Abstract Brain computation performed by billions of nerve cells relies on a sufficient and uninterrupted nutrient and oxygen supply 1,2 . Astrocytes, the ubiquitous glial neighbours of neurons, govern brain glucose uptake and metabolism 3,4 , but the exact mechanisms of metabolic coupling between neurons and astrocytes that ensure on-demand support of neuronal energy needs are not fully understood 5,6 . Here we show, using experimental in vitro and in vivo animal models, that neuronal activity-dependent metabolic activation of astrocytes is mediated by neuromodulator adenosine acting on astrocytic A2B receptors. Stimulation of A2B receptors recruits the canonical cyclic adenosine 3′,5′-monophosphate–protein kinase A signalling pathway, leading to rapid activation of astrocyte glucose metabolism and the release of lactate, which supplements the extracellular pool of readily available energy substrates. Experimental mouse models involving conditional deletion of the gene encoding A2B receptors in astrocytes showed that adenosine-mediated metabolic signalling is essential for maintaining synaptic function, especially under conditions of high energy demand or reduced energy supply. Knockdown of A2B receptor expression in astrocytes led to a major reprogramming of brain energy metabolism, prevented synaptic plasticity in the hippocampus, severely impaired recognition memory and disrupted sleep. These data identify the adenosine A2B receptor as an astrocytic sensor of neuronal activity and show that cAMP signalling in astrocytes tunes brain energy metabolism to support its fundamental functions such as sleep and memory.

Extrasynaptic actions of glutamate are limited by high-affinity transporters on perisynaptic astroglial processes (PAPs), which helps to maintain point-to-point transmission in excitatory circuits. Memory formation in the brain is associated with synaptic remodelling, but how this remodelling affects PAPs and therefore extrasynaptic glutamate actions is poorly understood. Here we used advanced imaging methods, in situ and in vivo , to find that a classical synaptic memory mechanism, long-term potentiation (LTP), triggers withdrawal of PAPs from potentiated synapses. Optical glutamate sensors combined with patch-clamp and 3D molecular localisation reveal that LTP induction thus prompts a spatial retreat of glial glutamate transporters, boosting glutamate spillover and NMDA receptor-mediated inter-synaptic cross-talk. The LTP-triggered PAP withdrawal involves NKCC1 transporters and the actin-controlling protein cofilin but does not depend on major Ca2+-dependent cascades in astrocytes. We have therefore uncovered a mechanism by which synaptic potentiation could alter signal handling by multiple nearby connections.

Abstract Parkinson’s disease is a neurodegenerative disease characterised by a proteinopathy with marked astrogliosis. To investigate how a proteinopathy may induce a reactive astrocyte state, and the consequence of reactive astrocytic states on neurons, we generated hiPSC-derived astrocytes, neurons and co-cultures and exposed them to small soluble alpha-synuclein aggregates. Oligomeric alpha-synuclein triggered an inflammatory state associated with TLR activation, viral responses and cytokine secretion. This reactive state resulted in loss of neurosupportive functions, and the induction of neuronal toxicity. Notably, interferon response pathways were activated leading to upregulation, and isoform switching of the RNA deaminase enzyme, ADAR1. ADAR1 mediates A-to-I RNA editing, and increases in RNA editing were observed in inflammatory pathways in cells, as well as in post-mortem human PD brain. Aberrant, or dysregulated, ADAR1 responses and RNA editing may lead to sustained inflammatory reactive states in astrocytes triggered by alpha-synuclein aggregation, and this may drive the neuroinflammatory cascade in Parkinson’s.

Abstract Neutrophils are white blood cells that are critical to the acute inflammatory and adaptive immune responses. Their swarming-pattern behaviour is controlled by multiple cellular cascades involving calcium-dependent release of various signalling molecules. Previous studies have reported that neutrophils express glutamate receptors and can release glutamate but evidence of direct neutrophil-neutrophil communication has been elusive. Here, we hold semi-suspended cultured human neutrophils in patch-clamp whole-cell mode to find that calcium mobilisation induced by stimulating one neutrophil can trigger an NMDA receptor-driven membrane current and calcium signal in neighbouring neutrophils. We employ an enzymatic-based imaging assay to image, in real time, glutamate release from neutrophils induced by glutamate released from their neighbours. These observations provide direct evidence for a positive-feedback inter-neutrophil communication that could contribute to mechanisms regulating communal neutrophil behaviour.

ABSTRACT Dendritic integration of synaptic inputs entangles their increased electrotonic attenuation at distal dendrites, which can be counterbalanced by the increased synaptic receptor density. However, during sustained network activity the influence of individual synapses depends on their release properties. How these properties are distributed along dendrites remains poorly understood. Here, we employed classical optical quantal analyses and a genetically encoded optical glutamate sensor in acute hippocampal slices to monitor release at CA3-CA1 synapses. We find that their release probability increases with greater distances from the soma. Similar-fidelity synapses tend to group together whereas release probability shows no trends regarding the within-branch position. Simulations with a realistic CA1 pyramidal cell hosting stochastic synapses suggest that the observed trends boost signal transfer fidelity, particularly at higher input frequencies. Because high-frequency bursting has been associated with learning, the release probability pattern we have found may play a key role in memory trace formation.