Abstract Rapidly growing evidence demonstrates that flow of cerebrospinal fluid (CSF) through perivascular spaces (PVSs) – annular channels surrounding vasculature in the brain – is a critically-important component of neurophysiology. CSF inflow contributes during physiological conditions to clearance of metabolic waste and in pathological situations to edema formation. However, brain-wide imaging methods cannot resolve PVSs, and high-resolution methods cannot access deep tissue or be applied to human subjects, so theoretical models provide essential insight. We model this CSF pathway as a network of hydraulic resistances, built from published parameters. A few parameters have very wide uncertainties, so we focus on the estimated limits of their feasible ranges by analyzing different parametric scenarios. We identify low-resistance PVSs and high-resistance parenchyma (brain tissue) as the scenario that best explains experimental observations. Our results point to the most important parameters that should be measured in future experiments. Extensions of our modeling may help predict stroke severity or lead to neurological disease treatments and drug delivery methods.

Classical migraine patients experience aura, which is transient neurological deficits associated with cortical spreading depression (CSD), preceding headache attacks. It is not currently understood how a pathological event in cortex can affect peripheral sensory neurons. In this study, we show that cerebrospinal fluid (CSF) flows into the trigeminal ganglion, establishing nonsynaptic signaling between brain and trigeminal cells. After CSD, ~11% of the CSF proteome is altered, with up-regulation of proteins that directly activate receptors in the trigeminal ganglion. CSF collected from animals exposed to CSD activates trigeminal neurons in naïve mice in part by CSF-borne calcitonin gene–related peptide (CGRP). We identify a communication pathway between the central and peripheral nervous system that might explain the relationship between migrainous aura and headache.

The linear geometry of conifer leaves (e.g., pine needles) imposes architectural constraints on solute transport. The needle's structural solution to prevent axial stagnation, however, introduces an additional challenge to radial transport by restricting loading and unloading of sugar and water, respectively, to a narrow zone at the periphery of the vascular bundle. Moreover, a Casparian strip blocks apoplastic flow through the endodermis between the vasculature and photosynthetic tissue, forcing countercurrents of water and sugar to travel simultaneously through the cell lumen at this interface. In between these two potential bottlenecks is the transfusion tissue, a distinctive anatomical feature of conifer needles. Here we develop a network-based mathematical model to explore how the structure of the intervening transfusion tissue facilitates radial transport of sugar and water. To describe extravascular transport with cellular resolution, we construct networks from images of Pinus pinea needles obtained through X-ray μCT, as well as fluorescence and electron microscopy. Our results show that the physical separation of sugar and water pathways within the transfusion tissue mitigates the consequences of constricting flow at both the vascular access points and the endodermis.

Stroke affects millions each year. Post-stroke brain edema predicts the severity of eventual stroke damage, yet our concept of how edema develops is incomplete and treatment options remain limited. In early stages, fluid accumulation occurs owing to a net gain of ions, widely thought to enter from the vascular compartment. Here we used magnetic resonance imaging, radiolabeled tracers, and multiphoton imaging in rodents, to show instead that cerebrospinal fluid surrounding the brain enters the tissue within minutes of an ischemic insult along perivascular flow channels. This process was initiated by ischemic spreading depolarizations along with subsequent vasoconstriction, which in turn enlarged the perivascular spaces and doubled glymphatic inflow speeds. Thus, our understanding of post-stroke edema needs to be revised and these findings could provide a conceptual basis for development of alternative treatment strategies.