Abstract The movement of fluid into, through, and out of the brain plays an important role in clearing metabolic waste. However, there is controversy regarding the mechanisms driving fluid movement, and whether the movement metabolic waste is primarily driven by diffusion or convection. The dilation of penetrating arterioles in the brain in response to increases in neural activity (neurovascular coupling) is an attractive candidate for driving fluid circulation, as it drives deformation of the brain tissue and of the paravascular space around arteries, resulting in fluid movement. We simulated the effects of vasodilation on fluid movement into and out of the brain using a novel poroelastic model of brain tissue. We found that arteriolar dilations could drive convective flow through the brain radially outward from the arteriole, and that this flow is sensitive to the dynamics of the dilation. Simulations of sleep-like conditions, with larger vasodilations and increased extracellular volume in the brain showed enhanced movement of fluid from the paravascular space into the brain. Our simulations suggest that both sensory-evoked and sleep-related arteriolar dilations can drive convective flow of cerebrospinal fluid from the paravascular space into the brain tissue around arterioles.

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.

Nitric oxide (NO) is a gaseous signaling molecule that plays an important role in neurovascular coupling. NO produced by neurons diffuses into the smooth muscle surrounding cerebral arterioles, driving vasodilation. However, the rate of NO degradation in hemoglobin is orders of magnitude higher than in brain tissue, though how this might impact NO signaling dynamics is not completely understood. We used simulations to investigate how the spatial and temporal patterns of NO generation and degradation impacted dilation of a penetrating arteriole in cortex. We found that the spatial location of NO production and the size of the vessel both played an important role in determining its responsiveness to NO. The much higher rate of NO degradation and scavenging of NO in the blood relative to the tissue drove emergent vascular dynamics. Large vasodilation events could be followed by post-stimulus constrictions driven by the increased degradation of NO by the blood, and vasomotion-like 0.1-0.3 Hz oscillations could also be generated. We found that these dynamics could be enhanced by elevation of free hemoglobin in the plasma, which occurs in diseases such as malaria and sickle cell anemia, or following blood transfusions. Finally, we show that changes in blood flow during hypoxia or hyperoxia could be explained by altered NO degradation in the parenchyma. Our simulations suggest that many common vascular dynamics may be emergent phenomenon generated by NO degradation by the blood or parenchyma.

The brain lacks a traditional lymphatic system for metabolite clearance. The existence a "glymphatic system" where metabolites are removed from the brain's extracellular space by convective exchange between interstitial fluid (ISF) and cerebrospinal fluid (CSF) along the paravascular spaces (PVS) around cerebral blood vessels has been controversial for nearly a decade. While recent work has shown clear evidence of directional flow of CSF in the PVS in anesthetized mice, the driving force for the observed fluid flow remains elusive. The heartbeat-driven peristaltic pulsation of arteries has been proposed as a probable driver of directed CSF flow. In this study, we use rigorous fluid dynamic simulations to provide a physical interpretation for peristaltic pumping of fluids. Our simulations match the experimental results and show that arterial pulsations only drive oscillatory motion of CSF in the PVS. The observed directional CSF flow can be explained by naturally occurring and/or experimenter-generated pressure differences.