Despite the global impact and advances in understanding the pathophysiology of cerebrovascular diseases, the term "stroke" is not consistently defined in clinical practice, in clinical research, or in assessments of the public health. The classic definition is mainly clinical and does not account for advances in science and technology. The Stroke Council of the American Heart Association/American Stroke Association convened a writing group to develop an expert consensus document for an updated definition of stroke for the 21st century. Central nervous system infarction is defined as brain, spinal cord, or retinal cell death attributable to ischemia, based on neuropathological, neuroimaging, and/or clinical evidence of permanent injury. Central nervous system infarction occurs over a clinical spectrum: Ischemic stroke specifically refers to central nervous system infarction accompanied by overt symptoms, while silent infarction by definition causes no known symptoms. Stroke also broadly includes intracerebral hemorrhage and subarachnoid hemorrhage. The updated definition of stroke incorporates clinical and tissue criteria and can be incorporated into practice, research, and assessments of the public health.

Using a mouse model of Alzheimer's disease and in vivo microdialysis, this study shows that neuronal activity drives the level of interstitial fluid amyloid-β and subsequent amyloid-β plaque deposition. Amyloid-β (Aβ) plaque deposition in specific brain regions is a pathological hallmark of Alzheimer's disease. However, the mechanism underlying the regional vulnerability to Aβ deposition in Alzheimer's disease is unknown. Herein, we provide evidence that endogenous neuronal activity regulates the regional concentration of interstitial fluid (ISF) Aβ, which drives local Aβ aggregation. Using in vivo microdialysis, we show that ISF Aβ concentrations in several brain regions of APP transgenic mice before plaque deposition were commensurate with the degree of subsequent plaque deposition and with the concentration of lactate, a marker of neuronal activity. Furthermore, unilateral vibrissal stimulation increased ISF Aβ, and unilateral vibrissal deprivation decreased ISF Aβ and lactate, in contralateral barrel cortex. Long-term unilateral vibrissal deprivation decreased amyloid plaque formation and growth. Our results suggest a mechanism to account for the vulnerability of specific brain regions to Aβ deposition in Alzheimer's disease.

