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.

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.

Astrocytes have in recent years become the focus of intense experimental interest, yet markers for their definitive identification remain both scarce and imperfect. Astrocytes may be recognized as such by their expression of glial fibrillary acidic protein, glutamine synthetase, glutamate transporter 1 (GLT1), aquaporin-4, aldehyde dehydrogenase 1 family member L1, and other proteins. However, these proteins may all be regulated both developmentally and functionally, restricting their utility. To identify a nuclear marker pathognomonic of astrocytic phenotype, we assessed differential RNA expression by FACS-purified adult astrocytes and, on that basis, evaluated the expression of the transcription factor SOX9 in both mouse and human brain. We found that SOX9 is almost exclusively expressed by astrocytes in the adult brain except for ependymal cells and in the neurogenic regions, where SOX9 is also expressed by neural progenitor cells. Transcriptome comparisons of SOX9+ cells with GLT1+ cells showed that the two populations of cells exhibit largely overlapping gene expression. Expression of SOX9 did not decrease during aging and was instead upregulated by reactive astrocytes in a number of settings, including a murine model of amyotrophic lateral sclerosis (SOD1G93A), middle cerebral artery occlusion, and multiple mini-strokes. We quantified the relative number of astrocytes using the isotropic fractionator technique in combination with SOX9 immunolabeling. The analysis showed that SOX9+ astrocytes constitute ∼10-20% of the total cell number in most CNS regions, a smaller fraction of total cell number than previously estimated in the normal adult brain.SIGNIFICANCE STATEMENT Astrocytes are traditionally identified immunohistochemically by antibodies that target cell-specific antigens in the cytosol or plasma membrane. We show here that SOX9 is an astrocyte-specific nuclear marker in all major areas of the CNS outside of the neurogenic regions. Based on SOX9 immunolabeling, we document that astrocytes constitute a smaller fraction of total cell number than previously estimated in the normal adult mouse brain.

Microglia are integral functional elements of the central nervous system, but the contribution of these cells to the structural integrity of the neurovascular unit has not hitherto been assessed. We show here that following blood-brain barrier (BBB) breakdown, P2RY12 (purinergic receptor P2Y, G-protein coupled, 12)-mediated chemotaxis of microglia processes is required for the rapid closure of the BBB. Mice treated with the P2RY12 inhibitor clopidogrel, as well as those in which P2RY12 was genetically ablated, exhibited significantly diminished movement of juxtavascular microglial processes and failed to close laser-induced openings of the BBB. Thus, microglial cells play a previously unrecognized protective role in the maintenance of BBB integrity following cerebrovascular damage. Because clopidogrel antagonizes the platelet P2Y12 receptor, it is widely prescribed for patients with coronary artery and cerebrovascular disease. As such, these observations suggest the need for caution in the postincident continuation of P2RY12-targeted platelet inhibition.

Calcium signaling represents the principle pathway by which astrocytes respond to neuronal activity. General anesthetics are routinely used in clinical practice to induce a sleep-like state, allowing otherwise painful procedures to be performed. Anesthetic drugs are thought to mainly target neurons in the brain and act by suppressing synaptic activity. However, the direct effect of general anesthesia on astrocyte signaling in awake animals has not previously been addressed. This is a critical issue, because calcium signaling may represent an essential mechanism through which astrocytes can modulate synaptic activity. In our study, we performed calcium imaging in awake head-restrained mice and found that three commonly used anesthetic combinations (ketamine/xylazine, isoflurane, and urethane) markedly suppressed calcium transients in neocortical astrocytes. Additionally, all three anesthetics masked potentially important features of the astrocyte calcium signals, such as synchronized widespread transients that appeared to be associated with arousal in awake animals. Notably, anesthesia affected calcium transients in both processes and soma and depressed spontaneous signals, as well as calcium responses, evoked by whisker stimulation or agonist application. We show that these calcium transients are inositol 1,4,5-triphosphate type 2 receptor (IP 3 R2)-dependent but resistant to a local blockade of glutamatergic or purinergic signaling. Finally, we found that doses of anesthesia insufficient to affect neuronal responses to whisker stimulation selectively suppressed astrocyte calcium signals. Taken together, these data suggest that general anesthesia may suppress astrocyte calcium signals independently of neuronal activity. We propose that these glial effects may constitute a nonneuronal mechanism for sedative action of anesthetic drugs.

Despite high metabolic activity, the retina and optic nerve head lack traditional lymphatic drainage. We here identified a novel ocular glymphatic clearance route for fluid and wastes via the proximal optic nerve. Amyloid-β (Aβ) was cleared from the vitreous via a pathway driven by the ocular-cranial pressure difference. After traversing the lamina barrier, intra-axonal Aβ was cleared via the perivenous space and subsequently drained to lymphatic vessels. Light-induced pupil constriction enhanced, while atropine or raising intracranial pressure blocked efflux. In two distinct murine models of glaucoma, Aβ leaked from the eye via defects in the lamina barrier instead of directional axonal efflux. The discovery of a novel pathway for removal of fluid and metabolites from the intraocular space prompts a reevaluation of the core principles governing eye physiology and provides a framework for new therapeutic approaches to treat common eye diseases, including glaucoma.