It is well known that the density of neurons varies within the adult brain. In neocortex, this includes variations in neuronal density between different lamina as well as between different regions. Yet the concomitant variation of the microvessels is largely uncharted. Here, we present automated histological, imaging, and analysis tools to simultaneously map the locations of all neuronal and non-neuronal nuclei and the centerlines and diameters of all blood vessels within thick slabs of neocortex from mice. Based on total inventory measurements of different cortical regions ( approximately 10(7) cells vectorized across brains), these methods revealed: (1) In three dimensions, the mean distance of the center of neuronal somata to the closest microvessel was 15 mum. (2) Volume samples within lamina of a given region show that the density of microvessels does not match the strong laminar variation in neuronal density. This holds for both agranular and granular cortex. (3) Volume samples in successive radii from the midline to the ventral-lateral edge, where each volume summed the number of cells and microvessels from the pia to the white matter, show a significant correlation between neuronal and microvessel densities. These data show that while neuronal and vascular densities do not track each other on the 100 mum scale of cortical lamina, they do track each other on the 1-10 mm scale of the cortical mantle. The absence of a disproportionate density of blood vessels in granular lamina is argued to be consistent with the initial locus of functional brain imaging signals.

Storing memories of ongoing, everyday experiences requires a high degree of plasticity, but retaining these memories demands protection against changes induced by further activity and experience. Models in which memories are stored through switch-like transitions in synaptic efficacy are good at storing but bad at retaining memories if these transitions are likely, and they are poor at storage but good at retention if they are unlikely. We construct and study a model in which each synapse has a cascade of states with different levels of plasticity, connected by metaplastic transitions. This cascade model combines high levels of memory storage with long retention times and significantly outperforms alternative models. As a result, we suggest that memory storage requires synapses with multiple states exhibiting dynamics over a wide range of timescales, and we suggest experimental tests of this hypothesis.

A polished and reinforced thinned-skull procedure is used to create a large, chronically stable window in the skull that allows repeated imaging of cortical structures as well as optically guided physiological manipulation. It is proposed as an alternative to the craniotomy and current thinned-skull methods. We present a method to form an optical window in the mouse skull that spans millimeters and is stable for months without causing brain inflammation. This enabled us to repeatedly image blood flow in cortical capillaries of awake mice and determine long-range correlations in speed. We also repeatedly imaged dendritic spines, microglia and angioarchitecture, as well as used illumination to drive motor output via optogenetics and induce microstrokes via photosensitizers.

Neural activity in the brain is followed by localized changes in blood flow and volume. We address the relative change in volume for arteriole vs. venous blood within primary vibrissa cortex of awake, head-fixed mice. Two-photon laser-scanning microscopy was used to measure spontaneous and sensory evoked changes in flow and volume at the level of single vessels. We find that arterioles exhibit slow (<1 Hz) spontaneous increases in their diameter, as well as pronounced dilation in response to both punctate and prolonged stimulation of the contralateral vibrissae. In contrast, venules dilate only in response to prolonged stimulation. We conclude that stimulation that occurs on the time scale of natural stimuli leads to a net increase in the reservoir of arteriole blood. Thus, a “bagpipe” model that highlights arteriole dilation should augment the current “balloon” model of venous distension in the interpretation of fMRI images.

Abstract Changes in cortical neural activity are coupled to changes in local arterial diameter and blood flow. However, the neuronal types and the signaling mechanisms that control the basal diameter of cerebral arteries or their evoked dilations are not well understood. Using chronic two-photon microscopy, electrophysiology, chemogenetics, and pharmacology in awake, head-fixed mice, we dissected the cellular mechanisms controlling the basal diameter and evoked dilation in cortical arteries. We found that modulation of overall neural activity up or down caused corresponding increases or decreases in basal arterial diameter. Surprisingly, modulation of pyramidal neuron activity had minimal effects on basal or evoked arterial dilation. Instead, the neurally-mediated component of arterial dilation was largely regulated through nitric oxide released by neuronal nitric oxide synthase (nNOS)-expressing neurons, whose activity was not reflected in electrophysiological measures of population activity. Our results show that cortical hemodynamic signals are not controlled by the average activity of the neural population, but rather the activity of a small ‘oligarchy’ of neurons.

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.

