We compare the maximal two-photon fluorescence microscopy (TPM) imaging depth achieved with 775-nm excitation to that achieved with 1280-nm excitation through in vivo and ex vivo TPM of fluorescently-labeled blood vessels in mouse brain. We achieved high contrast imaging of blood vessels at approximately twice the depth with 1280-nm excitation as with 775-nm excitation. An imaging depth of 1 mm can be achieved in in vivo imaging of adult mouse brains at 1280 nm with approximately 1-nJ pulse energy at the sample surface. Blood flow speed measurements at a depth of 900 mum are performed.

High-resolution optical imaging is critical to understanding brain function. We demonstrate that three-photon microscopy at 1,300-nm excitation enables functional imaging of GCaMP6s-labeled neurons beyond the depth limit of two-photon microscopy. We record spontaneous activity from up to 150 neurons in the hippocampal stratum pyramidale at ∼1-mm depth within an intact mouse brain. Our method creates opportunities for noninvasive recording of neuronal activity with high spatial and temporal resolution deep within scattering brain tissues.

A highly interconnected network of arterioles overlies mammalian cortex to route blood to the cortical mantle. Here we test if this angioarchitecture can ensure that the supply of blood is redistributed after vascular occlusion. We use rodent parietal cortex as a model system and image the flow of red blood cells in individual microvessels. Changes in flow are quantified in response to photothrombotic occlusions to individual pial arterioles as well as to physical occlusions of the middle cerebral artery (MCA), the primary source of blood to this network. We observe that perfusion is rapidly reestablished at the first branch downstream from a photothrombotic occlusion through a reversal in flow in one vessel. More distal downstream arterioles also show reversals in flow. Further, occlusion of the MCA leads to reversals in flow through approximately half of the downstream but distant arterioles. Thus the cortical arteriolar network supports collateral flow that may mitigate the effects of vessel obstruction, as may occur secondary to neurovascular pathology.

Synaptic transmission initiates a cascade of signal transduction events that couple neuronal activity to local changes in blood flow and oxygenation. Although a number of vasoactive molecules and specific cell types have been implicated, the transformation of stimulus-induced activation of neuronal circuits to hemodynamic changes is still unclear. We use somatosensory stimulation and a suite of in vivo imaging tools to study neurovascular coupling in rat primary somatosensory cortex. Our stimulus evoked a central region of net neuronal depolarization surrounded by net hyperpolarization. Hemodynamic measurements revealed that predominant depolarization corresponded to an increase in oxygenation, whereas predominant hyperpolarization corresponded to a decrease in oxygenation. On the microscopic level of single surface arterioles, the response was composed of a combination of dilatory and constrictive phases. Critically, the relative strength of vasoconstriction covaried with the relative strength of oxygenation decrease and neuronal hyperpolarization. These results suggest that a neuronal inhibition and concurrent arteriolar vasoconstriction correspond to a decrease in blood oxygenation, which would be consistent with a negative blood oxygenation level-dependent functional magnetic resonance imaging signal.

Cerebral blood flow (CBF) reductions in Alzheimer's disease patients and related mouse models have been recognized for decades, but the underlying mechanisms and resulting consequences for Alzheimer's disease pathogenesis remain poorly understood. In APP/PS1 and 5xFAD mice we found that an increased number of cortical capillaries had stalled blood flow as compared to in wild-type animals, largely due to neutrophils that had adhered in capillary segments and blocked blood flow. Administration of antibodies against the neutrophil marker Ly6G reduced the number of stalled capillaries, leading to both an immediate increase in CBF and rapidly improved performance in spatial and working memory tasks. This study identified a previously uncharacterized cellular mechanism that explains the majority of the CBF reduction seen in two mouse models of Alzheimer's disease and demonstrated that improving CBF rapidly enhanced short-term memory function. Restoring cerebral perfusion by preventing neutrophil adhesion may provide a strategy for improving cognition in Alzheimer's disease patients.

Inhibiting endothelial cell contractility reverses the deleterious effects of age-related matrix stiffening on normal cell function, which could help prevent the development of atherosclerosis.

Penetrating arterioles bridge the mesh of communicating arterioles on the surface of cortex with the subsurface microvascular bed that feeds the underlying neural tissue. We tested the conjecture that penetrating arterioles, which are positioned to regulate the delivery of blood, are loci of severe ischemia in the event of occlusion. Focal photothrombosis was used to occlude single penetrating arterioles in rat parietal cortex, and the resultant changes in flow of red blood cells were measured with two-photon laser-scanning microscopy in individual subsurface microvessels that surround the occlusion. We observed that the average flow of red blood cells nearly stalls adjacent to the occlusion and remains within 30% of its baseline value in vessels as far as 10 branch points downstream from the occlusion. Preservation of average flow emerges 350 μm away; this length scale is consistent with the spatial distribution of penetrating arterioles. We conclude that penetrating arterioles are a bottleneck in the supply of blood to neocortex, at least to superficial layers.

Abstract Systemic delivery of mRNAs into disease neurons is first limited by the blood-brain-barrier (BBB). Leukocyte-derived extracellular vesicles (EVs) can cross the BBB at inflammatory sites, emerging as promising carriers to target the disease brain. However, efficient mRNA loading into EVs and their uptake by neurons remain challenges. Here we incorporated inside EVs the endogenous retrovirus-like Arc protein capsids, stabilized by Arc 5’UTR RNA elements, to effectively load and deliver mRNAs. Produced from self-derived leukocytes, engineered retrotransposon Arc EVs (eraEVs) are immunologically inert with minimal clearance. Equipped with endothelial adhesion molecules from donor leukocytes, circulating eraEVs enter the brain enriching at neuro-inflammatory sites. During self-assembly, Arc recruits enveloping proteins onto eraEVs further promoting neuronal uptake. Possessing high effectiveness like viral vectors and biocompatibility as natural vesicles, eraEV-nanocarriers can be produced from virtually all donor cell types, potentially leading to the development of future clinical therapies for a range of diseases. Abstract Figure

Abstract In partial onset epilepsy, seizures arise focally in the brain and often propagate. Patients frequently become refractory to medical management, leaving neurosurgery, which can cause neurologic deficits, as a primary treatment. In the cortex, focal seizures spread through horizontal connections in layers II/III, suggesting that severing these connections can block seizures while preserving function. Focal neocortical epilepsy is induced in mice, sub‐surface cuts are created surrounding the seizure focus using tightly‐focused femtosecond laser pulses, and electrophysiological recordings are acquired at multiple locations for 3–12 months. Cuts reduced seizure frequency in most animals by 87%, and only 5% of remaining seizures propagated to the distant electrodes, compared to 80% in control animals. These cuts produced a modest decrease in cortical blood flow that recovered and left a ≈20‐µm wide scar with minimal collateral damage. When placed over the motor cortex, cuts do not cause notable deficits in a skilled reaching task, suggesting they hold promise as a novel neurosurgical approach for intractable focal cortical epilepsy.