2-photon imaging of glial endfoot (dys)function in awake behaving mice

Professor Erlend Nagelhus var en pioner innen forskningen på vannkanaler i hjernen og oppdaget at vannkanalen aquaporin-4 (AQP4) er konsentrert i gliacellenes endeføtter, utløpere langs hjernens overflate og rundt hjernens blodårer. Han var med å vise at AQP4 er med på å fremme drenasjen av vevsvæske og avfallsstoffer fra hjernen langs hjernens blodårer. Væskestrømmen langs blodårene ivaretar den funksjonen som lymfeårer har i andre organer. Prosjektet har avdekket artsforskjeller mellom menneske og mus med henblikk på AQP4s ekspresjon i hjernen: gliacellenes membraner i nevropil har høyere tetthet av AQP4 enn de tilsvarende membrandomener i mus. Vi tolker dette slik at menneskehjernen, som har et vesentlig større volum enn musehjernen, i større grad er avhengig av AQP4 for effektiv væskedrenasje. Vi har også vist at gliacellenes endeføtter reagerer på akutt hjerneødem med kraftige kalsiumsignaler og at denne signaleringen er avhengig av AQP4's forankringskompleks og kalsiumfrigjørining fra intracellulære forråd. I en musemodell for akutt migrene viste vi at oppsvulmingen av gliaendeføttene rundt arterioler ikke var avhengig av AQP4. I tillegg har vi kartlagt gliacellenes aktivitet og samspill med nerveceller under alle faser av våkenhet og søvn. Artikkelen ble publisert i Nature Communications i juni 2020. I en dyremodell for Alzheimers sykdom har vi demonstrert en dissosiasjon mellom astrocyttkalsiumsignaler og noradrenalin-signalering i hjernen. Denne studien kan bidra til å belyse hvordan søvn, astrocyttsignalering og utrensking av avfallsstoffer er påvirket i Alzheimers sykdom. Denne artikkelen er ennå ikke fagfellevurdert, men publisert på preprint-databasen bioRxiv.

This project has enabled the first ever description of astrocytic signalling across the different sleep stages in mice (Bojarskaite et al. 2020, Nature Communications). This model is unique in the field and the findings have attracted much attention from the neuroscience field, mass media, patient organizations and the public. The findings have cemented astrocytes as important regulators of sleep state dynamics with important implications for brain waste clearance mechanisms. Moreover, we have published a range of articles demonstrating how perturbed endfoot physiology affects fluid homeostasis in the brain both in physiology and in the context of neurodegenerative disorders, both in mice and in humans. This was a basic research project and our findings are not directly of use to society currently, but we have added important mechanistic insight to processes regarding brain waste clearance in sleep, which is now being studied and applied in human research in patients.

Endfoot processes of astrocytes, the star-shaped glial cells, form the outermost layer of neural tissue and ensheathe the cerebral vasculature. Evidence is emerging that astrocytic endfeet are highly specialized cell compartments with unique biochemistry and function. Dysfunctions of endfeet have been coupled to a multitude of neurological conditions such as traumatic brain injury, stroke, epilepsy, migraine and Alzheimer's disease. At the molecular level astrocytic endfeet express high levels of aquaporin-4 (AQP4) water channels that play key roles in fluid and waste removal from the brain parenchyma. However, the efflux pathways, the transport mechanisms and their regulation remain poorly understood. Further, we do not know whether and how loss of AQP4 and associated molecules from astrocytic endfoot membranes at the brain-blood interface - an emerging hallmark of common neurological disorders - affect parenchymal and paravascular fluid flow, brain metabolism and microcirculation. This project aims at revealing 1) routes and mechanisms for brain drain of fluid and waste, 2) whether capillary blood flow, tissue glucose availability and neuronal metabolism are orchestrated by astrocytic endfeet, and 3) how loss of the normal endfoot molecular ensemble contributes to disease. To study endfoot (dys)functions we will apply 1) gene knockout strategies and disease models featuring perturbed endfoot molecular architecture, 2) spatially and temporally precise optical approaches - optogenetics and 2-photon microscopy - for manipulating and monitoring endfoot function in fully awake behaving mice. The findings will provide novel insight into mechanisms regulating brain fueling and exit of fluid and waste, with wide implications for human health, diagnostics and cure.