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.

Abstract Small animal studies in biomedical research often require anesthesia to reduce pain or stress experienced by research animals and to minimize motion artifact for imaging or other measurements. Anesthetized animals should be closely monitored to avoid complications and unintended effects of altered physiology during such procedures. Many currently available monitoring devices can be expensive, invasive, or interfere with experimental design. Here, we present a low-cost device, based on a simple piezoelectric sensor, with a custom circuit and computer software that allows for measurements of both respiratory rate and heart rate in a non-invasive, minimal contact manner. We find the accuracy of the MousePZT device in measuring respiratory and heart rate under anesthesia and with pharmacologically induced changes in heart rate match those of commercial or more invasive systems. We also demonstrate that changes in respiratory rate can precede changes in heart rate associated with alterations in anesthetic depth. Additional circuitry on the device outputs a respiration locked trigger signal for respiratory-gating of imaging or other data acquisition that has high sensitivity and specificity for detecting respiratory cycles. We provide detailed construction documents and all necessary microcontroller and computer software, enabling straightforward adoption of this device.

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.

Laser speckle contrast imaging (LSCI) is a widefield imaging technique that enables high spatiotemporal resolution measurement of blood flow. Laser coherence, optical aberrations, and static scattering effects restrict LSCI to relative and qualitative measurements. Multi-exposure speckle imaging (MESI) is a quantitative extension of LSCI that accounts for these factors but has been limited to post-acquisition analysis due to long data processing times. Here we propose and test a real-time quasi-analytic solution to fitting MESI data, using both simulated and real-world data from a mouse model of photothrombotic stroke. This rapid estimation of multi-exposure imaging (REMI) enables processing of full-frame MESI images at up to 8 Hz with negligible errors relative to time-intensive least-squares methods. REMI opens the door to real-time, quantitative measures of perfusion change using simple optical systems.

RNA macromolecules, like proteins, fold to assume shapes that are intimately connected to their broadly recognized biological functions; however, because of their high charge and dynamic nature, RNA structures are far more challenging to determine. We introduce an approach that exploits the high brilliance of x-ray free electron laser sources to reveal the formation and ready identification of Å scale features in structured and unstructured RNAs. New structural signatures of RNA secondary and tertiary structures are identified through wide angle solution scattering experiments. With millisecond time resolution, we observe an RNA fold from a dynamically varying single strand through a base paired intermediate to assume a triple helix conformation. While the backbone orchestrates the folding, the final structure is locked in by base stacking. In addition to understanding how RNA triplexes form and thereby function as dynamic signaling elements, this new method can vastly increase the rate of structure determination for these biologically essential, but mostly uncharacterized macromolecules.

Abstract In partial onset epilepsy, seizures arise focally in the brain and often propagate, causing acute behavior changes, chronic cognitive decline, and increased mortality. Patients frequently become refractory to medical management, leaving neurosurgical resection of the seizure focus as a primary treatment, which can cause neurologic deficits. In the cortex, focal seizures are thought to spread through horizontal connections in layers II/III, suggesting that selectively severing these connections could block seizure propagation while preserving normal columnar circuitry and function. We induced focal neocortical epilepsy in mice and used tightly-focused femtosecond-duration laser pulses to create a sub-surface, opencylinder cut surrounding the seizure focus and severing cortical layers II-IV. We monitored seizure propagation using electrophysiological recordings at the seizure focus and at distant electrodes for 3-8 months. With laser cuts, only 5% of seizures propagated to the distant electrodes, compared to 85% in control animals. Laser cuts also decreased the number of seizures that were initiated, so that the average number of propagated seizures per day decreased from 42 in control mice to 1.5 with laser cuts. Physiologically, these cuts produced a modest decrease in cortical blood flow that recovered within days and, at one month, left a ~20-μm wide scar with increased gliosis and localized inflammatory cell infiltration but minimal collateral damage. When placed over motor cortex, cuts did not cause notable deficits in a skilled reaching task. Femtosecond laser produced sub-surface cuts hold promise as a novel neurosurgical approach for intractable focal cortical epilepsy, as might develop following traumatic brain injury. Once sentence summary In a mouse model of focal epilepsy, sub-surface laser-produced cuts encircling the seizure focus attenuate propagation without behavioral impairment.