Sensory stimulation evokes a local, vasodilation-mediated blood flow increase to the activated brain region, which is referred to as functional hyperemia. Spontaneous vasomotion is a change in arteriolar diameter that occurs without sensory stimulation, at low frequency (∼0.1 Hz). These vessel diameter changes are a driving force for perivascular soluble waste clearance, the failure of which has been implicated in neurodegenerative disease. Stimulus-evoked vascular reactivity is known to propagate along penetrating arterioles to pial arterioles, but it is unclear whether spontaneous vasomotion propagates similarly. We therefore imaged both stimulus-evoked and spontaneous changes in pial arteriole diameter in awake, head-fixed mice with 2-photon microscopy. By cross-correlating different regions of interest (ROIs) along the length of imaged arterioles, we assessed vasomotion propagation. We found that both during rest and during visual stimulation, one-third of the arterioles showed significant propagation (i.e., a wave), with a median (interquartile range) wave speed of 405 (323) µm/s at rest and 345 (177) µm/s during stimulation. In a second group of mice, with GCaMP expression in their vascular smooth muscle cells, we also found spontaneous propagation of calcium signaling along pial arterioles. In summary, we demonstrate that spontaneous vasomotion propagates along pial arterioles like stimulus-evoked vascular reactivity.

Abstract Converging lines of evidence suggest that dysfunction of cortical parvalbumin-expressing (PV+) GABAergic interneurons is a core feature of psychosis. This dysfunction is thought to underlie neuroimaging abnormalities commonly found in patients with psychosis, particularly in the hippocampus. These include increases in resting cerebral blood flow (CBF) and levels of glutamatergic metabolites, and decreases in binding of GABA A α5 receptors and the synaptic density marker synaptic vesicle glycoprotein 2A (SV2A). However, direct links between PV+ interneuron dysfunction and these neuroimaging readouts have yet to be established. Conditional deletion of a schizophrenia susceptibility gene, the tyrosine kinase receptor Erbb4 , from cortical and hippocampal PV+ interneurons leads to several synaptic, behavioral and cognitive phenotypes relevant to psychosis in mice. Here, we investigated how this PV+ interneuron disruption affects the hippocampal in vivo neuroimaging readouts in the Erbb4 model. Adult Erbb4 conditional mutant mice ( Lhx6-Cre;Erbb4 F/F , n=12) and their wild-type littermates ( Erbb4 F/F , n=12) were scanned in a 9.4T magnetic resonance scanner to quantify CBF and glutamatergic metabolite levels (glutamine, glutamate, GABA). Subsequently, we assessed GABA A receptors and SV2A density using quantitative autoradiography. Erbb4 mutant mice showed significantly elevated CBF and glutamine levels, as well as decreased SV2A density compared to wild-type littermates. No significant GABA A receptor density differences were identified. These findings demonstrate that specific disruption of cortical PV+ interneurons in mice recapitulate some of the key neuroimaging findings in psychosis patients, and link PV+ interneuron deficits to non-invasive, translational measures of brain function and neurochemistry that can be used across species.

Abstract Adequate perfusion is critical for maintaining normal brain function and aberrations thereof are hallmarks of many diseases. Pseudo-Continuous Arterial Spin Labelling (pCASL) MRI enables noninvasive perfusion mapping without contrast agent injection and with higher signal-to-noise ratio (SNR) than alternative methods. Despite its great potential, pCASL remains challenging, unstable, and relatively low-resolution in rodents – especially in mice – thereby limiting the investigation of perfusion properties in many transgenic or other relevant rodent models of disease. Here, we address this gap by developing a novel experimental setup for high-resolution pCASL imaging in mice and combining it with the enhanced SNR of cryogenic probes. We show that our new experimental setup allows for optimal positioning of the carotids within the cryogenic coil, rendering labelling reproducible. With the proposed methodology, we managed to increase the spatial resolution of pCASL perfusion images by a factor of 15 in mice; a factor of 6 in rats is gained compared to the state of the art just by virtue of the cryogenic coil. We also show that the improved pCASL perfusion imaging allows much better delineation of specific brain areas, both in healthy animals as well as in rat and mice models of stroke. Our results bode well for future high-definition pCASL perfusion imaging in rodents.

Abstract Purpose To employ an Off-Resonance Saturation (ORS) method to measure the ferritin-bound iron pool, which is an endogenous contrast agent which can give information on cellular iron status. Methods An ORS acquisition protocol was implemented on a 7T preclinical scanner and the contrast maps were fitted to an established analytical model. The method was validated by correlation and Bland-Altman analysis on a ferritin-containing phantom. Ferritin-iron maps were obtained from post-mortem tissue of patients with neurological diseases characterized by brain iron accumulation, i. e. Alzheimer’s disease, Huntington’s disease and aceruloplasminemia, and validated with histology. Transverse relaxation rate and magnetic susceptibility values were also obtained for comparison. Results In post-mortem tissue, the ferritin-iron contrast strongly co-localizes with histological iron staining, in all the cases. Quantitative iron values obtained via the ORS method are in agreement with literature. Conclusions Off-resonance saturation is an effective way to detect iron in grey matter structures, while mitigating for the presence of myelin. If a reference region with little iron is available in the tissue, the method can produce quantitative iron maps. This method is applicable in the study of brain diseases characterized by brain iron accumulation and complement existing iron-sensitive parametric methods.

