The majority of the brain’s vasculature is comprised of intricate capillary networks lined by capillary pericytes. However, it remains unclear whether capillary pericytes contribute to blood flow control. Using two-photon microscopy to observe and manipulate single capillary pericytes in vivo , we find their optogenetic stimulation decreases lumen diameter and blood flow, but with slower kinetics than mural cells of upstream pial and pre-capillary arterioles. This slow, optogenetically-induced vasoconstriction was inhibited by the clinically-used vasodilator fasudil, a Rho kinase inhibitor that blocks contractile machinery. Capillary pericytes were also slower to constrict back to baseline following hypercapnia-induced dilation, and relax towards baseline following optogenetically-induced vasoconstriction. In a complementary approach, optical ablation of single capillary pericytes led to sustained local dilation and a doubling of blood cell flux in capillaries lacking pericyte contact. Altogether these data indicate that capillary pericytes contribute to basal blood flow resistance and slow modulation of blood flow throughout the capillary bed.

ABSTRACT Deterioration of brain capillary flow and architecture is a hallmark of aging and dementia. It remains unclear how loss of brain pericytes in these conditions contributes to capillary dysfunction. Here, we conduct cause-and-effect studies by optically ablating pericytes in adult and aged mice in vivo. Focal pericyte loss induces capillary dilation without blood-brain barrier disruption. These abnormal dilations are exacerbated in the aged brain, and result in increased flow heterogeneity in capillary networks. A subset of affected capillaries experience reduced perfusion due to flow steal. Some capillaries stall in flow and regress, leading to loss of capillary connectivity. Remodeling of neighboring pericytes restores endothelial coverage and vascular tone within days. Pericyte remodeling is slower in the aged brain, resulting in regions of persistent capillary dilation. These findings link pericyte loss to disruption of capillary flow and structure. They also identify pericyte remodeling as a therapeutic target to preserve capillary flow dynamics.

ABSTRACT Smooth muscle cells and pericytes, together called mural cells, coordinate many distinct vascular functions. Smooth muscle cells are ring-shaped and cover arterioles with circumferential processes, whereas pericytes extend thin processes that run longitudinally along capillaries. In between these canonical mural cell types are cells with mixed phenotype of both smooth muscle cells and pericytes. Recent studies suggest that these transitional cells are critical for controlling blood flow to the capillary bed during health and disease, but there remains confusion on how to identify them and where they are located in the brain microvasculature. To address this issue, we measured the morphology, vascular territory, and α-smooth muscle actin content of structurally diverse mural cells in adult mouse cortex. We first imaged intact 3-D vascular networks to establish the locations of major gradations in mural cell appearance as arterioles branched into capillaries. We then imaged individual mural cells occupying the regions within these gradations. This revealed two transitional cells that were often similar in appearance, but with sharply contrasting levels of α-smooth muscle actin. Our findings highlight the diversity of mural cell morphologies in brain microvasculature, and provide guidance for identification and categorization of mural cell types.