Acquired epilepsy is frequently associated with structural lesions after trauma, stroke, and infections. Although seizures are often difficult to treat, there is no clinically applicable strategy to prevent the development of epilepsy in patients at risk. We have recently shown that vascular injury is associated with activation of albumin-mediated transforming growth factor β (TGF-β) signaling, and followed by local inflammatory response and epileptiform activity ex vivo. Here we investigated albumin-mediated TGF-β signaling and tested the efficacy of blocking the TGF-β pathway in preventing epilepsy.We addressed the role of TGF-β signaling in epileptogenesis in 2 different rat models of vascular injury, combining in vitro and in vivo biochemical assays, gene expression, and magnetic resonance and direct optical imaging for blood-brain barrier permeability and vascular reactivity. Long-term electrocorticographic recordings were acquired in freely behaving animals.We demonstrate that serum-derived albumin preferentially induces activation of the activin receptor-like kinase 5 pathway of TGF-β receptor I in astrocytes. We further show that the angiotensin II type 1 receptor antagonist, losartan, previously identified as a blocker of peripheral TGF-β signaling, effectively blocks albumin-induced TGF-β activation in the brain. Most importantly, losartan prevents the development of delayed recurrent spontaneous seizures, an effect that persists weeks after drug withdrawal.TGF-β signaling, activated in astrocytes by serum-derived albumin, is involved in epileptogenesis. We propose losartan, a drug approved by the US Food and Drug Administration, as an efficient antiepileptogenic therapy for epilepsy associated with vascular injury.

Brain microvessels possess the unique properties of a blood–brain barrier (BBB), tightly regulating the passage of molecules from the blood to the brain neuropil and vice versa. In models of brain injury, BBB dysfunction and the associated leakage of serum albumin to the neuropil have been shown to induce pathological plasticity, neuronal hyper-excitability, and seizures. The effect of neuronal activity on BBB function and whether it plays a role in plasticity in the healthy brain remain unclear. Here we show that neuronal activity induces modulation of microvascular permeability in the healthy brain and that it has a role in local network reorganization. Combining simultaneous electrophysiological recording and vascular imaging with transcriptomic analysis in rats, and functional and BBB-mapping MRI in human subjects, we show that prolonged stimulation of the limb induces a focal increase in BBB permeability in the corresponding somatosensory cortex that is associated with long-term synaptic plasticity. We further show that the increased microvascular permeability depends on neuronal activity and involves caveolae-mediated transcytosis and transforming growth factor β signaling. Our results reveal a role of BBB modulation in cortical plasticity in the healthy brain, highlighting the importance of neurovascular interactions for sensory experience and learning.

Abstract Objective Blood–brain barrier dysfunction (BBBD) has been linked to various neurological disorders, including epilepsy. This study aims to utilize dynamic contrast‐enhanced magnetic resonance imaging (DCE‐MRI) to identify and compare brain regions with BBBD in patients with epilepsy (PWE) and healthy individuals. Methods We scanned 50 drug‐resistant epilepsy (DRE) patients and 58 control participants from four global specialized epilepsy centers using DCE‐MRI. The presence and extent of BBBD were analyzed and compared between PWE and healthy controls. Results Both greater brain volume and higher number of brain regions with BBBD were significantly present in PWE compared to healthy controls ( p < 10 −7 ). No differences in total brain volume with BBBD were observed in patients diagnosed with either focal seizures or generalized epilepsy, despite variations in the affected regions. Overall brain volume with BBBD did not differ in PWE with MRI‐visible lesions compared with non‐lesional cases. BBBD was observed in brain regions suspected to be related to the onset of seizures in 82% of patients ( n = 39) and was typically identified in, adjacent to, and/or in the same hemisphere as the suspected epileptogenic lesion ( n = 10). Significance These findings are consistent with pre‐clinical studies that highlight the role of BBBD in the development of DRE and identify microvascular stabilization as a potential therapeutic strategy.

Summary Brain microvessels possess the unique properties of a blood-brain barrier (BBB), tightly regulating the passage of molecules from the blood to the brain neuropil and vice versa. In models of brain injury, BBB dysfunction and the associated leakage of serum albumin to the neuropil have been shown to induce pathological plasticity, neuronal hyper-excitability, and seizures. The effect of neuronal activity on BBB function and whether it plays a role in plasticity in the healthy brain remain unclear. Here we show that neuronal activity induces modulation of microvascular permeability in the healthy brain and that it has a role in local network reorganization. Combining simultaneous electrophysiological recording and vascular imaging with transcriptomic analysis in rats, and functional and BBB-mapping MRI in human subjects we show that prolonged stimulation of the limb induces a focal increase in BBB permeability in the corresponding somatosensory cortex that is associated with long-term synaptic plasticity. We further show that the increased microvascular permeability depends on neuronal activity and involves caveolae-mediated transcytosis and transforming growth factor beta signaling. Our results reveal a role of BBB modulation in cortical plasticity in the healthy brain, highlighting the importance of neurovascular interactions for sensory experience and learning.