One hundred fifty years ago glial cells were discovered as a second, non-neuronal, cell type in the central nervous system. To ascribe a function to these new, enigmatic cells, it was suggested that they either glue the neurons together (the Greek word "gammalambdaiotaalpha" means "glue") or provide a robust scaffold for them ("support cells"). Although both speculations are still widely accepted, they would actually require quite different mechanical cell properties, and neither one has ever been confirmed experimentally. We investigated the biomechanics of CNS tissue and acutely isolated individual neurons and glial cells from mammalian brain (hippocampus) and retina. Scanning force microscopy, bulk rheology, and optically induced deformation were used to determine their viscoelastic characteristics. We found that (i) in all CNS cells the elastic behavior dominates over the viscous behavior, (ii) in distinct cell compartments, such as soma and cell processes, the mechanical properties differ, most likely because of the unequal local distribution of cell organelles, (iii) in comparison to most other eukaryotic cells, both neurons and glial cells are very soft ("rubber elastic"), and (iv) intriguingly, glial cells are even softer than their neighboring neurons. Our results indicate that glial cells can neither serve as structural support cells (as they are too soft) nor as glue (because restoring forces are dominant) for neurons. Nevertheless, from a structural perspective they might act as soft, compliant embedding for neurons, protecting them in case of mechanical trauma, and also as a soft substrate required for neurite growth and facilitating neuronal plasticity.

During nervous system development, neurons extend axons along well-defined pathways. The current understanding of axon pathfinding is based mainly on chemical signaling. However, growing neurons interact not only chemically but also mechanically with their environment. Here we identify mechanical signals as important regulators of axon pathfinding. In vitro, substrate stiffness determined growth patterns of Xenopus retinal ganglion cell axons. In vivo atomic force microscopy revealed a noticeable pattern of stiffness gradients in the embryonic brain. Retinal ganglion cell axons grew toward softer tissue, which was reproduced in vitro in the absence of chemical gradients. To test the importance of mechanical signals for axon growth in vivo, we altered brain stiffness, blocked mechanotransduction pharmacologically and knocked down the mechanosensitive ion channel piezo1. All treatments resulted in aberrant axonal growth and pathfinding errors, suggesting that local tissue stiffness, read out by mechanosensitive ion channels, is critically involved in instructing neuronal growth in vivo.

Accumulation of fumarate resulting from mutations in fumarate hydratase,which are associated with renal and other cancers, is shown to induce epithelial-to-mesenchymal transition—a process associated with cancer initiation. Mutations of the tricarboxylic acid cycle enzyme fumarate hydratase cause hereditary leiomyomatosis and renal cell cancer1. Fumarate hydratase-deficient renal cancers are highly aggressive and metastasize even when small, leading to a very poor clinical outcome2. Fumarate, a small molecule metabolite that accumulates in fumarate hydratase-deficient cells, plays a key role in cell transformation, making it a bona fide oncometabolite3. Fumarate has been shown to inhibit α-ketoglutarate-dependent dioxygenases that are involved in DNA and histone demethylation4,5. However, the link between fumarate accumulation, epigenetic changes, and tumorigenesis is unclear. Here we show that loss of fumarate hydratase and the subsequent accumulation of fumarate in mouse and human cells elicits an epithelial-to-mesenchymal-transition (EMT), a phenotypic switch associated with cancer initiation, invasion, and metastasis6. We demonstrate that fumarate inhibits Tet-mediated demethylation of a regulatory region of the antimetastatic miRNA cluster6 mir-200ba429, leading to the expression of EMT-related transcription factors and enhanced migratory properties. These epigenetic and phenotypic changes are recapitulated by the incubation of fumarate hydratase-proficient cells with cell-permeable fumarate. Loss of fumarate hydratase is associated with suppression of miR-200 and the EMT signature in renal cancer and is associated with poor clinical outcome. These results imply that loss of fumarate hydratase and fumarate accumulation contribute to the aggressive features of fumarate hydratase-deficient tumours.

Collective cell migration is essential for morphogenesis, tissue remodelling and cancer invasion. In vivo, groups of cells move in an orchestrated way through tissues. This movement involves mechanical as well as molecular interactions between cells and their environment. While the role of molecular signals in collective cell migration is comparatively well understood, how tissue mechanics influence collective cell migration in vivo remains unknown. Here we investigated the importance of mechanical cues in the collective migration of the Xenopus laevis neural crest cells, an embryonic cell population whose migratory behaviour has been likened to cancer invasion. We found that, during morphogenesis, the head mesoderm underlying the cephalic neural crest stiffens. This stiffening initiates an epithelial-to-mesenchymal transition in neural crest cells and triggers their collective migration. To detect changes in their mechanical environment, neural crest cells use mechanosensation mediated by the integrin-vinculin-talin complex. By performing mechanical and molecular manipulations, we show that mesoderm stiffening is necessary and sufficient to trigger neural crest migration. Finally, we demonstrate that convergent extension of the mesoderm, which starts during gastrulation, leads to increased mesoderm stiffness by increasing the cell density underneath the neural crest. These results show that convergent extension of the mesoderm has a role as a mechanical coordinator of morphogenesis, and reveal a link between two apparently unconnected processes-gastrulation and neural crest migration-via changes in tissue mechanics. Overall, we demonstrate that changes in substrate stiffness can trigger collective cell migration by promoting epithelial-to-mesenchymal transition in vivo. More broadly, our results raise the idea that tissue mechanics combines with molecular effectors to coordinate morphogenesis.

