Abstract Pediatric high-grade gliomas are the leading cause of brain cancer-related death in children. High-grade gliomas include clinically and molecularly distinct subtypes that stratify by anatomical location into diffuse midline gliomas (DMG) such as diffuse intrinsic pontine glioma (DIPG) and hemispheric high-grade gliomas. Neuronal activity drives high-grade glioma progression both through paracrine signaling 1,2 and direct neuron-to-glioma synapses 3–5 . Glutamatergic, AMPA receptor-dependent synapses between neurons and malignant glioma cells have been demonstrated in both pediatric 3 and adult high-grade gliomas 4 , but neuron-to-glioma synapses mediated by other neurotransmitters remain largely unexplored. Using whole-cell patch clamp electrophysiology, in vivo optogenetics and patient-derived glioma xenograft models, we have now identified functional, tumor-promoting GABAergic neuron-to-glioma synapses mediated by GABA A receptors in DMGs. GABAergic input has a depolarizing effect on DMG cells due to NKCC1 expression and consequently elevated intracellular chloride concentration in DMG tumor cells. As membrane depolarization increases glioma proliferation 3 , we find that the activity of GABAergic interneurons promotes DMG proliferation in vivo . Increasing GABA signaling with the benzodiazepine lorazepam – a positive allosteric modulator of GABA A receptors commonly administered to children with DMG for nausea or anxiety - increases GABA A receptor conductance and increases glioma proliferation in orthotopic xenograft models of DMG. Conversely, levetiracetam, an anti-epileptic drug that attenuates GABAergic neuron-to-glioma synaptic currents, reduces glioma proliferation in patient-derived DMG xenografts and extends survival of mice bearing DMG xenografts. Concordant with gene expression patterns of GABA A receptor subunit genes across subtypes of glioma, depolarizing GABAergic currents were not found in hemispheric high-grade gliomas. Accordingly, neither lorazepam nor levetiracetam influenced the growth rate of hemispheric high-grade glioma patient-derived xenograft models. Retrospective real-world clinical data are consistent with these conclusions and should be replicated in future prospective clinical studies. Taken together, these findings uncover GABAergic synaptic communication between GABAergic interneurons and diffuse midline glioma cells, underscoring a tumor subtype-specific mechanism of brain cancer neurophysiology with important potential implications for commonly used drugs in this disease context.

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.

Neurogenetic disorders, such as neurofibromatosis type 1 (NF1), can cause cognitive and motor impairments, traditionally attributed to intrinsic neuronal defects such as disruption of synaptic function. Activity-regulated oligodendroglial plasticity also contributes to cognitive and motor functions by tuning neural circuit dynamics. However, the relevance of oligodendroglial plasticity to neurological dysfunction in NF1 is unclear. Here we explore the contribution of oligodendrocyte progenitor cells (OPCs) to pathological features of the NF1 syndrome in mice. Both male and female littermates (4-24 weeks of age) were used equally in this study. We demonstrate that mice with global or OPC-specific Nf1 heterozygosity exhibit defects in activity-dependent oligodendrogenesis and harbor focal OPC hyperdensities with disrupted homeostatic OPC territorial boundaries. These OPC hyperdensities develop in a cell-intrinsic Nf1 mutation-specific manner due to differential PI3K/AKT activation. OPC-specific Nf1 loss impairs oligodendroglial differentiation and abrogates the normal oligodendroglial response to neuronal activity, leading to impaired motor learning performance. Collectively, these findings show that Nf1 mutation delays oligodendroglial development and disrupts activity-dependent OPC function essential for normal motor learning in mice.