Significance Resting-state functional connectivity mapping exploits correlations in the functional magnetic resonance imaging (fMRI) blood oxygen level-dependent (BOLD) signal across the brain. However, results are difficult to interpret without an understanding of the neural correlates of these hemodynamic fluctuations. This work uses mice in which neural activity and brain hemodynamics can be mapped simultaneously. We show that resting-state hemodynamics can be predicted from spontaneous neural activity and correspond to a series of driven increases in local blood volume, coupled with spontaneous, bilaterally symmetric fluctuations in excitatory neural activity. This result provides reassurance that resting-state functional connectivity has neural origins. The network-like spontaneous neural activity visualized here represents an underexplored feature of neural activity in the awake brain.

The functional modulation of blood flow in the brain is critical for brain health and is the basis of contrast in functional magnetic resonance imaging. There is evident coupling between increases in neuronal activity and increases in local blood flow; however, many aspects of this neurovascular coupling remain unexplained by current models. Based on the rapid dilation of distant pial arteries during cortical functional hyperemia, we hypothesized that endothelial signaling may play a key role in the long-range propagation of vasodilation during functional hyperemia in the brain. Although well characterized in the peripheral vasculature, endothelial involvement in functional neurovascular coupling has not been demonstrated.We combined in vivo exposed-cortex multispectral optical intrinsic signal imaging (MS-OISI) with a novel in vivo implementation of the light-dye technique to record the cortical hemodynamic response to somatosensory stimulus in rats before and after spatially selective endothelial disruption. We demonstrate that discrete interruption of endothelial signaling halts propagation of stimulus-evoked vasodilation in pial arteries, and that wide-field endothelial disruption in pial arteries significantly attenuates the hemodynamic response to stimulus, particularly the early, rapid increase and peak in hyperemia.Involvement of endothelial pathways in functional neurovascular coupling provides new explanations for the spatial and temporal features of the hemodynamic response to stimulus and could explain previous results that were interpreted as evidence for astrocyte-mediated control of functional hyperemia. Our results unify many aspects of blood flow regulation in the brain and body and prompt new investigation of direct links between systemic cardiovascular disease and neural deficits.

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.

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.