The brain is particularly vulnerable to ischemia. Complete interruption of blood flow to the brain for only 5 minutes triggers the death of vulnerable neurons in several brain regions, whereas 20–40 minutes of ischemia is required to kill cardiac myocytes or kidney cells. In part, the prominent vulnerability of brain tissue to ischemic damage reflects its high metabolic rate. Although the human brain represents only about 2.5% of body weight, it accounts for 25% of basal metabolism, a metabolic rate 3.5 times higher even than that of the brains of other primate species. In addition, central neurons have a near-exclusive dependence on glucose as an energy substrate, and brain stores of glucose or glycogen are limited. However, over the last 15 years, evidence has emerged indicating that energetics considerations and energy substrate limitations are not solely responsible for the brain’s heightened vulnerability to ischemia. Rather, it appears that the brain’s intrinsic cell-cell and intracellular signaling mechanisms, normally responsible for information processing, become harmful under ischemic conditions, hastening energy failure and enhancing the final pathways underlying ischemic cell death in all tissues, including free radical production, activation of catabolic enzymes, membrane failure, apoptosis, and inflammation. Since these common pathways are explored in other accompanying JCI Perspectives, we will emphasize the role of injury-enhancing signaling mechanisms specific to the central nervous system (CNS) and discuss potential therapeutic approaches to interrupting these mechanisms. Refinement of glutamate receptor antagonist approaches. A major limitation in past clinical trials of glutamate receptor antagonists has been dose ceilings imposed by drug side effects. Not unexpectedly, interfering with the brain’s major excitatory transmitter system can lead to alterations in motor or cognitive function (prominent with NMDA antagonists), or sedation (prominent with AMPA antagonists). It seems plausible that the therapeutic index of NMDA antagonist therapy might be improved by the utilization of subtype-selective agents, such as ifenprodil, an antagonist selective for the NR2B subtype of NMDA receptors. NR2B receptors are preferentially expressed in forebrain relative to hindbrain, so blocking these receptors may produce greater neuroprotection in forebrain with less interference with motor function than subtype-unselective NMDA antagonists. In addition, ifenprodil inhibition of NR2B receptors increases with increasing agonist stimulation, a “use dependency” that might increase drug effect at overactivated synapses relative to normal synapses (46). The neuroprotective efficacy of NMDA antagonist therapy might also be enhanced by combination with AMPA or kainate receptor antagonists, both to increase overall antiexcitotoxic efficacy on ischemic neurons, as well as specifically to extend protection to GABAergic neurons expressing Ca2+-permeable AMPA receptors, and oligodendrocytes. Indeed, failure to rescue GABAergic neurons while successfully rescuing nearby excitatory neurons might lead to an increase in local circuit excitation and seizure activity in stroke survivors. High-level pan-blockade of both NMDA and AMPA receptors could have problematic side effects, for example, respiratory depression, but these difficulties might be surmountable through the use of subtype-selective drugs. An alternative approach to blocking NMDA and AMPA receptors concurrently might be to reduce glutamate release, for example, through hypothermia or reduction of circuit excitability with GABA agonists or blockers of voltage-gated Na+ channels. Zinc-directed therapies. While current putative antiexcitotoxic therapies have focused on glutamate receptor activation and resultant Ca2+ overload, the pathological role of neuronal Zn2+ overload suggests additional targets for therapeutic intervention. Indeed, variable reduction of toxic Zn2+ influx may underlie some of the inconsistent beneficial effects of voltage-gated Ca2+-channel antagonists observed in animal models of transient global ischemia (47). Further delineation of the precise routes responsible for toxic Zn2+ may permit greater reduction in this toxic Zn2+ overload. Another possible approach would be to reduce Zn2+ release from nerve terminals. In settings where ischemia is anticipated, it may even prove possible to accomplish this via acute dietary zinc reduction, as anecdotal evidence in humans has suggested that such reduction profoundly disturbs brain function, likely due to reduction of transmitter Zn2+ release (48). Further off, one can envision strategies for modifying neuronal Zn2+ transporters to improve the extrusion or sequestration of intracellular Zn2+, or for upregulating intracellular Zn2+-binding proteins such as metallothioneins. Combination therapies. Recent implication of apoptosis in the pathogenesis of ischemic neuronal death raises an unsettling possibility that current efforts to block NMDA receptor-mediated Ca2+ influx may go too far, achieving the desired reduction of toxic calcium overload and excitotoxicity in some neurons, but then promoting apoptosis in other neurons through Ca2+ starvation (4). It is plausible that different neurons might sustain different levels of [Ca2+]i at different times, with neurons further from the ischemic core or at later time points after ischemia onset sustaining less calcium influx than counterparts in the acute ischemic core. These neurons may be damaged badly enough to trigger apoptosis, but their [Ca2+]i levels may fall below the “set point” optimal for promoting survival (49), such that broad and sustained NMDA receptor blockade promotes apoptosis, reducing the benefits to be had by attenuating calcium overload in other neurons. If this scenario proves valid, it may be possible to enhance the benefits and reduce the dangers of NMDA antagonists by concurrently administering antiapoptotic treatments. Dual inhibition of excitotoxic necrosis and ischemic apoptosis has shown promise in two experimental studies to date. Coadministration of the NMDA antagonist dextrophan with cycloheximide produced greater than 80% reduction in infarct volume following transient focal ischemia in rats, better than either agent alone (50); and Ma et al. (51) observed neuroprotective synergy between MK-801 and the caspase inhibitor N-benzyloxycarbonyl-Val-Ala-Asp-fluoromethyl ketone (z-VAD.FMK) on both infarct size and therapeutic window. The combination of antiexcitotoxic strategies with thrombolysis has also been shown to provide additive protection in a rodent model of embolic stroke (52). On theoretical grounds, antioxidant drugs might be especially valuable in reducing reperfusion-induced injury, for example in association with thrombolytic therapy, or the deleterious component of certain growth factor actions.

We investigated the scale relationship between size and cortical structure of human brains in a large sample of magnetic resonance imaging data. Cortical structure was estimated with several measures (cortical volume, surface area, and thickness, sulcal depth, and absolute mean curvature in sulcal regions and sulcal walls) using three-dimensional surface-based methods in 148 normal subjects (n [men/women]: 83/65, age [mean +/- standard deviation]: 25.0 +/- 4.9 years). We found significantly larger scaling exponents than geometrically predicted for cortical surface area, absolute mean curvature in sulcal regions and in sulcal walls, and smaller ones for cortical volume and thickness. As brain size increases, the cortex thickens only slightly, but the degree of sulcal convolution increases dramatically, indicating that human cortices are not simply scaled versions of one another. Our results are consistent with previous hypotheses that greater local clustering of interneuronal connections would be required in a larger brain, and fiber tension between local cortical areas would induce cortical folds. We suggest that sex effects are explained by brain size effects in cortical structure at a macroscopic and lobar regional level, and that it is necessary to consider true relationships between cortical measures and brain size due to the limitations of linear stereotaxic normalization.

