Hypersynchronous neuronal firing is a hallmark of epilepsy, but the mechanisms underlying simultaneous activation of multiple neurons remains unknown. Epileptic discharges are in part initiated by a local depolarization shift that drives groups of neurons into synchronous bursting. In an attempt to define the cellular basis for hypersynchronous bursting activity, we studied the occurrence of paroxysmal depolarization shifts after suppressing synaptic activity using tetrodotoxin (TTX) and voltage-gated Ca2+ channel blockers. Here we report that paroxysmal depolarization shifts can be initiated by release of glutamate from extrasynaptic sources or by photolysis of caged Ca2+ in astrocytes. Two-photon imaging of live exposed cortex showed that several antiepileptic agents, including valproate, gabapentin and phenytoin, reduced the ability of astrocytes to transmit Ca2+ signaling. Our results show an unanticipated key role for astrocytes in seizure activity. As such, these findings identify astrocytes as a proximal target for the treatment of epileptic disorders.

Acupuncture is an invasive procedure commonly used to relieve pain. Acupuncture is practiced worldwide, despite difficulties in reconciling its principles with evidence-based medicine. We found that adenosine, a neuromodulator with anti-nociceptive properties, was released during acupuncture in mice and that its anti-nociceptive actions required adenosine A1 receptor expression. Direct injection of an adenosine A1 receptor agonist replicated the analgesic effect of acupuncture. Inhibition of enzymes involved in adenosine degradation potentiated the acupuncture-elicited increase in adenosine, as well as its anti-nociceptive effect. These observations indicate that adenosine mediates the effects of acupuncture and that interfering with adenosine metabolism may prolong the clinical benefit of acupuncture.

Abstract Flow of cerebrospinal fluid (CSF) through perivascular spaces (PVSs) in the brain is important for clearance of metabolic waste. Arterial pulsations are thought to drive flow, but this has never been quantitatively shown. We used particle tracking to quantify CSF flow velocities in PVSs of live mice. CSF flow is pulsatile and driven primarily by the cardiac cycle. The speed of the arterial wall matches that of the CSF, suggesting arterial wall motion is the principal driving mechanism, via a process known as perivascular pumping. Increasing blood pressure leaves the artery diameter unchanged but changes the pulsations of the arterial wall, increasing backflow and thereby reducing net flow in the PVS. Perfusion-fixation alters the normal flow direction and causes a 10-fold reduction in PVS size. We conclude that particle tracking velocimetry enables the study of CSF flow in unprecedented detail and that studying the PVS in vivo avoids fixation artifacts.

The Adult Astrocyte Is Different The concept of the tripartite synapse, whereby astrocytes actively modulate the communication between the pre- and postsynaptic site, is widely accepted. The release of gliotransmitters has been linked to release of Ca 2÷ from intracellular stores via the activation of astrocytic metabotropic glutamate receptor 5 (mGluR5) by glutamate spillover from synapses. However, nearly all studies on the tripartite synapse have used brain tissue collected from young individuals. Many receptors undergo changes in expression level during development. Sun et al. (p. 197 ; see the Perspective by Grosche and Reichenbach ) applied genomic analysis, electron microscopy, and calcium imaging in slices and in vivo to assess the presence and the functionality of mGluR5 and mGluR3 receptors during postnatal development in human and mouse astrocytes. Astrocytic expression of mGluR5 was lost by the third postnatal week in mice and was not present in human cortical astrocytes, which calls into question the viability of the tripartite synapse model for adult synapses.

