, no animal model exists that captures the behavioral spectrum of this phenomenon. We sought to develop an animal model of CTE. Our novel model is a modification and fusion of two of the most popular models of TBI and allows for controlled closed-head impacts to unanesthetized mice. Two-hundred and eighty 12-week-old mice were divided into control, single mild TBI (mTBI), and repetitive mTBI groups. Repetitive mTBI mice received six concussive impacts daily for 7 days. Behavior was assessed at various time points. Neurological Severity Score (NSS) was computed and vestibulomotor function tested with the wire grip test (WGT). Cognitive function was assessed with the Morris water maze (MWM), anxiety/risk-taking behavior with the elevated plus maze, and depression-like behavior with the forced swim/tail suspension tests. Sleep electroencephalogram/electromyography studies were performed at 1 month. NSS was elevated, compared to controls, in both TBI groups and improved over time. Repetitive mTBI mice demonstrated transient vestibulomotor deficits on WGT. Repetitive mTBI mice also demonstrated deficits in MWM testing. Both mTBI groups demonstrated increased anxiety at 2 weeks, but repetitive mTBI mice developed increased risk-taking behaviors at 1 month that persist at 6 months. Repetitive mTBI mice exhibit depression-like behavior at 1 month. Both groups demonstrate sleep disturbances. We describe the neurological sequelae of repetitive mTBI in a novel mouse model, which resemble several of the neuropsychiatric behaviors observed clinically in patients sustaining repetitive mild head injury.

Abstract Mild traumatic brain injury (mTBI) has emerged as a potential risk factor for the development of neurodegenerative conditions such as Alzheimer’s disease and chronic traumatic encephalopathy. Blast mTBI, caused by exposure to a pressure wave from an explosion, is predominantly experienced by military personnel and has increased in prevalence and severity in recent decades. Yet the underlying pathology of blast mTBI is largely unknown. We examined the expression and localization of AQP4 in human post-mortem frontal cortex and observed distinct laminar differences in AQP4 expression following blast exposure. We also observed similar laminar changes in AQP4 expression and localization and delayed impairment of glymphatic function that emerged 28 days following blast injury in a mouse model of repetitive blast mTBI. In a cohort of veterans with blast mTBI, we observed that blast exposure was associated with an increased burden of frontal cortical MRI-visible perivascular spaces, a putative neuroimaging marker of glymphatic perivascular dysfunction. These findings suggest that changes in AQP4 and delayed glymphatic impairment following blast injury may render the post-traumatic brain vulnerable to post-concussive symptoms and chronic neurodegeneration.

Abstract Large vessel disease and carotid stenosis are key mechanisms contributing to vascular cognitive impairment (VCI) and dementia. Our previous work, and that of others, using rodent models, demonstrated that bilateral common carotid stenosis (BCAS) leads to cognitive impairment via gradual deterioration of the glial-vascular unit and accumulation of amyloid-β (Aβ) protein. Since brain-wide drainage pathways (glymphatic) for waste clearance, including Aβ removal, have been implicated in the pathophysiology of VCI via glial mechanisms, we hypothesized that glymphatic function would be impaired in a BCAS model and exacerbated in the presence of Aβ. Male wild- type and Tg-SwDI (model of microvascular amyloid) mice were subjected to BCAS or sham surgery which led to a reduction in cerebral perfusion and impaired spatial learning and memory. After 3 months survival, glymphatic function was evaluated by cerebrospinal fluid (CSF) fluorescent tracer influx. We demonstrated that BCAS caused a marked regional reduction of CSF tracer influx in the dorsolateral cortex and CA1-DG molecular layer. In parallel to these changes increased reactive astrogliosis was observed post-BCAS. To further investigate the mechanisms that may lead to these changes, we measured the pulsation of cortical vessels. BCAS impaired vascular pulsation in pial arteries in WT and Tg-SwDI mice. Since our findings show that BCAS may influence VCI by impaired glymphatic drainage and reduced vascular pulsation we propose that these additional targets need to be considered when treating VCI.