Although biological cells are mostly transparent, they are phase objects that differ in shape and refractive index. Any image that is projected through layers of randomly oriented cells will normally be distorted by refraction, reflection, and scattering. Counterintuitively, the retina of the vertebrate eye is inverted with respect to its optical function and light must pass through several tissue layers before reaching the light-detecting photoreceptor cells. Here we report on the specific optical properties of glial cells present in the retina, which might contribute to optimize this apparently unfavorable situation. We investigated intact retinal tissue and individual Müller cells, which are radial glial cells spanning the entire retinal thickness. Müller cells have an extended funnel shape, a higher refractive index than their surrounding tissue, and are oriented along the direction of light propagation. Transmission and reflection confocal microscopy of retinal tissue in vitro and in vivo showed that these cells provide a low-scattering passage for light from the retinal surface to the photoreceptor cells. Using a modified dual-beam laser trap we could also demonstrate that individual Müller cells act as optical fibers. Furthermore, their parallel array in the retina is reminiscent of fiberoptic plates used for low-distortion image transfer. Thus, Müller cells seem to mediate the image transfer through the vertebrate retina with minimal distortion and low loss. This finding elucidates a fundamental feature of the inverted retina as an optical system and ascribes a new function to glial cells.

Ageing causes a decline in tissue regeneration owing to a loss of function of adult stem cell and progenitor cell populations1. One example is the deterioration of the regenerative capacity of the widespread and abundant population of central nervous system (CNS) multipotent stem cells known as oligodendrocyte progenitor cells (OPCs)2. A relatively overlooked potential source of this loss of function is the stem cell 'niche'-a set of cell-extrinsic cues that include chemical and mechanical signals3,4. Here we show that the OPC microenvironment stiffens with age, and that this mechanical change is sufficient to cause age-related loss of function of OPCs. Using biological and synthetic scaffolds to mimic the stiffness of young brains, we find that isolated aged OPCs cultured on these scaffolds are molecularly and functionally rejuvenated. When we disrupt mechanical signalling, the proliferation and differentiation rates of OPCs are increased. We identify the mechanoresponsive ion channel PIEZO1 as a key mediator of OPC mechanical signalling. Inhibiting PIEZO1 overrides mechanical signals in vivo and allows OPCs to maintain activity in the ageing CNS. We also show that PIEZO1 is important in regulating cell number during CNS development. Thus we show that tissue stiffness is a crucial regulator of ageing in OPCs, and provide insights into how the function of adult stem and progenitor cells changes with age. Our findings could be important not only for the development of regenerative therapies, but also for understanding the ageing process itself.

Local translation regulates the axonal proteome, playing an important role in neuronal wiring and axon maintenance. How axonal mRNAs are localized to specific subcellular sites for translation, however, is not understood. Here we report that RNA granules associate with endosomes along the axons of retinal ganglion cells. RNA-bearing Rab7a late endosomes also associate with ribosomes, and real-time translation imaging reveals that they are sites of local protein synthesis. We show that RNA-bearing late endosomes often pause on mitochondria and that mRNAs encoding proteins for mitochondrial function are translated on Rab7a endosomes. Disruption of Rab7a function with Rab7a mutants, including those associated with Charcot-Marie-Tooth type 2B neuropathy, markedly decreases axonal protein synthesis, impairs mitochondrial function, and compromises axonal viability. Our findings thus reveal that late endosomes interact with RNA granules, translation machinery, and mitochondria and suggest that they serve as sites for regulating the supply of nascent pro-survival proteins in axons.

Devices implanted into the body become encapsulated due to a foreign body reaction. In the central nervous system (CNS), this can lead to loss of functionality in electrodes used to treat disorders. Around CNS implants, glial cells are activated, undergo gliosis and ultimately encapsulate the electrodes. The primary cause of this reaction is unknown. Here we show that the mechanical mismatch between nervous tissue and electrodes activates glial cells. Both primary rat microglial cells and astrocytes responded to increasing the contact stiffness from physiological values (G′ ∼ 100 Pa) to shear moduli G′ ≥ 10 kPa by changes in morphology and upregulation of inflammatory genes and proteins. Upon implantation of composite foreign bodies into rat brains, foreign body reactions were significantly enhanced around their stiff portions in vivo. Our results indicate that CNS glial cells respond to mechanical cues, and suggest that adapting the surface stiffness of neural implants to that of nervous tissue could minimize adverse reactions and improve biocompatibility.

Superhydrophobicity is generally considered to be a thermodynamically stable wetting state. The stability of the plastron (the thin air film separating the substrate from the water in the superhydrophobic state) was studied in underwater experiments. The plastron exhibited a rapid decay after a well defined onset time, which was found to be dependent on the immersion depth. The plastron decay is explained in terms of a model, which is based on confocal microscopy measurements. The limited underwater plastron stability explains the rarity of permanently submerged superhydrophobic surfaces in nature and limits their scope for commercial applications.

Abstract Injury to the central nervous system (CNS) alters the molecular and cellular composition of neural tissue and leads to glial scarring, which inhibits the regrowth of damaged axons. Mammalian glial scars supposedly form a chemical and mechanical barrier to neuronal regeneration. While tremendous effort has been devoted to identifying molecular characteristics of the scar, very little is known about its mechanical properties. Here we characterize spatiotemporal changes of the elastic stiffness of the injured rat neocortex and spinal cord at 1.5 and three weeks post-injury using atomic force microscopy. In contrast to scars in other mammalian tissues, CNS tissue significantly softens after injury. Expression levels of glial intermediate filaments (GFAP, vimentin) and extracellular matrix components (laminin, collagen IV) correlate with tissue softening. As tissue stiffness is a regulator of neuronal growth, our results may help to understand why mammalian neurons do not regenerate after injury.