Glymphatic transport, defined as cerebrospinal fluid (CSF) peri-arterial inflow into brain, and interstitial fluid (ISF) clearance, is reduced in the aging brain. However, it is unclear whether glymphatic transport affects the distribution of soluble Aβ in Alzheimer's disease (AD). In wild type mice, we show that Aβ40 (fluorescently labeled Aβ40 or unlabeled Aβ40), was distributed from CSF to brain, via the peri-arterial space, and associated with neurons. In contrast, Aβ42 was mostly restricted to the peri-arterial space due mainly to its greater propensity to oligomerize when compared to Aβ40. Interestingly, pretreatment with Aβ40 in the CSF, but not Aβ42, reduced CSF transport into brain. In APP/PS1 mice, a model of AD, with and without extensive amyloid-β deposits, glymphatic transport was reduced, due to the accumulation of toxic Aβ species, such as soluble oligomers. CSF-derived Aβ40 co-localizes with existing endogenous vascular and parenchymal amyloid-β plaques, and thus, may contribute to the progression of both cerebral amyloid angiopathy and parenchymal Aβ accumulation. Importantly, glymphatic failure preceded significant amyloid-β deposits, and thus, may be an early biomarker of AD. By extension, restoring glymphatic inflow and ISF clearance are potential therapeutic targets to slow the onset and progression of AD.

The nonspecific and variable presentation of traumatic brain injury (TBI) has motivated an intense search for blood-based biomarkers that can objectively predict the severity of injury. However, it is not known how cytosolic proteins released from traumatized brain tissue reach the peripheral blood. Here we show in a murine TBI model that CSF movement through the recently characterized glymphatic pathway transports biomarkers to blood via the cervical lymphatics. Clinically relevant manipulation of glymphatic activity, including sleep deprivation and cisternotomy, suppressed or eliminated TBI-induced increases in serum S100β, GFAP, and neuron specific enolase. We conclude that routine TBI patient management may limit the clinical utility of blood-based biomarkers because their brain-to-blood transport depends on glymphatic activity.

Traumatic spinal cord injury is characterized by an immediate, irreversible loss of tissue at the lesion site, as well as a secondary expansion of tissue damage over time. Although secondary injury should, in principle, be preventable, no effective treatment options currently exist for patients with acute spinal cord injury (SCI). Excessive release of ATP by the traumatized tissue, followed by activation of high-affinity P2X7 receptors, has previously been implicated in secondary injury, but no clinically relevant strategy by which to antagonize P2X7 receptors has yet, to the best of our knowledge, been reported. Here we have tested the neuroprotective effects of a systemically administered P2X7R antagonist, Brilliant blue G (BBG), in a weight-drop model of thoracic SCI in rats. Administration of BBG 15 min after injury reduced spinal cord anatomic damage and improved motor recovery without evident toxicity. Moreover, BBG treatment directly reduced local activation of astrocytes and microglia, as well as neutrophil infiltration. These observations suggest that BBG not only protected spinal cord neurons from purinergic excitotoxicity, but also reduced local inflammatory responses. Importantly, BBG is a derivative of a commonly used blue food color (FD&C blue No. 1), which crosses the blood–brain barrier. Systemic administration of BBG may thus comprise a readily feasible approach by which to treat traumatic SCI in humans.

Gliosis is a pathological hallmark of posttraumatic epileptic foci, but little is known about these reactive astrocytes beyond their high glial fibrillary acidic protein (GFAP) expression. Using diolistic labeling, we show that cortical astrocytes lost their nonoverlapping domain organization in three mouse models of epilepsy: posttraumatic injury, genetic susceptibility, and systemic kainate exposure. Neighboring astrocytes in epileptic mice showed a 10-fold increase in overlap of processes. Concurrently, spine density was increased on dendrites of excitatory neurons. Suppression of seizures by the common antiepileptic, valproate, reduced the overlap of astrocytic processes. Astrocytic domain organization was also preserved in APP transgenic mice expressing a mutant variant of human amyloid precursor protein despite a marked upregulation of GFAP. Our data suggest that loss of astrocytic domains was not universally associated with gliosis, but restricted to seizure pathologies. Reorganization of astrocytes may, in concert with dendritic sprouting and new synapse formation, form the structural basis for recurrent excitation in the epileptic brain.