ABSTRACT Synapses grow, prune, and remodel throughout development, experience, and disease. This structural plasticity can destabilize information transfer in the nervous system. However, neural activity remains remarkably stable throughout life, implying that adaptive countermeasures exist to stabilize neurotransmission. Aberrant synaptic structure and function has been associated with a variety of neural diseases including Fragile X syndrome, autism, and intellectual disability. We have screened disruptions in over 300 genes in Drosophila for defects in synaptic growth at the neuromuscular junction. This effort identified 12 mutants with severe reductions or enhancements in synaptic growth. Remarkably, electrophysiological recordings revealed synaptic strength in all but one of these mutants was unchanged compared to wild type. We utilized a combination of genetic, anatomical, and electrophysiological analyses to illuminate three mechanisms that stabilize synaptic strength in the face of alterations in synaptic growth. These include compensatory changes in 1) postsynaptic receptor abundance; 2) presynaptic morphology; and 3) active zone structure. Together, this analysis identifies new genes that regulate synaptic growth and the adaptive strategies that synapses employ to homeostatically stabilize synaptic strength in response. AUTHOR SUMMARY Throughout development, maturation, experience, and disease, synapses undergo dramatic changes in growth and remodeling. Although these processes are necessary for learning and memory, they pose major challenges to stable function in the nervous system. However, neurotransmission is typically constrained within narrow physiological ranges, implying the existence of homeostatic mechanisms that maintain stable functionality despite drastic alterations in synapse number. In this study we investigate the relationship between synaptic growth and function across a variety of mutations in neural and synaptic genes in the fruitfly Drosophila melanogaster . Using the neuromuscular junction as a model system, we reveal three adaptive mechanisms that stabilize synaptic strength when synapses are dramatically under- or over-grown. Together, these findings provide insights into the strategies employed at both pre- and post-synaptic compartments to ensure stable functionality while allowing considerable flexibility in overall synapse number.

Purkinje cell (PC) synapses onto cerebellar nuclei (CbN) neurons convey signals from the cerebellar cortex to the rest of the brain. PCs are inhibitory neurons that spontaneously fire at high rates, and many uniform sized PC inputs are thought to converge onto each CbN neuron to suppress or eliminate firing. Leading theories maintain that PCs encode information using either a rate code, or by synchrony and precise timing. Individual PCs are thought to have limited influence on CbN neuron firing. Here, we find that single PC to CbN synapses are highly variable in size, and using dynamic clamp and modelling we reveal that this has important implications for PC-CbN transmission. Individual PC inputs regulate both the rate and timing of CbN firing. Large PC inputs strongly influence CbN firing rates and transiently eliminate CbN firing for several milliseconds. Remarkably, the refractory period of PCs leads to a brief elevation of CbN firing prior to suppression. Thus, PC-CbN synapses are suited to concurrently convey rate codes, and generate precisely-timed responses in CbN neurons. Variable input sizes also elevate the baseline firing rates of CbN neurons by increasing the variability of the inhibitory conductance. Although this reduces the relative influence of PC synchrony on the firing rate of CbN neurons, synchrony can still have important consequences, because synchronizing even two large inputs can significantly increase CbN neuron firing. These findings may be generalized to other brain regions with highly variable sized synapses.

Glioblastoma (GBM) is the most common primary brain cancer in adults with a very poor prognosis. Metabolic drivers of tumorigenesis are highly relevant within the central nervous system, where glucose is the critical source of energy. The impact of obesity on survival outcomes in patients with GBM is not well established. This study investigates the prognostic value of body mass index (BMI) in patients diagnosed with GBM.

Climbing fibers (CFs) from the inferior olive (IO) provide strong excitatory inputs onto the dendrites of cerebellar Purkinje cells (PC), and trigger distinctive responses known as complex spikes (CSs). We find that in awake, behaving mice, a CS in one PC suppresses conventional simple spikes (SSs) in neighboring PCs for several milliseconds. This involves a novel form of ephaptic coupling, in which an excitatory synapse nonsynaptically inhibits neighboring cells by generating large negative extracellular signals near their dendrites. The distance dependence of CS-SS ephaptic signaling, combined with the known divergence of CF synapses made by IO neurons, allows a single IO neuron to influence the output of the cerebellum by synchronously suppressing the firing of potentially over one hundred PCs. Optogenetic studies in vivo and dynamic clamp studies in slice indicate that such brief PC suppression can effectively promote firing in neurons in the deep cerebellar nuclei and motor thalamus.

