Abstract Arousal state affects neural activity and vascular dynamics in the cortex, with sleep associated with large changes in the local field potential (LFP) and increases in cortical blood flow. We investigated the relationship between pupil diameter and blink rate with neural activity and blood volume in the somatosensory cortex in male and female unanesthetized, head-fixed mice. We monitored these variables while the mice were awake, during periods of rapid eye movement (REM), and non-rapid eye movement (NREM) sleep. Pupil diameter was smaller during sleep than in the awake state. Changes in pupil diameter were coherent with both gamma-band power and blood volume in the somatosensory cortex, but the strength and sign of this relationship varied with arousal state. We observed a strong negative correlation between pupil diameter and both gamma-band power and blood volume during periods of awake rest and NREM sleep, though the correlations between pupil diameter and these signals became positive during periods of alertness, active whisking, and REM. Blinking was associated with increases in arousal and decreases in blood volume when the mouse was asleep. Bilateral coherence in gamma-band power and in blood volume dropped following awake blinking, indicating a ‘reset’ of neural and vascular activity. Using only eye metrics (pupil diameter and eye motion), we could determine the mouse’s arousal state (‘Awake’, ‘NREM’, ‘REM’) with greater than 90% accuracy with a 5 second resolution. There is a strong relationship between pupil diameter and hemodynamics signals in mice, reflecting the pronounced effects of arousal on cerebrovascular dynamics. Significance Statement Determining arousal state is a critical component of any neuroscience experiment. Pupil diameter and blinking are influenced by arousal state, as are hemodynamics signals in the cortex. We investigated the relationship between cortical hemodynamics and pupil diameter and found that pupil diameter was strongly related to the blood volume in the cortex. Mice were more likely to be awake after blinking than before, and blinking ‘resets’ neural activity. Pupil diameter and eye motion can be used as a reliable, non-invasive indicator of arousal state. As mice transition from wake to sleep and back again over a timescale of seconds, monitoring pupil diameter and eye motion permits the non-invasive detection of sleep events during behavioral or resting-state experiments.

Abstract Hemodynamic signals in the brain are used as surrogates of neural activity, but how these hemodynamic signals depend on arousal state is poorly understood. Here, we monitored neural activity and hemodynamic signals in un-anesthetized, head-fixed mice to understand how sleep and awake states impact cerebral hemodynamics. In parallel with electrophysiological recordings, we used intrinsic optical signal imaging to measure bilateral changes in cerebral hemoglobin ([HbT]), and two-photon laser scanning microscopy (2PLSM) to measure dilations of individual arterioles. We concurrently monitored body motion, whisker movement, muscle EMG, cortical LFP, and hippocampal LFP to classify the arousal state of the mouse into awake, NREM sleep, or REM sleep. We found that mice invariably fell asleep during imaging, and these sleep states were interspersed with periods of awake. During both NREM and REM sleep, mice showed large increases in [HbT] relative to the awake state, showing increase in hemoglobin and arteriole diameter two to five times larger than those seen in response to sensory stimulation. During NREM sleep, the amplitude of bilateral low-frequency oscillations in [HbT] increased markedly, and coherency between neural activity and hemodynamic signals was higher than the awake resting and REM states. Bilateral correlations in neural activity and [HbT] were highest during NREM sleep, and lowest in the awake state. Our results show that hemodynamic signals in the cortex are strongly modulated by arousal state, with hemodynamic changes during sleep being substantially larger than sensory-evoked responses. These results underscore the critical importance of behavioral monitoring during studies of spontaneous activity, as sleep-related hemodynamics dominate measures of neurovascular coupling and functional connectivity.

