Abstract Food is a powerful natural reinforcer that guides feeding decisions. The vagus nerve conveys internal sensory information from the gut to the brain about nutritional value; however, the cellular and molecular basis of macronutrient-specific reward circuits are poorly understood. Here, we monitor in vivo calcium dynamics to provide direct evidence of independent vagal sensing pathways for detection of dietary fats and sugars. Using activity-dependent genetic capture of nutrient-specific vagal neurons activated in response gut infusions, we demonstrate the existence of separate hard-wired reward circuits for fat and sugar that are necessary and sufficient for nutrient-specific reinforcement. Even when controlling for calories, combined activation of fat and sugar circuits increases overeating compared to fat or sugar alone. This work provides new insight on the complex sensory circuitry that mediates motivated behavior and suggests that a subconscious internal drive to consume obesogenic diets (e.g., those high in both fat and sugar) may impede conscious dieting efforts.

Abstract The anorexigenic peptide glucagon-like peptide-1 (GLP-1) is secreted from gut enteroendocrine cells and brain preproglucagon (PPG) neurons, which respectively define the peripheral and central GLP-1 systems. As peripheral satiation signals are integrated in the nucleus tractus solitarius (NTS), PPG NTS neurons are assumed to link the peripheral and central GLP-1 systems, forming a unified GLP-1 gut-brain satiation circuit. This hypothesis, however, remains unsubstantiated. We report that PPG NTS neurons encode satiation in mice, consistent with vagal gastrointestinal distension signalling. However, PPG NTS neurons predominantly receive vagal input from oxytocin receptor-expressing vagal neurons, rather than those expressing GLP-1 receptors. Furthermore, PPG NTS neurons are not necessary for eating suppression induced by the GLP-1 receptor agonists liraglutide or semaglutide, and semaglutide and PPG NTS neuron activation additively suppress eating. Central and peripheral GLP-1 systems thus suppress eating via independent gut-brain circuits, hence PPG NTS neurons represent a rational pharmacological target for anti-obesity combination therapy with GLP-1 receptor agonists. Abstract Figure Graphical Abstract:

Abstract The hippocampus (HPC), traditionally known for its role in learning and memory, has emerged as a controller of food intake. While prior studies primarily associated the HPC with food intake inhibition, recent research suggests a critical role in appetitive processes. We hypothesized that orexigenic HPC neurons differentially respond to fats and/or sugars, potent natural reinforcers that contribute to obesity development. Results uncover previously-unrecognized, spatially-distinct neuronal ensembles within the dorsal HPC (dHPC) that are responsive to separate nutrient signals originating from the gut. Using activity-dependent genetic capture of nutrient-responsive HPC neurons, we demonstrate a causal role of both populations in promoting nutrient-specific preference through different mechanisms. Sugar-responsive neurons encode an appetitive spatial memory engram for meal location, whereas fat-responsive neurons selectively enhance the preference and motivation for fat intake. Collectively, these findings uncover a neural basis for the exquisite specificity in processing macronutrient signals from a meal that shape dietary choices.

We investigated the lateralization of gut-innervating vagal sensory neurons and their roles in feeding behavior. Using genetic, anatomical, and behavioral analyses, we discovered a subset of highly lateralized vagal sensory neurons with distinct sensory responses to intestinal stimuli. Our results demonstrated that left vagal sensory neurons (LNG) are crucial for distension-induced satiety, while right vagal sensory neurons (RNG) mediate preference for nutritive foods. Furthermore, these lateralized neurons engage different central circuits, with LNG neurons recruiting brain regions associated with energy balance and RNG neurons activating areas related to salience, memory, and reward. Altogether, our findings unveil the diverse roles of asymmetrical gut-vagal-brain circuits in feeding behavior, offering new insights for potential therapeutic interventions targeting vagal nerve stimulation in metabolic and neuropsychiatric diseases.

Hypertension is a pervasive global health challenge, impacting over a billion individuals worldwide. Despite strides in therapeutic strategies, a significant proportion of patients remain resistant to the currently available therapies. While conventional treatments predominantly focus on cardiac, renal, and cerebral targets, emerging research underscores the pivotal role of the gut and its microbiota. Yet, the precise mechanisms governing interactions between the gut microbiota and the host blood pressure remain unclear. Here we describe a neural host-microbiota interaction that is mediated by the intestinal serotonin (5-HT) signaling via vagal 5HT3a receptors and which is crucial for maintenance of blood pressure homeostasis. Notably, a marked decrease in both intestinal 5-HT and vagal 5HT3aR signaling is observed in hypertensive rats, and in rats subjected to fecal microbiota transplantation from hypertensive rats. Leveraging an intersectional genetic strategy in a Cre rat line, we demonstrate that intestinal 5HT3aR vagal signaling is a crucial link between the gut microbiota and blood pressure homeostasis and that recovery of 5-HT signaling in colon innervating vagal neurons can alleviate hypertension. This paradigm-shifting finding enhances our comprehension of hypertensive pathophysiology and unveils a promising new therapeutic target for combating resistant hypertension associated with gut dysbiosis.

Abstract Fatty acid amide hydrolase (FAAH) degrades the endocannabinoid anandamide. A polymorphism in FAAH (FAAH C385A) reduces FAAH expression, increases anandamide levels, and increases the risk of obesity. Nevertheless, some studies have found no association between FAAH C385A and obesity. We investigated whether the environmental context governs the impact of FAAH C385A on metabolic outcomes. Using a C385A knock-in mouse model, we found that under basal conditions, there was no effect of the FAAH C385A polymorphism on body weight or composition. By contrast, FAAH A/A mice are more susceptible to glucocorticoid-induced hyperphagia, weight gain, and activation of hypothalamic AMPK. AMPK inhibition occluded the amplified hyperphagic response to glucocorticoids in FAAH A/A mice. FAAH knockdown exclusively in AgRP neurons mimicked the exaggerated feeding response of FAAH A/A mice to glucocorticoids. FAAH A/A mice likewise presented exaggerated orexigenic responses to ghrelin, while FAAH knockdown in AgRP neurons blunted leptin anorectic responses. Together, the FAAH A/A genotype amplifies orexigenic responses and decreases anorexigenic responses, providing a putative mechanism explaining the diverging human findings.

The hippocampus (HPC) has emerged as a critical player in the control of food intake, beyond its well-known role in memory. While previous studies have primarily associated the HPC with food intake inhibition, recent research suggests a role in appetitive processes. Here we identified spatially distinct neuronal populations within the dorsal HPC (dHPC) that respond to either fats or sugars, potent natural reinforcers that contribute to obesity development. Using activity-dependent genetic capture of nutrient-responsive dHPC neurons, we demonstrate a causal role of both populations in promoting nutrient-specific intake through different mechanisms. Sugar-responsive neurons encoded spatial memory for sugar location, whereas fat-responsive neurons selectively enhanced the preference and motivation for fat intake. Importantly, stimulation of either nutrient-responsive dHPC neurons increased food intake, while ablation differentially impacted obesogenic diet consumption and prevented diet-induced weight gain. Collectively, these findings uncover previously unknown orexigenic circuits underlying macronutrient-specific consumption and provide a foundation for developing potential obesity treatments. Yang et al. identify and characterize distinct sugar- and fat-responsive neuronal populations in the dorsal hippocampus and their contribution to the development of obesity.