Introduction: Single-cell RNA sequencing (scRNA-seq) has helped to elucidate the cellular composition of cancer and its microenvironment. Recent scRNA-seq studies have highlighted the heterogeneity of glioblastoma (GBM). Moreover, single-cell GBM analyses have proposed resemblance of GBM cells to radial glia and outer radial glia supporting the hypothesis that remnants of developmental tissue get reactivated in cancer. A recent study isolated neural progenitor cells (NPCs) from developing fetal human brain (gestational week 17-19) and classified NPCs based on their expression of THY1, CD24 and EGFR. Ventricular radial glia are THY1- CD24-EGFR+ whereas outer radial glia are THY1- CD24-EGFR-. Early neuron precursors are CD24+THY1-EGFR+ and glial progenitor cells (GPCs) are THY1+EGFR+. GPCs give rise to THY1+EGFR+PDGFRA+ pre-oligodendrocyte progenitor cells. The importance of EGFR in NPCs again highlights the resemblance to glioma. Methods: We aimed to apply the classification above in IDH mutant astrocytoma and oligodendroglioma as well as IDHwt glioblastoma samples. We used three publicly available datasets: Wang (paired 74 IDHwt primary and recurrent samples), Tirosh (6 primary oligodendroglioma samples) and Venteicher (10 primary IDH mutant astrocytoma). Results: In IDH mutant astrocytoma, 82.63% of cells express THY1+ (mostly EGFR+PDGFRA+) and 10.76% of cells are THY1-CD24-EGFR+. In oligodendroglioma, 75% of cells are THY1+ (mostly EGFR+PDGFRA+) and 12.07% are THY1-CD24-EGFR+. In IDHwt EGFR amplified primary GBM samples, 87.5% of cells are THY1-CD24-EGFR+. This percentage drops to 70.4% in the recurrent setting. THY1-CD24-EGFR- cells increase from 9.7% to 23.1% at recurrence. In IDHwt EGFRwt primary GBM samples, 48.6% of cells are THY1-CD24-EGFR+ and 44.15% are THY1-CD24-EGFR-. In the recurrent setting, 43.26% of cells are THY1-CD24-EGFR+ and 49.58% are THY1-CD24-EGFR-. Conclusion: IDH mutant gliomas and IDHwt glioblastoma express different progenitor cell markers. THY1 is highly expressed in IDH mutant gliomas.

Introduction: The promoter methylation status of O-6-methylguanine-DNA methyltransferase (MGMTp) is an established predictive and prognostic marker in GBM. Previous studies showed that the expression of MGMT based on immunohistochemistry was variable and lacked association with survival. This in part is because non-tumor cells including endothelial cells and macrophages express MGMT. Advanced technologies such as single-cell RNA (scRNA) sequencing have helped to elucidate the cellular composition of cancer and its microenvironment. scRNA sequencing allows to assess gene expression level in tumor cells specifically. Methods: We used publicly available data from two recent GBM scRNA studies that included MGMTp methylation status data for patients to explore and uncover details about MGMT expression at the single-cell level: CPTAC (13 primary samples) and Neftel (20 primary samples). Results: In the CPTAC study, MGMT expression ranged from 0.19%-1.43% in the MGMTp methylated group (median 0.82%), and from 2.17%-28.36% in the MGMTp unmethylated group (median 5.7%). It therefore appears that 2% is a reasonable expression cutoff to predict the MGMTp methylation status based on scRNA data. In the Neftel study, MGMT expression ranged from 0-1.26% in the MGMTp methylated group (median 0.59%), and from 0.3-27.67% in the MGMTp unmethylated group (median 12.44%). Three unmethylated samples (out of 16) did not follow the 2% rule. It remains unclear if this is due to technical inaccuracies as the Neftel paper did not specify the method used to detect MGMTp methylation or even mere typos. Alternatively, could it be that truly MGMTp unmethylated samples can have low MGMT expression? Could this explain why some unmethylated MGMTp GBM patients surpass the expected survival? Interestingly, gene set enrichment analysis shows that MGMT expressing cells are enriched with mesenchymal genes, whereas MGMT negative cells are enriched with proneural genes. Conclusion: Fewer than 2% of GBM cells express MGMT when MGMTp is methylated.