Significance This study shows that neurodegenerative changes induced by α-synuclein in midbrain dopamine neurons in vivo can be blocked through activation of the autophagy-lysosome pathway. Using an adeno-associated virus model of Parkinson disease to overexpress α-synuclein in the substantia nigra, we show that genetic [transcription factor EB (TFEB) and Beclin-1 overexpression] or pharmacological (rapalog) manipulations that enhance autophagy protect nigral neurons from α-synuclein toxicity, but inhibiting autophagy exacerbates α-synuclein toxicity. The results provide a mechanistic link between α-synuclein toxicity and impaired TFEB function, and identify TFEB as a target for therapies aimed at neuroprotection and disease modification in Parkinson disease.

Classical migraine patients experience aura, which is transient neurological deficits associated with cortical spreading depression (CSD), preceding headache attacks. It is not currently understood how a pathological event in cortex can affect peripheral sensory neurons. In this study, we show that cerebrospinal fluid (CSF) flows into the trigeminal ganglion, establishing nonsynaptic signaling between brain and trigeminal cells. After CSD, ~11% of the CSF proteome is altered, with up-regulation of proteins that directly activate receptors in the trigeminal ganglion. CSF collected from animals exposed to CSD activates trigeminal neurons in naïve mice in part by CSF-borne calcitonin gene–related peptide (CGRP). We identify a communication pathway between the central and peripheral nervous system that might explain the relationship between migrainous aura and headache.

Abstract The dopamine transporter (DAT) is part of a presynaptic multi-protein network involving interactions with scaffold proteins via its C-terminal PDZ-domain binding sequence. In a mouse model expressing DAT with mutated PDZ binding sequence (DAT-AAA), we previously demonstrated the importance of this binding sequence for striatal expression of DAT. Here we show by application of direct Stochastic Reconstruction Microscopy (dSTORM) not only that the striatal level of transporter is reduced in DAT-AAA mice, but also that the nanoscale distribution of the transporter is altered with a higher propensity of DAT-AAA to localize to irregular nanodomains in dopaminergic terminals. In parallel, we observe mesostriatal dopamine (DA) adaptations and changes in DA-related behaviors different from those seen in other genetic DAT mouse models. DA levels in striatum are reduced to ∼45% of wild type (WT), accompanied by elevated DA turnover. Nonetheless, Fast-Scan Cyclic Voltammetry recordings on striatal slices reveal a larger amplitude and prolonged clearance rate of evoked DA release in DAT-AAA mice compared to WT mice. Autoradiography and radioligand binding show reduced DA D2 receptor levels while immunohistochemistry and autoradiography show unchanged DA D1 receptor levels. In behavioral experiments, we observe enhanced self-administration of liquid food under both a fixed-ratio (FR1) and progressive-ratio (PR) schedule of reinforcement, but a reduction compared to WT when using cocaine as reinforcer. Summarized, our data demonstrate how disruption of PDZ-domain interactions causes changes in DAT expression and its nanoscopic distribution that in turn alter DA clearance dynamics.

We here revisited the concept that glymphatic clearance is enhanced by sleep and anesthesia. Utilizing dynamic magnetic resonance imaging (MRI), single photon emission computed tomography (SPECT), and fluorescent fiber photometry, we report brain glymphatic clearance is enhanced by both sleep and anesthesia, and sharply suppressed by wakefulness. Another key finding was that less tracer enters the brains of awake animals and that brain clearance across different brain states can only be compared after adjusting for the injected tracer dose.

Abstract Studying blood microcirculation is vital for gaining insights into vascular diseases. Acute administration of fluorescent tracers is currently used for deep tissue blood flow imaging. This is invasive, and the plasma fluorescence decreases within an hour of administration. We report a novel approach for the longitudinal study of vasculature. Using a single systemic administration of viral vectors, we express fluorescent secretory albumin-fusion proteins in the liver to label the blood in mice. All segments of the vasculature in brain and peripheral tissue are observable by two-photon microscopy within two weeks of vector administration. This approach allows for observation of circulation without the need for repeated administration for several months. We demonstrate the chronic assessment of vascular functions at micro-and mesoscopic scales. This genetic plasma labeling approach represents a versatile and cost-effective method for the chronic investigation of vasculature functions across the body in health and disease.

