Abstract Neurovascular coupling is a critical brain mechanism whereby changes to blood flow accompany localised neural activity. The breakdown of neurovascular coupling is linked to the development and progression of several neurological conditions including dementia. In this study, we examined cortical haemodynamics in preparations that modelled Alzheimer’s disease (J20-AD) and atherosclerosis (PCSK9-ATH) between 9-12m of age. We report novel findings with atherosclerosis where neurovascular decline is characterised by significantly reduced blood volume, levels of oxyhaemoglobin & deoxyhaemoglobin, in addition to global neuroinflammation. In the comorbid mixed model (J20-PCSK9-MIX), we report a 3x fold increase in hippocampal amyloid-beta plaques. A key finding was that cortical spreading depression (CSD) due to electrode insertion into the brain was worse in the diseased animals and led to a prolonged period of hypoxia. These findings suggest that systemic atherosclerosis can be detrimental to neurovascular health and that having cardiovascular comorbidities can exacerbate pre-existing Alzheimer’s-related amyloid-plaques.

Abstract Neurovascular coupling (NVC) is a mechanism that, amongst other known and latent critical functions, ensures activated brain regions are adequately supplied with oxygen and glucose. This biological phenomenon underpins non-invasive perfusion-related neuroimaging techniques and recent reports have implicated NVC impairment in several neurodegenerative disorders. Yet, much remains unknown regarding NVC in health and disease, and only recently has there been burgeoning recognition of a close interplay with brain thermodynamics. Accordingly, we developed a novel multi-modal approach to systematically modulate cortical temperature and interrogate the spatiotemporal dynamics of sensory-evoked NVC. We show that changes in cortical temperature profoundly and intricately modulate NVC, with low temperatures associated with diminished oxygen delivery, and high temperatures inducing a distinct vascular oscillation. These observations provide novel insights into the relationship between NVC and brain thermodynamics, with important implications for brain-temperature related therapies, functional biomarkers of elevated brain temperature, and in-vivo methods to study neurovascular coupling.

Abstract Investigating neurovascular coupling in awake rodents is becoming ever more popular due, in part, to our increasing knowledge of the profound impacts that anaesthesia can have upon brain physiology. Although awake imaging brings with it many advantages, we still do not fully understand how voluntary locomotion during imaging affects sensory-evoked haemodynamic responses. In this study we investigated how evoked haemodynamic responses can be affected by the amount and timing of locomotion. Using an awake imaging set up, we used 2D-Optical Imaging Spectroscopy (2D-OIS) to measure changes in cerebral haemodynamics within the sensory cortex of the brain during either 2s whisker stimulation or spontaneous (no whisker stimulation) experiments, whilst animals could walk on a spherical treadmill. We show that locomotion alters haemodynamic responses. The amount and timing of locomotion relative to whisker stimulation is important, and can significantly impact sensory-evoked haemodynamic responses. If locomotion occurred before or during whisker stimulation, the amplitude of the stimulus-evoked haemodynamic response was significantly altered. Therefore, monitoring of locomotion during awake imaging is necessary to ensure that conclusions based on comparisons of evoked haemodynamic responses (e.g., between control and disease groups) are not confounded by the effects of locomotion.