Severe acute respiratory syndrome (SARS) is an infectious disease with a strong potential for transmission upon close personal contact and is caused by the SARS-coronavirus (CoV). However, there are no natural or synthetic compounds currently available that can inhibit SARS-CoV. We examined the inhibitory effects of 64 purified natural compounds against the activity of SARS helicase, nsP13, and the hepatitis C virus (HCV) helicase, NS3h, by conducting fluorescence resonance energy transfer (FRET)-based double-strand (ds) DNA unwinding assay or by using a colorimetry-based ATP hydrolysis assay. While none of the compounds, examined in our study inhibited the DNA unwinding activity or ATPase activity of human HCV helicase protein, we found that myricetin and scutellarein potently inhibit the SARS-CoV helicase protein in vitro by affecting the ATPase activity, but not the unwinding activity, nsP13. In addition, we observed that myricetin and scutellarein did not exhibit cytotoxicity against normal breast epithelial MCF10A cells. Our study demonstrates for the first time that selected naturally-occurring flavonoids, including myricetin and scultellarein might serve as SARS-CoV chemical inhibitors.

One of the neuropathological hallmarks of Alzheimer's disease (AD) is the amyloid plaque, primarily composed of aggregated amyloid-beta (Aβ) peptide. In vitro, Aβ 1–42 , the major alloform of Aβ found in plaques, self-assembles into fibrils at micromolar concentrations and acidic pH. Such conditions do not exist in the extracellular fluid of the brain where the pH is neutral and Aβ concentrations are in the nanomolar range. Here, we show that extracellular soluble Aβ (sAβ) at concentrations as low as 1 nM was taken up by murine cortical neurons and neuroblastoma (SHSY5Y) cells but not by human embryonic kidney (HEK293) cells. Following uptake, Aβ accumulated in Lysotracker-positive acidic vesicles (likely late endosomes or lysosomes) where effective concentrations (>2.5 μM) were greater than two orders of magnitude higher than that in the extracellular fluid (25 nM), as quantified by fluorescence intensity using laser scanning confocal microscopy. Furthermore, SHSY5Y cells incubated with 1 μM Aβ 1–42 for several days demonstrated a time-dependent increase in intracellular high molecular weight (HMW) (>200 kDa) aggregates, which were absent in cells grown in the presence of Aβ 1–40 . Homogenates from these Aβ 1–42 -loaded cells were capable of seeding amyloid fibril growth. These results demonstrate that Aβ can be taken up by certain cells at low physiologically relevant concentrations of extracellular Aβ, and then concentrated into endosomes/lysosomes. At high concentrations, vesicular Aβ aggregates to form HMW species which are capable of seeding amyloid fibril growth. We speculate that extrusion of these aggregates may seed extracellular amyloid plaque formation during AD pathogenesis.

The pathological hallmark of Alzheimer disease is the senile plaque principally composed of tightly aggregated amyloid-beta fibrils (fAbeta), which are thought to be resistant to degradation and clearance. In this study, we explored whether proteases capable of degrading soluble Abeta (sAbeta) could degrade fAbeta as well. We demonstrate that matrix metalloproteinase-9 (MMP-9) can degrade fAbeta and that this ability is not shared by other sAbeta-degrading enzymes examined, including endothelin-converting enzyme, insulin-degrading enzyme, and neprilysin. fAbeta was decreased in samples incubated with MMP-9 compared with other proteases, assessed using thioflavin-T. Furthermore, fAbeta breakdown with MMP-9 but not with other proteases was demonstrated by transmission electron microscopy. Proteolytic digests of purified fAbeta were analyzed with matrix-assisted laser desorption ionization time-of-flight mass spectrometry to identify sites of Abeta that are cleaved during its degradation. Only MMP-9 digests contained fragments (Abeta(1-20) and Abeta(1-30)) from fAbeta(1-42) substrate; the corresponding cleavage sites are thought to be important for beta-pleated sheet formation. To determine whether MMP-9 can degrade plaques formed in vivo, fresh brain slices from aged APP/PS1 mice were incubated with proteases. MMP-9 digestion resulted in a decrease in thioflavin-S (ThS) staining. Consistent with a role for endogenous MMP-9 in this process in vivo, MMP-9 immunoreactivity was detected in astrocytes surrounding amyloid plaques in the brains of aged APP/PS1 and APPsw mice, and increased MMP activity was selectively observed in compact ThS-positive plaques. These findings suggest that MMP-9 can degrade fAbeta and may contribute to ongoing clearance of plaques from amyloid-laden brains.

