Taking Out the Trash The purpose of sleep remains mysterious. Using state-of-the-art in vivo two-photon imaging to directly compare two arousal states in the same mouse, Xie et al. (p. 373 ; see the Perspective by Herculano-Houzel ) found that metabolic waste products of neural activity were cleared out of the sleeping brain at a faster rate than during the awake state. This finding suggests a mechanistic explanation for how sleep serves a restorative function, in addition to its well-described effects on memory consolidation.

Defining the microanatomic differences between the human brain and that of other mammals is key to understanding its unique computational power. Although much effort has been devoted to comparative studies of neurons, astrocytes have received far less attention. We report here that protoplasmic astrocytes in human neocortex are 2.6-fold larger in diameter and extend 10-fold more GFAP (glial fibrillary acidic protein)-positive primary processes than their rodent counterparts. In cortical slices prepared from acutely resected surgical tissue, protoplasmic astrocytes propagate Ca 2+ waves with a speed of 36 μm/s, approximately fourfold faster than rodent. Human astrocytes also transiently increase cystosolic Ca 2+ in response to glutamatergic and purinergic receptor agonists. The human neocortex also harbors several anatomically defined subclasses of astrocytes not represented in rodents. These include a population of astrocytes that reside in layers 5–6 and extend long fibers characterized by regularly spaced varicosities. Another specialized type of astrocyte, the interlaminar astrocyte, abundantly populates the superficial cortical layers and extends long processes without varicosities to cortical layers 3 and 4. Human fibrous astrocytes resemble their rodent counterpart but are larger in diameter. Thus, human cortical astrocytes are both larger, and structurally both more complex and more diverse, than those of rodents. On this basis, we posit that this astrocytic complexity has permitted the increased functional competence of the adult human brain.

Hypersynchronous neuronal firing is a hallmark of epilepsy, but the mechanisms underlying simultaneous activation of multiple neurons remains unknown. Epileptic discharges are in part initiated by a local depolarization shift that drives groups of neurons into synchronous bursting. In an attempt to define the cellular basis for hypersynchronous bursting activity, we studied the occurrence of paroxysmal depolarization shifts after suppressing synaptic activity using tetrodotoxin (TTX) and voltage-gated Ca2+ channel blockers. Here we report that paroxysmal depolarization shifts can be initiated by release of glutamate from extrasynaptic sources or by photolysis of caged Ca2+ in astrocytes. Two-photon imaging of live exposed cortex showed that several antiepileptic agents, including valproate, gabapentin and phenytoin, reduced the ability of astrocytes to transmit Ca2+ signaling. Our results show an unanticipated key role for astrocytes in seizure activity. As such, these findings identify astrocytes as a proximal target for the treatment of epileptic disorders.

Acupuncture is an invasive procedure commonly used to relieve pain. Acupuncture is practiced worldwide, despite difficulties in reconciling its principles with evidence-based medicine. We found that adenosine, a neuromodulator with anti-nociceptive properties, was released during acupuncture in mice and that its anti-nociceptive actions required adenosine A1 receptor expression. Direct injection of an adenosine A1 receptor agonist replicated the analgesic effect of acupuncture. Inhibition of enzymes involved in adenosine degradation potentiated the acupuncture-elicited increase in adenosine, as well as its anti-nociceptive effect. These observations indicate that adenosine mediates the effects of acupuncture and that interfering with adenosine metabolism may prolong the clinical benefit of acupuncture.

Human astrocytes are larger and more complex than those of infraprimate mammals, suggesting that their role in neural processing has expanded with evolution. To assess the cell-autonomous and species-selective properties of human glia, we engrafted human glial progenitor cells (GPCs) into neonatal immunodeficient mice. Upon maturation, the recipient brains exhibited large numbers and high proportions of both human glial progenitors and astrocytes. The engrafted human glia were gap-junction-coupled to host astroglia, yet retained the size and pleomorphism of hominid astroglia, and propagated Ca2+ signals 3-fold faster than their hosts. Long-term potentiation (LTP) was sharply enhanced in the human glial chimeric mice, as was their learning, as assessed by Barnes maze navigation, object-location memory, and both contextual and tone fear conditioning. Mice allografted with murine GPCs showed no enhancement of either LTP or learning. These findings indicate that human glia differentially enhance both activity-dependent plasticity and learning in mice.

Advances in fluorescent calcium indicating dyes over the past decade have identified calcium signaling as the tool by which astrocytes communicate among themselves and with neighboring neurons. Studies of astrocyte-neuron interactions have shown that calcium signaling is a potent modulator of the strength of both excitatory and inhibitory synapses. The concept that astrocytes possess a mechanism for rapid cell communication has not been incorporated, however, into the supportive functions of astrocytes. Because many of the classical tasks of astrocytes are linked to the blood-brain barrier, we have here examined the expression of proteins required for calcium signaling in their vascular end-foot processes. The gap junction protein, Cx43, was expressed intensively around the vessels interconnecting astrocytic end-foot processes. These gap junctions permitted diffusion of Lucifer yellow, specifically along the path of glial end feet apposed to the vessel wall. The purinergic receptors, P2Y(2) and P2Y(4), were also strongly expressed at the gliovascular interface and colocalized with GFAP around larger vessels in cortex. Multiphoton imaging of freshly prepared brain slices loaded with Fluo-4/AM revealed that ATP mobilized cytosolic calcium in astrocytic end feet, whereas electrical stimulation triggered calcium waves propagating along the vessel wall. Brain endothelial cells and pericytes were physically separated from astrocytes by the basal lamina and responded only weakly to ATP. These observations identify astrocytic end-foot processes plastered at the vessel wall as a center for purinergic signaling. It is speculated that calcium signaling may play a role in astrocytic functions related to the blood-brain barrier, including blood flow regulation, metabolic trafficking, and water homeostasis.