The nervous system plays an increasingly appreciated role in the regulation of cancer. In malignant gliomas, neuronal activity drives tumor progression not only through paracrine signaling factors such as neuroligin-3 and brain-derived neurotrophic factor (BDNF) 1–3 , but also through electrophysiologically functional neuron-to-glioma synapses 4–6 . Malignant synapses are mediated by calcium-permeable AMPA (α-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazole propionic acid) receptors in both pediatric and adult high-grade gliomas 4, 5 , and consequent depolarization of the glioma cell membrane drives tumor proliferation 4 . The nervous system exhibits plasticity of both synaptic connectivity and synaptic strength, contributing to neural circuit form and functions. In health, one factor that promotes plasticity of synaptic connectivity 7, 8 and strength 9–13 is activity-regulated secretion of the neurotrophin BDNF. Here, we show that malignant synapses exhibit similar plasticity regulated by BDNF-TrkB (tropomyosin receptor kinase B) signaling. Signaling through the receptor TrkB 14 , BDNF promotes AMPA receptor trafficking to the glioma cell membrane, resulting in increased amplitude of glutamate-evoked currents in the malignant cells. This potentiation of malignant synaptic strength shares mechanistic features with the long-term potentiation (LTP) 15–23 that is thought to contribute to memory and learning in the healthy brain 22 24–27 28, 29 . BDNF-TrkB signaling also regulates the number of neuron-to-glioma synapses. Abrogation of activity-regulated BDNF secretion from the brain microenvironment or loss of TrkB in human glioma cells exerts growth inhibitory effects in vivo and in neuron:glioma co-cultures that cannot be explained by classical growth factor signaling alone. Blocking TrkB genetically or pharmacologically abrogates these effects of BDNF on glioma synapses and substantially prolongs survival in xenograft models of pediatric glioblastoma and diffuse intrinsic pontine glioma (DIPG). Taken together, these findings indicate that BDNF-TrkB signaling promotes malignant synaptic plasticity and augments tumor progression.

The role of the nervous system in the regulation of cancer is increasingly appreciated. In gliomas, neuronal activity drives tumour progression through paracrine signalling factors such as neuroligin-3 and brain-derived neurotrophic factor1–3 (BDNF), and also through electrophysiologically functional neuron-to-glioma synapses mediated by AMPA (α-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazole propionic acid) receptors4,5. The consequent glioma cell membrane depolarization drives tumour proliferation4,6. In the healthy brain, activity-regulated secretion of BDNF promotes adaptive plasticity of synaptic connectivity7,8 and strength9–15. Here we show that malignant synapses exhibit similar plasticity regulated by BDNF. Signalling through the receptor tropomyosin-related kinase B16 (TrkB) to CAMKII, BDNF promotes AMPA receptor trafficking to the glioma cell membrane, resulting in increased amplitude of glutamate-evoked currents in the malignant cells. Linking plasticity of glioma synaptic strength to tumour growth, graded optogenetic control of glioma membrane potential demonstrates that greater depolarizing current amplitude promotes increased glioma proliferation. This potentiation of malignant synaptic strength shares mechanistic features with synaptic plasticity17–22 that contributes to memory and learning in the healthy brain23–26. BDNF–TrkB signalling also regulates the number of neuron-to-glioma synapses. Abrogation of activity-regulated BDNF secretion from the brain microenvironment or loss of glioma TrkB expression robustly inhibits tumour progression. Blocking TrkB genetically or pharmacologically abrogates these effects of BDNF on glioma synapses and substantially prolongs survival in xenograft models of paediatric glioblastoma and diffuse intrinsic pontine glioma. Together, these findings indicate that BDNF–TrkB signalling promotes malignant synaptic plasticity and augments tumour progression.