It has been postulated that the development of amyloid plaques in Alzheimer's disease (AD) may result from an imbalance between the generation and clearance of the amyloid-β peptide (Aβ). Although familial AD appears to be caused by Aβ overproduction, sporadic AD (the most prevalent form) may result from impairment in clearance. Recent evidence suggests that several proteases may contribute to the degradation of Aβ. Furthermore, astrocytes have recently been implicated as a potential cellular mediator of Aβ degradation. In this study, we examined the possibility that matrix metalloproteinases (MMPs), proteases known to be expressed and secreted by astrocytes, could play a role in extracellular Aβ degradation. We found that astrocytes surrounding amyloid plaques showed enhanced expression of MMP-2 and MMP-9 in aged amyloid precursor protein (APP)/presenilin 1 mice. Moreover, astrocyte-conditioned medium (ACM) degraded Aβ, lowering levels and producing several fragments after incubation with synthetic human Aβ 1–40 and Aβ 1–42 . This activity was attenuated with specific inhibitors of MMP-2 and -9, as well as in ACM derived from mmp-2 or -9 knock-out (KO) mice. In vivo , significant increases in the steady-state levels of Aβ were found in the brains of mmp-2 and -9 KO mice compared with wild-type controls. Furthermore, pharmacological inhibition of the MMPs with N -[(2 R )-2-(hydroxamidocarbonylmethyl)-4-methylpentanoyl]- l -tryptophan methylamide (GM 6001) increased brain interstitial fluid Aβ levels and elimination of half-life in APPsw mice. These results suggest that MMP-2 and -9 may contribute to extracellular brain Aβ clearance by promoting Aβ catabolism.

The accumulation of aggregated amyloid-β (Aβ) in amyloid plaques is a neuropathological hallmark of Alzheimer's disease (AD). Reactive astrocytes are intimately associated with amyloid plaques; however, their role in AD pathogenesis is unclear. We deleted the genes encoding two intermediate filament proteins required for astrocyte activation—glial fibrillary acid protein (Gfap) and vimentin (Vim)—in transgenic mice expressing mutant human amyloid precursor protein and presenilin-1 (APP/PS1). The gene deletions increased amyloid plaque load: APP/PS1 Gfap–/– Vim–/– mice had twice the plaque load of APP/PS1 Gfap+/+ Vim+/+ mice at 8 and 12 mo of age. APP expression and soluble and interstitial fluid Aβ levels were unchanged, suggesting that the deletions had no effect on APP processing or Aβ generation. Astrocyte morphology was markedly altered by the deletions: wild-type astrocytes had hypertrophied processes that surrounded and infiltrated plaques, whereas Gfap–/– Vim–/– astrocytes had little process hypertrophy and lacked contact with adjacent plaques. Moreover, Gfap and Vim gene deletion resulted in a marked increase in dystrophic neurites (2- to 3-fold higher than APP/PS1 Gfap+/+ Vim+/+ mice), even after normalization for amyloid load. These results suggest that astrocyte activation limits plaque growth and attenuates plaque-related dystrophic neurites. These activities may require intimate contact between astrocyte and plaque.—Kraft, A. W., Hu, X., Yoon, H., Yan, P., Xiao, Q., Wang, Y., Gil, S. C., Brown, J., Wilhelmsson, U., Restivo, J. L., Cirrito, J. R., Holtzman, D. M., Kim, J., Pekny, M., Lee, J.-M. Attenuating astrocyte activation accelerates plaque pathogenesis in APP/PS1 mice. FASEB J. 27, 187–198 (2013). www.fasebj.org