Summary We normally regard sleep and wake as two distinct opposing brain states, where sleep requires silence of wake-promoting structures such as the locus coeruleus (LC)-norepinephrine (NE) system. We set out to investigate how cortical NE dynamics and NE-related astrocytic activity relates to LC population activity during sleep states. We show that LC displays regular phasic activity bouts during NREM sleep leading to a slow oscillatory pattern of prefrontal NE levels of which the majority of NE increases does not lead to awakening. NE troughs link to sleep spindles and continued NE decline transitions into REM sleep. Last, we show that prefrontal astrocytes have reduced sensitivity towards NE during sleep. Our results suggest that dynamic changes in the activity of wake-promoting systems during sleep create alternation between crucial sleep processes and broadening of sensitivity towards incoming sensory input. Highlights Extracellular levels of norepinephrine display dynamic changes during NREM and REM sleep Phasic activity of locus coeruleus neurons during NREM underlies slow norepinephrine oscillations Spindles occur at norepinephrine troughs and are abolished by norepinephrine increases Increased spindles prior to REM reflect the beginning of a long-lasting norepinephrine decline REM episodes are characterized by a sub-threshold continuous norepinephrine decline The responsiveness of astrocytic Ca 2+ to norepinephrine is reduced during sleep

The central nervous system is lined by meninges, classically known as dura, arachnoid, and pia mater. We show the existence of a fourth meningeal layer that compartmentalizes the subarachnoid space in the mouse and human brain, designated the subarachnoid lymphatic-like membrane (SLYM). SLYM is morpho- and immunophenotypically similar to the mesothelial membrane lining of peripheral organs and body cavities, and it encases blood vessels and harbors immune cells. Functionally, the close apposition of SLYM with the endothelial lining of the meningeal venous sinus permits direct exchange of small solutes between cerebrospinal fluid and venous blood, thus representing the mouse equivalent of the arachnoid granulations. The functional characterization of SLYM provides fundamental insights into brain immune barriers and fluid transport. , An extra layer lines the brain The traditional view is that the brain is surrounded by three layers, the dura, arachnoid, and pia mater. Møllgård et al . found a fourth meningeal layer called the subarachnoid lymphatic-like membrane (SLYM). SLYM is immunophenotypically distinct from the other meningeal layers in the human and mouse brain and represents a tight barrier for solutes of more than 3 kilodaltons, effectively subdividing the subarachnoid space into two different compartments. SLYM is the host for a large population of myeloid cells, the number of which increases in response to inflammation and aging, so this layer represents an innate immune niche ideally positioned to surveil the cerebrospinal fluid. —SMH , A fourth meningeal layer acts as a barrier that divides the subarachnoid space into two distinct compartments.

ABSTRACT The glymphatic system is a fluid transport network of cerebrospinal fluid (CSF) entering the brain along arterial perivascular spaces, exchanging with interstitial fluid (ISF), ultimately establishing directional clearance of interstitial solutes. CSF transport is facilitated by the expression of aquaporin-4 (AQP4) water channels on the perivascular endfeet of astrocytes. Mice with genetic deletion of AQP4 (AQP4 KO) exhibit abnormalities in the brain structure and molecular water transport. Yet, no studies have systematically examined how these abnormalities in structure and water transport correlate with glymphatic function. Here we used high-resolution 3D magnetic resonance (MR) non-contrast cisternography, diffusion-weighted MR imaging (MR-DWI) along with intravoxel-incoherent motion (IVIM) DWI, while evaluating glymphatic function using a standard dynamic contrast-enhanced MR imaging to better understand how water transport and glymphatic function is disrupted after genetic deletion of AQP4. AQP4 KO mice had larger interstitial spaces and total brain volumes resulting in higher water content and reduced CSF space volumes, despite similar CSF production rates and vascular density compared to wildtype mice. The larger interstitial fluid volume likely resulted in increased slow but not fast MR diffusion scores and coincided with reduced glymphatic influx. This markedly altered brain fluid transport in AQP4 KO mice may result from a reduction in glymphatic clearance, leading to stagnation of ISF movement and enlargement of the interstitial space. Overall, diffusion MR is a useful tool to evaluate glymphatic function and may serve as valuable translational biomarker to study glymphatics in human disease.