Summary Cerebrovasculature and its mural cells must meet dynamic energy demands of different neuronal cell types across the brain, but their spatial relationship is largely unknown. Here, we apply brain-wide mapping methods to create a comprehensive cellular-resolution resource comprising the distribution of and quantitative relationship between cerebrovasculature, pericytes, and glutamatergic and GABAergic neurons, including neuronal nitric oxide synthase-positive (nNOS+) neurons and their subtypes, as well as simulation-ready vascular tracing data in mice. We discover strikingly high densities of vasculature and pericytes with high blood perfusion in primary motor-sensory cortices compared to association cortices that show significant positive and negative correlation with parvalbumin+ and nNOS+ neurons, respectively. Thalamo-striatal areas linked to primary motor-sensory cortices also contain high densities of vasculature and pericytes compared to association areas. Collectively, our results unveil a finely tuned spatial relationship between cerebrovascular network and neuronal cell composition in meeting regional energy needs of the brain.

Aging is the largest risk factor for neurodegenerative disorders, and commonly associated with compromised cerebrovasculature and pericytes. However, we do not know how normal aging differentially impacts the vascular structure and function in different brain areas. Here we utilize mesoscale microscopy methods (serial two-photon tomography and light sheet microscopy) and in vivo imaging (wide field optical spectroscopy and two-photon imaging) to determine detailed changes in aged cerebrovascular networks. Whole-brain vascular tracing showed an overall ~10% decrease in vascular length and branching density, and light sheet imaging with 3D immunolabeling revealed increased arteriole tortuosity in aged brains. Vasculature and pericyte densities showed significant reductions in the deep cortical layers, hippocampal network, and basal forebrain areas. Moreover, in vivo imaging in awake mice identified delays in neurovascular coupling and disrupted blood oxygenation. Collectively, we uncover regional vulnerabilities of cerebrovascular network and physiological changes that can mediate cognitive decline in normal aging.

Abstract The concentration of oxygen in the brain spontaneously fluctuates, and the power distribution in these fluctuations has 1/f-like dynamics. Though these oscillations have been interpreted as being driven by neural activity, the origins of these 1/f-like oscillations is not well understood. Here, to gain insight of the origin of the 1/f-like oxygen fluctuations, we investigated the dynamics of tissue oxygenation and neural activity in awake behaving mice. We found that oxygen signal recorded from the cortex of mice had 1/f-like spectra. However, band-limited power in the local field potential, did not show corresponding 1/f-like fluctuations. When local neural activity was suppressed, the 1/f-like fluctuations in oxygen concentration persisted. Two-photon measurements of erythrocyte spacing fluctuations (‘stalls’) and mathematical modelling show that stochastic fluctuations in erythrocyte flow and stalling could underlie 1/f-like dynamics in oxygenation. These results show discrete nature of erythrocytes and their irregular flow, rather than neural activity, could drive 1/f-like fluctuations in tissue oxygenation.

Functional magnetic resonance imaging (fMRI) has allowed the noninvasive study of task-based and resting-state brain dynamics in humans by inferring neural activity from blood-oxygenation-level dependent (BOLD) signal changes. An accurate interpretation of the hemodynamic changes that underlie fMRI signals depends on the understanding of the quantitative relationship between changes in neural activity and changes in cerebral blood flow, oxygenation and volume. While there has been extensive study of neurovascular coupling in anesthetized animal models, anesthesia causes large disruptions of brain metabolism, neural responsiveness and cardiovascular function. Here, we review work showing that neurovascular coupling and brain circuit function in the awake animal are profoundly different from those in the anesthetized state. We argue that the time is right to study neurovascular coupling and brain circuit function in the awake animal to bridge the physiological mechanisms that underlie animal and human neuroimaging signals, and to interpret them in light of underlying neural mechanisms. Lastly, we discuss recent experimental innovations that have enabled the study of neurovascular coupling and brain-wide circuit function in un-anesthetized and behaving animal models.

In the adult sensory cortex, increases in neural activity elicited by sensory stimulation usually drives vasodilation mediated by neurovascular coupling. However, whether neurovascular coupling is the same in neonatal animals as adults is controversial, as both canonical and inverted responses have been observed. We investigated the nature of neurovascular coupling in unanesthetized neonatal mice using optical imaging, electrophysiology, and BOLD fMRI. We find in neonatal (postnatal day 15, P15) mice, sensory stimulation induces a small increase in blood volume/BOLD signal, often followed by a large decrease in blood volume. An examination of arousal state of the mice revealed that neonatal mice were asleep a substantial fraction of the time, and that stimulation caused the animal to awaken. As cortical blood volume is much higher during REM and NREM sleep than the awake state, awakening occludes any sensory-evoked neurovascular coupling. When neonatal mice are stimulated during an awake period, they showed relatively normal (but slowed) neurovascular coupling, showing that that the typically observed constriction is due to arousal state changes. These result show that sleep-related vascular changes dominate over any sensory-evoked changes, and hemodynamic measures need to be considered in the context of arousal state changes.In the adult brain, increases in neural activity are often followed by vasodilation, allowing activity to be monitored using optical or magnetic resonance imaging. However, in neonates, sensory stimulation can drive vasoconstriction, whose origin was not understood. We used optical and magnetic resonance imaging approaches to investigate hemodynamics in neonatal mice. We found that sensory-induced vasoconstriction occurred when the mice were asleep, as sleep is associated with dilation of the vasculature of the brain relative to the awake state. The stimulus awakens the mice, causing a constriction due to the arousal state change. Our study shows the importance of monitoring arousal state, particularly when investigating subjects that may sleep, and the dominance arousal effects on brain hemodynamics.

In the brain, increased neural activity is correlated with an increase of cerebral blood flow and increased tissue oxygenation. However, how cerebral oxygen dynamics are controlled in the behaving animals remains unclear. Here, we investigated to what extent the cerebral oxygenation varies during natural behaviors that change the whole-body homeostasis, specifically exercise. We measured oxygen levels in the cortex of awake, head-fixed mice during locomotion using polarography, spectroscopy, and two-photon phosphorescence lifetime measurements of oxygen sensors. We found that locomotion significantly and globally increases cerebral oxygenation, specifically in areas involved in locomotion, as well as in the frontal cortex and the olfactory bulb. The oxygenation increase persisted when neural activity and functional hyperemia were blocked, occurred both in the tissue and in arteries feeding the brain, and was tightly correlated with respiration rate and the phase of respiration cycle. Thus, respiration provides a dynamic pathway for modulating cerebral oxygenation.

Cerebrospinal fluid (CSF) flows through the brain, transporting chemical signals and removing waste. CSF production in the brain is balanced by a constant outflow of CSF, the anatomical basis of which is poorly understood. Here we characterized the anatomy and physiological function of the CSF outflow pathway along the olfactory sensory nerves through the cribriform plate, and into the nasal epithelia. Chemical ablation of olfactory sensory nerves greatly reduced outflow of CSF through the cribriform plate. The reduction in CSF outflow did not cause an increase in intracranial pressure (ICP), consistent with an alteration in the pattern of CSF drainage or production. Our results suggest that damage to olfactory sensory neurons (such as from air pollution) could contribute to altered CSF turnover and flow, providing a potential mechanism for neurological diseases.