Maintaining the ionic and chemical composition of the extracellular spaces in the brain is extremely important for its health and function. However, the brain lacks a conventional lymphatic system to remove metabolic waste. It has been proposed that the fluid movement through the paravascular space (PVS) surrounding penetrating arteries can help remove metabolites from the brain. The dynamics of fluid movement in the PVS and its interaction with arterial dilation and brain mechanics are not well understood. Here, we performed simulations to understand how arterial pulsations and dilations interact with brain deformability to drive fluid flow in the PVS. In simulations with compliant brain tissue, arterial pulsations did not drive appreciable flows in the PVS. In contrast, when the artery dilated with dynamics like those seen during functional hyperemia, there was a marked movement of fluid through the PVS. Our simulations suggest that in addition to its other purposes, functional hyperemia may serve to increase fluid exchange between the PVS and the subarachnoid space, improving the clearance of metabolic waste. We measured displacement of the blood vessels and the brain tissue simultaneously in awake, headfixed mice using two-photon microscopy. Our measurements show that brain tissue can deform in response to fluid movement in the PVS, as predicted by simulations. The results from our simulations and experiments show that the deformability of the soft brain tissue needs to be accounted for when studying fluid flow and metabolite transport in the brain.

Abstract Exposure to air pollution has been linked to the development of neurodegenerative diseases and anosmia, but the underlying mechanism is not known. Additionally, the loss of olfactory function often precedes the onset of neurodegenerative diseases. Chemical ablation of olfactory sensory neurons blocks the drainage of cerebrospinal fluid (CSF) through the cribriform plate and alters normal CSF production and/or circulation. Damage to this drainage pathway could contribute to the development of neurodegenerative diseases and could link olfactory sensory neuron health and neurodegeneration. Here, we investigated the impact of intranasal treatment of combustion products (laboratory-generated soots) and their oxygen functionalized derivatives on mouse olfactory sensory neurons, olfactory nerve cell progenitors, and the behavior of the mouse. We found that after a month of every-other-day intranasal treatment of soots, there was minimal effect on olfactory sensory neuron anatomy or exploratory behavior in the mouse. However, oxygen-functionalized soot caused a large decrease in globose basal cells, which are olfactory progenitor cells. These results suggest that exposure to air pollution damages the olfactory neuron progenitor cells, and could lead to decreases in the number of olfactory neurons, potentially disrupting CSF drainage.

In the adult sensory cortex, increases in neural activity elicited by sensory stimulation usually drives vasodilation mediated by neurovascular coupling. However, whether neurovascular coupling is the same in neonatal animals as adults is controversial, as both canonical and inverted responses have been observed. We investigated the nature of neurovascular coupling in unanesthetized neonatal mice using optical imaging, electrophysiology, and BOLD fMRI. We find in neonatal (postnatal day 15, P15) mice, sensory stimulation induces a small increase in blood volume/BOLD signal, often followed by a large decrease in blood volume. An examination of arousal state of the mice revealed that neonatal mice were asleep a substantial fraction of the time, and that stimulation caused the animal to awaken. As cortical blood volume is much higher during REM and NREM sleep than the awake state, awakening occludes any sensory-evoked neurovascular coupling. When neonatal mice are stimulated during an awake period, they showed relatively normal (but slowed) neurovascular coupling, showing that that the typically observed constriction is due to arousal state changes. These result show that sleep-related vascular changes dominate over any sensory-evoked changes, and hemodynamic measures need to be considered in the context of arousal state changes.In the adult brain, increases in neural activity are often followed by vasodilation, allowing activity to be monitored using optical or magnetic resonance imaging. However, in neonates, sensory stimulation can drive vasoconstriction, whose origin was not understood. We used optical and magnetic resonance imaging approaches to investigate hemodynamics in neonatal mice. We found that sensory-induced vasoconstriction occurred when the mice were asleep, as sleep is associated with dilation of the vasculature of the brain relative to the awake state. The stimulus awakens the mice, causing a constriction due to the arousal state change. Our study shows the importance of monitoring arousal state, particularly when investigating subjects that may sleep, and the dominance arousal effects on brain hemodynamics.