High-grade gliomas are lethal brain cancers whose progression is robustly regulated by neuronal activity. Activity-regulated release of growth factors promotes glioma growth, but this alone is insufficient to explain the effect that neuronal activity exerts on glioma progression. Here we show that neuron and glioma interactions include electrochemical communication through bona fide AMPA receptor-dependent neuron–glioma synapses. Neuronal activity also evokes non-synaptic activity-dependent potassium currents that are amplified by gap junction-mediated tumour interconnections, forming an electrically coupled network. Depolarization of glioma membranes assessed by in vivo optogenetics promotes proliferation, whereas pharmacologically or genetically blocking electrochemical signalling inhibits the growth of glioma xenografts and extends mouse survival. Emphasizing the positive feedback mechanisms by which gliomas increase neuronal excitability and thus activity-regulated glioma growth, human intraoperative electrocorticography demonstrates increased cortical excitability in the glioma-infiltrated brain. Together, these findings indicate that synaptic and electrical integration into neural circuits promotes glioma progression. Neurons form synapses onto glioma cells, and depolarization of glioma membranes promotes glioma growth in vivo, whereas blocking electrochemical signalling blocks tumour growth.

Diffuse intrinsic pontine glioma (DIPG) and other H3K27M-mutated diffuse midline gliomas (DMGs) are universally lethal paediatric tumours of the central nervous system1. We have previously shown that the disialoganglioside GD2 is highly expressed on H3K27M-mutated glioma cells and have demonstrated promising preclinical efficacy of GD2-directed chimeric antigen receptor (CAR) T cells2, providing the rationale for a first-in-human phase I clinical trial (NCT04196413). Because CAR T cell-induced brainstem inflammation can result in obstructive hydrocephalus, increased intracranial pressure and dangerous tissue shifts, neurocritical care precautions were incorporated. Here we present the clinical experience from the first four patients with H3K27M-mutated DIPG or spinal cord DMG treated with GD2-CAR T cells at dose level 1 (1 × 106 GD2-CAR T cells per kg administered intravenously). Patients who exhibited clinical benefit were eligible for subsequent GD2-CAR T cell infusions administered intracerebroventricularly3. Toxicity was largely related to the location of the tumour and was reversible with intensive supportive care. On-target, off-tumour toxicity was not observed. Three of four patients exhibited clinical and radiographic improvement. Pro-inflammatory cytokine levels were increased in the plasma and cerebrospinal fluid. Transcriptomic analyses of 65,598 single cells from CAR T cell products and cerebrospinal fluid elucidate heterogeneity in response between participants and administration routes. These early results underscore the promise of this therapeutic approach for patients with H3K27M-mutated DIPG or spinal cord DMG. A phase I dose-escalation trial of GD2-CAR T cells in children and young adults with diffuse midline gliomas to assess the feasibility of manufacturing, safety and tolerability, and to preliminarily assess efficacy.

The subjective experience of stress leads to reproductive dysfunction in many species, including rodents and humans. Stress effects on reproduction result from multilevel interactions between the hormonal stress response system, i.e., the hypothalamic–pituitary–adrenal (HPA) axis, and the hormonal reproductive system, i.e., the hypothalamic–pituitary–gonadal (HPG) axis. A novel negative regulator of the HPG axis known as gonadotropin-inhibitory hormone (GnIH) was recently discovered in quail, and orthologous neuropeptides known as RFamide-related peptides (RFRPs) have also been identified in rodents and primates. It is currently unknown, however, whether GnIH/RFRPs influence HPG axis activity in response to stress. We show here that both acute and chronic immobilization stress lead to an up-regulation of RFRP expression in the dorsomedial hypothalamus (DMH) of adult male rats and that this increase in RFRP is associated with inhibition of downstream HPG activity. We also show that adrenalectomy blocks the stress-induced increase in RFRP expression. Immunohistochemistry revealed that 53% of RFRP cells express receptors for glucocorticoids (GCs), indicating that adrenal GCs can mediate the stress effect through direct action on RFRP cells. It is thought that stress effects on central control of reproduction are largely mediated by direct or indirect effects on GnRH-secreting neurons. Our data show that stress-induced increases in adrenal GCs cause an increase in RFRP that contributes to hypothalamic suppression of reproductive function. This novel insight into HPA-HPG interaction provides a paradigm shift for work on stress-related reproductive dysfunction and infertility, and indicates that future work on stress and reproductive system interactions must include investigation of the role of GnIH/RFRP.

