ABSTRACT Perivascular spaces (PVS) are important highways for fluid and solute transport in the brain enabling efficient waste clearance during sleep. Using two-photon imaging of naturally sleeping mice we demonstrate sleep cycle-dependent PVS dynamics – slow, large-amplitude oscillations in NREM, a reduction in REM and an enlargement upon awakening at the end of a sleep cycle. By biomechanical modeling we demonstrate that these sleep cycle-dependent PVS dynamics drive fluid flow and solute transport.

Objective: Mechanistic modeling of neurons is an essential component of computational neuroscience that enables scientists to simulate, explain, and explore neural activity. The conventional approach to simulation of extracellular neural recordings first computes transmembrane currents using the cable equation and then sums their contribution to model the extracellular potential. This two-step approach relies on the assumption that the extracellular space is an infinite and homogeneous conductive medium, while measurements are performed using neural probes. The main purpose of this paper is to assess to what extent the presence of the neural probes of varying shape and size impacts the extracellular field and how to correct for them. Approach: We apply a detailed modeling framework allowing explicit representation of the neuron and the probe to study the effect of the probes and thereby estimate the effect of ignoring it. We use meshes with simplified neurons and different types of probe and compare the extracellular action potentials with and without the probe in the extracellular space. We then compare various solutions to account for the probes' presence and introduce an efficient probe correction method to include the probe effect in modeling of extracellular potentials. Main results: Our computations show that microwires hardly influence the extracellular electric field and their effect can therefore be ignored. In contrast, Multi-Electrode Arrays (MEAs) significantly affect the extracellular field by magnifying the recorded potential. While MEAs behave similarly to infinite insulated planes, we find that their effect strongly depends on the neuron-probe alignment and probe orientation. Significance: Ignoring the probe effect might be deleterious in some applications, such as neural localization and parameterization of neural models from extracellular recordings. Moreover, the presence of the probe can improve the interpretation of extracellular recordings, by providing a more accurate estimation of the extracellular potential generated by neuronal models.

Abstract Flow of cerebrospinal fluid through perivascular pathways in and around the brain may play a crucial role in brain metabolite clearance. While the driving forces of such flows remain enigmatic, experiments have shown that pulsatility is central. In this work, we present a novel network model for simulating pulsatile fluid flow in perivascular networks, taking the form of a system of Stokes–Brinkman equations posed over a perivascular graph. We apply this model to study physiological questions concerning the mechanisms governing perivascular fluid flow in branching vascular networks. Notably, our findings reveal that even long wavelength arterial pulsations can induce directional flow in asymmetric, branching perivascular networks. In addition, we establish fundamental mathematical and numerical properties of these Stokes–Brinkman network models, with particular attention to increasing graph order and complexity. By introducing weighted norms, we show the well-posedness and stability of primal and dual variational formulations of these equations, and that of mixed finite element discretizations.