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

Cocaine addiction is a chronic illness characterized by maladaptive drug-induced neuroplastic changes that confer lasting vulnerability to relapse. Over several weeks we observed the effects of the M1 receptor-selective agonist VU0364572 in adult male rats that self-administer cocaine in a cocaine vs. natural reinforcer choice procedure. The drug showed unusual long-lasting effects, as rats gradually stopped self-administering cocaine, reallocating behavior towards the food reinforcer. The effect lasted as long as tested and at least four weeks. To begin to elucidate how VU0364572 modulates cocaine self-administration, we then examined its long-term effects using dual-probe in vivo dopamine and glutamate microdialysis in nucleus accumbens and medial prefrontal cortex, and ex vivo striatal dopamine reuptake. Microdialysis revealed dramatic decreases in cocaine-induced dopamine and glutamate outflow four weeks after VU0364572 treatment, without significant changes in dopamine uptake function. These lasting and dramatic effects of M1 receptor stimulation reinforce our interest in this target as potential treatment of cocaine addiction. M1 receptors are known to modulate medium spiny neuron responses to corticostriatal glutamatergic signaling acutely, and we hypothesize that VU0364572 may oppose the addiction-related effects of cocaine by causing lasting changes in this system.

Background Impaired glymphatic clearance of cerebral metabolic products and fluids contribute to traumatic and ischemic brain edema and neurodegeneration in preclinical models. Glymphatic perivascular cerebrospinal fluid flow varies between anesthetics possibly due to changes in vasomotor tone and thereby in the dynamics of the periarterial cerebrospinal fluid (CSF)–containing space. To better understand the influence of anesthetics and carbon dioxide levels on CSF dynamics, this study examined the effect of periarterial size modulation on CSF distribution by changing blood carbon dioxide levels and anesthetic regimens with opposing vasomotor influences: vasoconstrictive ketamine–dexmedetomidine (K/DEX) and vasodilatory isoflurane. Methods End-tidal carbon dioxide (ETco2) was modulated with either supplemental inhaled carbon dioxide to reach hypercapnia (Etco2, 80 mmHg) or hyperventilation (Etco2, 20 mmHg) in tracheostomized and anesthetized female rats. Distribution of intracisternally infused radiolabeled CSF tracer 111In-diethylamine pentaacetate was assessed for 86 min in (1) normoventilated (Etco2, 40 mmHg) K/DEX; (2) normoventilated isoflurane; (3) hypercapnic K/DEX; and (4) hyperventilated isoflurane groups using dynamic whole-body single-photon emission tomography. CSF volume changes were assessed with magnetic resonance imaging. Results Under normoventilation, cortical CSF tracer perfusion, perivascular space size around middle cerebral arteries, and intracranial CSF volume were higher under K/DEX compared with isoflurane (cortical maximum percentage of injected dose ratio, 2.33 [95% CI, 1.35 to 4.04]; perivascular size ratio 2.20 [95% CI, 1.09 to 4.45]; and intracranial CSF volume ratio, 1.90 [95% CI, 1.33 to 2.71]). Under isoflurane, tracer was directed to systemic circulation. Under K/DEX, the intracranial tracer distribution and CSF volume were uninfluenced by hypercapnia compared with normoventilation. Intracranial CSF tracer distribution was unaffected by hyperventilation under isoflurane despite a 28% increase in CSF volume around middle cerebral arteries. Conclusions K/DEX and isoflurane overrode carbon dioxide as a regulator of CSF flow. K/DEX could be used to preserve CSF space and dynamics in hypercapnia, whereas hyperventilation was insufficient to increase cerebral CSF perfusion under isoflurane. Editor’s Perspective What We Already Know about This Topic What This Article Tells Us That Is New