COVID survivors frequently experience lingering neurological symptoms that resemble cancer-therapy-related cognitive impairment, a syndrome for which white matter microglial reactivity and consequent neural dysregulation is central. Here, we explored the neurobiological effects of respiratory SARS-CoV-2 infection and found white-matter-selective microglial reactivity in mice and humans. Following mild respiratory COVID in mice, persistently impaired hippocampal neurogenesis, decreased oligodendrocytes, and myelin loss were evident together with elevated CSF cytokines/chemokines including CCL11. Systemic CCL11 administration specifically caused hippocampal microglial reactivity and impaired neurogenesis. Concordantly, humans with lasting cognitive symptoms post-COVID exhibit elevated CCL11 levels. Compared with SARS-CoV-2, mild respiratory influenza in mice caused similar patterns of white-matter-selective microglial reactivity, oligodendrocyte loss, impaired neurogenesis, and elevated CCL11 at early time points, but after influenza, only elevated CCL11 and hippocampal pathology persisted. These findings illustrate similar neuropathophysiology after cancer therapy and respiratory SARS-CoV-2 infection which may contribute to cognitive impairment following even mild COVID.

The generation of myelin-forming oligodendrocytes persists throughout life and is regulated by neural activity. Here we tested whether experience-driven changes in oligodendrogenesis are important for memory consolidation. We found that water maze learning promotes oligodendrogenesis and de novo myelination in the cortex and associated white matter tracts. Preventing these learning-induced increases in oligodendrogenesis without affecting existing oligodendrocytes impaired memory consolidation of water maze, as well as contextual fear, memories. These results suggest that de novo myelination tunes activated circuits, promoting coordinated activity that is important for memory consolidation. Consistent with this, contextual fear learning increased the coupling of hippocampal sharp wave ripples and cortical spindles, and these learning-induced increases in ripple-spindle coupling were blocked when oligodendrogenesis was suppressed. Our results identify a non-neuronal form of plasticity that remodels hippocampal-cortical networks following learning and is required for memory consolidation.

Abstract Post-acute infection syndromes may develop after acute viral disease 1 . Infection with SARS-CoV-2 can result in the development of a post-acute infection syndrome known as long COVID. Individuals with long COVID frequently report unremitting fatigue, post-exertional malaise, and a variety of cognitive and autonomic dysfunctions 2–4 . However, the biological processes that are associated with the development and persistence of these symptoms are unclear. Here 275 individuals with or without long COVID were enrolled in a cross-sectional study that included multidimensional immune phenotyping and unbiased machine learning methods to identify biological features associated with long COVID. Marked differences were noted in circulating myeloid and lymphocyte populations relative to the matched controls, as well as evidence of exaggerated humoral responses directed against SARS-CoV-2 among participants with long COVID. Furthermore, higher antibody responses directed against non-SARS-CoV-2 viral pathogens were observed among individuals with long COVID, particularly Epstein–Barr virus. Levels of soluble immune mediators and hormones varied among groups, with cortisol levels being lower among participants with long COVID. Integration of immune phenotyping data into unbiased machine learning models identified the key features that are most strongly associated with long COVID status. Collectively, these findings may help to guide future studies into the pathobiology of long COVID and help with developing relevant biomarkers.

