Astrocytes extend endfeet that enwrap the vasculature. Disruptions to this association in disease coincide with breaches in blood-brain barrier (BBB) integrity, so we asked if the focal ablation of an astrocyte is sufficient to disrupt the BBB. 2Phatal ablation of astrocytes induced a plasticity response whereby surrounding astrocytes extended processes to cover vascular vacancies. This occurred prior to endfoot retraction in young mice yet occurred with significant delay in aged animals. Laser-stimulating replacement astrocytes showed them to induce constrictions in pre-capillary arterioles indicating that replacement astrocytes are functional. Inhibition of EGFR and pSTAT3 significantly reduced astrocyte replacement post-ablation yet without perturbations to BBB integrity. Identical endfoot replacement following astrocyte cell death due to reperfusion post-stroke supports the conclusion that astrocyte plasticity ensures continual vascular coverage so as to retain the BBB. Together, these studies uncover the ability of astrocytes to maintain cerebrovascular coverage via substitution from nearby cells and may represent a novel therapeutic target for vessel recovery post-stroke.

Abstract Microglia are brain-resident immune cells with a repertoire of functions in the developing, mature and pathological brain. Their wide-ranging roles in physiology include the clearance of cellular debris, elimination of excess synapses, regulation of neuronal activity and contributions to blood vessel development. Despite these known roles for microglia, the extent of their interactions with the vasculature and potential regulation of vascular physiology has been insufficiently explored. Here, using in vivo acute and longitudinal two-photon imaging in transgenic mice combined with electron microscopy, fixed tissue immunohistochemistry, pharmacological treatments and laser speckle imaging, we document the steady-state interactions between ramified CX3CR1 + myeloid cell somata and capillaries in the brain. We first confirm that these myeloid cells are bona fide microglia by molecular, morphological and ultrastructural approaches. Then we give a detailed spatio-temporal characterization of these capillary-associated microglia (CAMs) comparing and contrasting them with parenchymal microglia (PCMs) in their static, dynamic and chronic morphological activities including during microglial depletion and repopulation. Molecularly, we identify microglial-specific purinergic P2RY12 receptors as a receptor regulating CAM interactions under the control of released purines from pannexin 1 (PANX1) channels. Furthermore, to elucidate roles for microglia in vascular structure and function, we eliminated microglia and showed that this triggered capillary dilation, blood flow increase, and impaired vasodilative responses. We find that P2RY12 −/− and PANX1 −/− mice recapitulate these vascular impairments suggesting purines released through PANX1 channels play important roles in activating microglial P2RY12 receptors to regulate neurovascular structure and function.

It has long been thought that the mammalian visual system is organized into parallel pathways, with incoming visual signals being parsed in the retina based on feature (e.g. color, contrast and motion) and then transmitted to the brain in unmixed, feature-specific channels. To faithfully convey feature-specific information from retina to cortex, thalamic relay cells must receive inputs from only a small number of functionally similar retinal ganglion cells. However, recent studies challenged this by revealing substantial levels of retinal convergence onto relay cells. Here, we sought to identify mechanisms responsible for the assembly of such convergence. Using an unbiased transcriptomics approach and targeted mutant mice, we discovered a critical role for the synaptic adhesion molecule Leucine Rich Repeat Transmembrane Neuronal 1 (LRRTM1) in the emergence of retinothalamic convergence. Importantly, LRRTM1 mutant mice display impairment in visual behaviors, suggesting a functional role of retinothalamic convergence in vision.

Abstract Understanding the cytoarchitecture and wiring of the brain requires improved methods to record and stimulate large groups of neurons with cellular specificity. This requires miniaturized neural interfaces that integrate into brain tissue without altering its properties. Existing neural interface technologies have been shown to provide high-resolution electrophysiological recording with high signal-to-noise ratio. However, with single implantation, the physical properties of these devices limit their access to one, small brain region. To overcome this limitation, we developed a platform that provides three-dimensional coverage of brain tissue through multisite multifunctional fiber-based neural probes guided in a helical scaffold. Chronic recordings from the spatially expandable fiber probes demonstrate the ability of these fiber probes capturing brain activities with a single-unit resolution for long observation times. Furthermore, using Thy1-ChR2-YFP mice we demonstrate the application of our probes in simultaneous recording and optical/chemical modulation of brain activities across distant regions. Similarly, varying electrographic brain activities from different brain regions were detected by our customizable probes in a mouse model of epilepsy, suggesting the potential of using these probes for the investigation of brain disorders such as epilepsy. Ultimately, this technique enables three-dimensional manipulation and mapping of brain activities across distant regions in the deep brain with minimal tissue damage, which can bring new insights for deciphering complex brain functions and dynamics in the near future.

Abstract An emerging area of interest in Neuroscience is the cellular relationship between glia and blood vessels, as many of the presumptive support roles of glia require an association with the vasculature. These interactions are best studied in vivo and great strides have been made using mice to longitudinally image glial-vascular interactions. However, these methods are cumbersome for developmental studies, which could benefit from a more accessible system. Zebrafish ( Danio rerio ) are genetically tractable vertebrates, and given their translucency, are readily amenable for daily live imaging studies. We set out to examine whether zebrafish glia have conserved traits with mammalian glia regarding their ability to interact with and maintain the developing brain vasculature. We utilized transgenic zebrafish strains in which oligodendrocyte transcription factor 2 ( olig2 ) and glial fibrillary acidic protein ( gfap ) identify different glial populations in the zebrafish brain and document their corresponding relationship with brain blood vessels. Our results demonstrate that olig2 and gfap zebrafish glia have distinct lineages and each interact with brain vessels as previously observed in mouse brain. Additionally, we manipulated these relationships through pharmacological and genetic approaches to distinguish the roles of these cell types during blood vessel development. olig2 glia use blood vessels as a pathway during their migration and Wnt signaling inhibition decreases their single-cell vessel co-option. By contrast, the ablation of gfap glia at the beginning of CNS angiogenesis impairs vessel development through a reduction in Vascular endothelial growth factor (Vegf), supporting a role for gfap glia during new brain vessel formation in zebrafish. This data suggests that zebrafish glia, akin to mammalian glia, have different lineages that show diverse interactions with blood vessels, and are a suitable model for elucidating glial-vascular relationships during vertebrate brain development.