Abstract Arousal state affects neural activity and vascular dynamics in the cortex, with sleep associated with large changes in the local field potential (LFP) and increases in cortical blood flow. We investigated the relationship between pupil diameter and blink rate with neural activity and blood volume in the somatosensory cortex in male and female unanesthetized, head-fixed mice. We monitored these variables while the mice were awake, during periods of rapid eye movement (REM), and non-rapid eye movement (NREM) sleep. Pupil diameter was smaller during sleep than in the awake state. Changes in pupil diameter were coherent with both gamma-band power and blood volume in the somatosensory cortex, but the strength and sign of this relationship varied with arousal state. We observed a strong negative correlation between pupil diameter and both gamma-band power and blood volume during periods of awake rest and NREM sleep, though the correlations between pupil diameter and these signals became positive during periods of alertness, active whisking, and REM. Blinking was associated with increases in arousal and decreases in blood volume when the mouse was asleep. Bilateral coherence in gamma-band power and in blood volume dropped following awake blinking, indicating a ‘reset’ of neural and vascular activity. Using only eye metrics (pupil diameter and eye motion), we could determine the mouse’s arousal state (‘Awake’, ‘NREM’, ‘REM’) with greater than 90% accuracy with a 5 second resolution. There is a strong relationship between pupil diameter and hemodynamics signals in mice, reflecting the pronounced effects of arousal on cerebrovascular dynamics. Significance Statement Determining arousal state is a critical component of any neuroscience experiment. Pupil diameter and blinking are influenced by arousal state, as are hemodynamics signals in the cortex. We investigated the relationship between cortical hemodynamics and pupil diameter and found that pupil diameter was strongly related to the blood volume in the cortex. Mice were more likely to be awake after blinking than before, and blinking ‘resets’ neural activity. Pupil diameter and eye motion can be used as a reliable, non-invasive indicator of arousal state. As mice transition from wake to sleep and back again over a timescale of seconds, monitoring pupil diameter and eye motion permits the non-invasive detection of sleep events during behavioral or resting-state experiments.

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 movement of fluid into, through, and out of the brain plays an important role in clearing metabolic waste. However, there is controversy regarding the mechanisms driving fluid movement, and whether the movement metabolic waste is primarily driven by diffusion or convection. The dilation of penetrating arterioles in the brain in response to increases in neural activity (neurovascular coupling) is an attractive candidate for driving fluid circulation, as it drives deformation of the brain tissue and of the paravascular space around arteries, resulting in fluid movement. We simulated the effects of vasodilation on fluid movement into and out of the brain using a novel poroelastic model of brain tissue. We found that arteriolar dilations could drive convective flow through the brain radially outward from the arteriole, and that this flow is sensitive to the dynamics of the dilation. Simulations of sleep-like conditions, with larger vasodilations and increased extracellular volume in the brain showed enhanced movement of fluid from the paravascular space into the brain. Our simulations suggest that both sensory-evoked and sleep-related arteriolar dilations can drive convective flow of cerebrospinal fluid from the paravascular space into the brain tissue around arterioles.

SUMMARY Somatostatin (SST) neurons in the prelimbic (PL) cortex mediate a variety of behavioral states. However, little is known about the actions of somatostatin peptide signaling in shaping cortical functioning and behavior. Here, we sought to characterize the unique physiological and behavioral roles of the SST peptide in the PL cortex. We employed a combination of ex vivo pharmacologic and optogenetic electrophysiology, in vivo calcium monitoring, and in vivo peptide pharmacology to explore the role of SST neuron and peptide signaling in the mouse PL cortex. Whole-cell slice electrophysiology was conducted in pyramidal and GABAergic neurons in the PL cortex of C57BL/6J and SST-IRES-Cre male and female mice to characterize the pharmacological mechanism of SST signaling. Fiber photometry of GCaMP6f fluorescent calcium signals from SST neurons was conducted to characterize the activity profile of SST neurons during exploration of an elevated plus maze (EPM) and open field test (OFT). We further used local delivery of both a broad SST receptor (SSTR) agonist and antagonist into bilateral PL cortex to test causal effects of SST administration and receptor blockade on these same exploratory behaviors. SSTR activation broadly hyperpolarized layer 2/3 pyramidal neurons in the PL cortex in both male and female mice ex vivo , an effect that was recapitulated with optogenetic stimulation of SST neurons, through both monosynaptic and polysynaptic GABA neuron-mediated mechanisms of action. This hyperpolarization was blocked by pre-application of the SSTR antagonist cyclo-somatostatin (cyclo-SST) and was non-reversible. SST neurons in PL were activated during EPM and OFT exploration, indicating task-related recruitment of these neurons. Lastly, in line with this exploration-related activity profile, SSTR agonist administration directly into the PL enhanced open arm exploration in the EPM, while in vivo administration of an antagonist had no effect. Together, this work describes a broad ability for SST peptide signaling to modulate microcircuits within the prefrontal cortex and related exploratory behaviors.