Chemotherapy results in a frequent yet poorly understood syndrome of long-term neurological deficits. Neural precursor cell dysfunction and white matter dysfunction are thought to contribute to this debilitating syndrome. Here, we demonstrate persistent depletion of oligodendrocyte lineage cells in humans who received chemotherapy. Developing a mouse model of methotrexate chemotherapy-induced neurological dysfunction, we find a similar depletion of white matter OPCs, increased but incomplete OPC differentiation, and a persistent deficit in myelination. OPCs from chemotherapy-naive mice similarly exhibit increased differentiation when transplanted into the microenvironment of previously methotrexate-exposed brains, indicating an underlying microenvironmental perturbation. Methotrexate results in persistent activation of microglia and subsequent astrocyte activation that is dependent on inflammatory microglia. Microglial depletion normalizes oligodendroglial lineage dynamics, myelin microstructure, and cognitive behavior after methotrexate chemotherapy. These findings indicate that methotrexate chemotherapy exposure is associated with persistent tri-glial dysregulation and identify inflammatory microglia as a therapeutic target to abrogate chemotherapy-related cognitive impairment.Video AbstracteyJraWQiOiI4ZjUxYWNhY2IzYjhiNjNlNzFlYmIzYWFmYTU5NmZmYyIsImFsZyI6IlJTMjU2In0.eyJzdWIiOiI2ZmI3ZDRiMmU4ZWZhNTk2ZTg1ZTAyMWNjZWM5Yzk4MSIsImtpZCI6IjhmNTFhY2FjYjNiOGI2M2U3MWViYjNhYWZhNTk2ZmZjIiwiZXhwIjoxNjc4MzAzNzEzfQ.WpOzbHu52DHNb_k0gFQ2Iljoai74zE8IWAYdyjywjkG_eH9Sg0PFGeNHK3s9_VxbBGpUoIdxj_t32ZOFlsqxnyRghUUubTi_QXN-1h1qjpmBVfd0Fh9uTKutEsiMjz-2O67ResEXv3ctHGIRPb_Ycgmn1GFcQQ-CEzfR3d_qJMhDyDHyEDPKXCc4sPZiAcFCN-26qTGijoXUmf7MWTKqX0UUXY1Hbs6vVo55XZO-3P8SVEGLqqYfWyRqhcH0xnWmbuAjygjluydnGIZctaub5AWtH3L4tWOQjQ3x7iC8lGMAzezXOWFEU47nDDVanEWzt4Hw7eyTMPfaBD8hLdJsgQ(mp4, (104.15 MB) Download video

Survivors of Severe Acute Respiratory Syndrome Coronavirus-2 (SARS-CoV-2) infection frequently experience lingering neurological symptoms, including impairment in attention, concentration, speed of information processing and memory. This long-COVID cognitive syndrome shares many features with the syndrome of cancer therapy-related cognitive impairment (CRCI). Neuroinflammation, particularly microglial reactivity and consequent dysregulation of hippocampal neurogenesis and oligodendrocyte lineage cells, is central to CRCI. We hypothesized that similar cellular mechanisms may contribute to the persistent neurological symptoms associated with even mild SARS-CoV-2 respiratory infection. Here, we explored neuroinflammation caused by mild respiratory SARS-CoV-2 infection - without neuroinvasion - and effects on hippocampal neurogenesis and the oligodendroglial lineage. Using a mouse model of mild respiratory SARS-CoV-2 infection induced by intranasal SARS-CoV-2 delivery, we found white matter-selective microglial reactivity, a pattern observed in CRCI. Human brain tissue from 9 individuals with COVID-19 or SARS-CoV-2 infection exhibits the same pattern of prominent white matter-selective microglial reactivity. In mice, pro-inflammatory CSF cytokines/chemokines were elevated for at least 7-weeks post-infection; among the chemokines demonstrating persistent elevation is CCL11, which is associated with impairments in neurogenesis and cognitive function. Humans experiencing long-COVID with cognitive symptoms (48 subjects) similarly demonstrate elevated CCL11 levels compared to those with long-COVID who lack cognitive symptoms (15 subjects). Impaired hippocampal neurogenesis, decreased oligodendrocytes and myelin loss in subcortical white matter were evident at 1 week, and persisted until at least 7 weeks, following mild respiratory SARS-CoV-2 infection in mice. Taken together, the findings presented here illustrate striking similarities between neuropathophysiology after cancer therapy and after SARS-CoV-2 infection, and elucidate cellular deficits that may contribute to lasting neurological symptoms following even mild SARS-CoV-2 infection.

Summary Persistent central nervous system (CNS) immune dysregulation and consequent dysfunction of multiple neural cell types is central to the neurobiological underpinnings of a cognitive impairment syndrome that can occur following traditional cancer therapies or certain infections. Immunotherapies have revolutionized cancer care for many tumor types, but the potential long-term cognitive sequelae are incompletely understood. Here, we demonstrate in mouse models that chimeric antigen receptor (CAR) T cell therapy for both CNS and non-CNS cancers can impair cognitive function and induce a persistent CNS immune response characterized by white matter microglial reactivity and elevated cerebrospinal fluid (CSF) cytokines and chemokines. Consequently, oligodendroglial homeostasis and hippocampal neurogenesis are disrupted. Microglial depletion rescues oligodendroglial deficits and cognitive performance in a behavioral test of attention and short-term memory function. Taken together, these findings illustrate similar mechanisms underlying immunotherapy-related cognitive impairment (IRCI) and cognitive impairment following traditional cancer therapies and other immune challenges.

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.