Abstract In modern society, the widespread use of artificial light at night disrupts the suprachiasmatic nucleus (SCN), which serves as our central circadian clock. Existing models describe excitatory responses of the SCN to primarily blue light, but direct measures in humans are absent. The combination of state-of-the-art neuroimaging techniques and custom-made MRI compatible LED devices allowed to directly measure the light response of the SCN. In contrast to the general expectation, we found that SCN activity was suppressed by light. The suppressions were observed not only in response to narrowband blue light (λ max : 470nm) but remarkably, also in response to green (λ max : 515nm) and orange (λ max : 590nm), but not to violet light (λ max : 405nm). The broadband sensitivity of the SCN implies that strategies on light exposure should be revised: enhancement of light levels during daytime is possible with wavelengths other than blue, while during nighttime, all colors are potentially disruptive.

ABSTRACT Vascular dysfunction is increasingly recognized to play a role in the development of Alzheimer’s disease (AD). The relation between vascular dysfunction and the neuropathological amyloid β accumulation characteristic for AD is however unclear. The limited resolution of in vivo imaging techniques, the intricate 3D structure of the microvasculature and the different co-occurring types of amyloid β accumulation in patients hamper studying this relation in patients. Here, we therefore employed the APP/PS1 mouse model, which develops parenchymal amyloid β plaques, to study the effect of parenchymal amyloid β plaques on the structure and function of the vasculature. Blood vessels and amyloid β plaques were fluorescently labeled in vivo with lectin-DyLight594 and methoxy XO4, respectively, in APP/PS1 mice at old age. The brain tissue was cleared post-mortem with the CUBIC clearing protocol, which allowed structural imaging at microscopic resolution of the vessels and plaques in a large 3D volume. Segmentation of the vasculature enabled mapping of the microvascular Cerebral Blood Volume (mCBV), which ranged from 2 % to 5 % in the white matter and the thalamus, respectively. No mCBV differences were observed between APP/PS1 mice and wild type (WT) control mice. The effect of the amyloid β plaques on vascular function was studied in vivo by measuring Cerebral Blood Flow (CBF) and Arterial Transit Time (ATT) with Arterial Spin Labeling (ASL) MRI. Similar to the mCBV findings, no differences were observed in CBF or ATT between APP/PS1 and control mice, indicating that brain vascular morphology and function in this mouse model are preserved in the presence of amyloid β plaques.

Background: Cerebral amyloid angiopathy (CAA) is a cerebral small vessel disease in which amyloid-β accumulates in vessel walls. CAA is a leading cause of symptomatic lobar intracerebral hemorrhage and an important contributor to age-related cognitive decline. Recent work has suggested that vascular dysfunction may precede symptomatic stages of CAA, and that spontaneous slow oscillations in arteriolar diameter (termed vasomotion), important for amyloid-β clearance, may be impaired in CAA. Methods: To systematically study the progression of vascular dysfunction in CAA, we used the APP23 mouse model of amyloidosis, which is known to develop spontaneous cerebral microbleeds mimicking human CAA. Using in vivo 2-photon microscopy, we longitudinally imaged unanesthetized APP23 transgenic mice and wildtype littermates from 7 to 14 months of age, tracking amyloid-β accumulation and vasomotion in individual pial arterioles over time. MRI was used in separate groups of 12-, 18-, and 24-month-old APP23 transgenic mice and wildtype littermates to detect microbleeds and to assess cerebral blood flow and cerebrovascular reactivity with pseudo-continuous arterial spin labeling. Results: We observed a significant decline in vasomotion with age in APP23 mice, while vasomotion remained unchanged in wildtype mice with age. This decline corresponded in timing to initial vascular amyloid-β deposition (~8-10 months of age), although was more strongly correlated with age than with vascular amyloid-β burden in individual arterioles. Declines in vasomotion preceded the development of MRI-visible microbleeds and the loss of smooth muscle actin in arterioles, both of which were observed in APP23 mice by 18 months of age. Additionally, evoked cerebrovascular reactivity was intact in APP23 mice at 12 months of age, but significantly lower in APP23 mice by 24 months of age. Conclusions: Our findings suggest that a decline in spontaneous vasomotion is an early, potentially pre-symptomatic, manifestation of CAA and vascular dysfunction, and a possible future treatment target.