Sleep is generally viewed as a period of recovery, but how the supply of cerebral blood flow (CBF) changes across sleep/wake states has remained unclear. Here, we directly observe red blood cells (RBCs) within capillaries, where the actual substance exchange between the blood and neurons/glia occurs, by two-photon microscopy. Across multiple cortical areas, average capillary CBF is largely increased during rapid eye movement (REM) sleep, whereas it does not differ between periods of active wakefulness and non-REM sleep. Capillary RBC flow during REM sleep is further elevated following REM sleep deprivation, suggesting that capillary CBF reflects REM sleep pressure. At the molecular level, signaling via adenosine A2a receptors is crucial; in A2a-KO mice, capillary CBF upsurge during REM sleep is dampened, and effects of REM sleep pressure are abolished. These results provide evidence regarding the dynamics of capillary CBF across sleep/wake states and insights to the underlying mechanisms.

ABSTRACT The κ-opioid receptor (KOR) is a member of the G protein-coupled receptor (GPCR) family, responsible for modulating cellular responses through transducers such as G proteins and arrestins. G protein-biased KOR agonists hold promise due to their potential to mitigate side effects such as drug aversion and sedation while preserving analgesic and antipruritic effects. Here, we shed light on the structural dynamics of the human KOR-G i signaling complex bound with either nalfurafine (a G-protein-biased agonist) or U-50,488H (a balanced agonist) using cryo-electron microscopy (cryo-EM). Cryo-EM structures of the KOR-G i signaling complexes identify the ligand binding mode in the activated state. Vibrational spectroscopy analysis reveals changes in the ligand-binding pocket upon binding to these ligands. Cell-based mutant experiments pinpoint four amino acids (K227 5.40 , C286 6.47 , H291 6.52 , and Y312 7.34 ; Ballesteros–Weinstein numbering is shown in superscript) that play crucial roles in arrestin recruitment. Among these four amino acids, H291 6.52 and Y312 7.34 are also implicated in G-protein coupling. Our findings pave the way for targeting specific residues in the KOR ligand-binding pocket to enhance KOR-mediated therapeutic effects while mitigating unwanted side effects.