A neural circuit from the parabrachial nucleus to the central nucleus of the amygdala mediates appetite suppression. The parabrachial nucleus (PBN) is an area of the brainstem containing subpopulations of neurons associated with taste, sodium intake, respiration, pain, thermosensation and appetite suppression. Partly because of the heterogeneous mix of cells making up this structure, it has proved difficult to identify the specific pathways driving appetite suppression. Now, using a variety of tools including optogenetic and pharmacogenetic analysis, Richard Palmiter and colleagues identify active calcitonin gene-related peptide-expressing neurons, projecting from the PBN to the central nucleus of the amygdala as a critical circuit driving appetite suppression. By contrast, inhibition of these neurons leads to increased feeding, suggesting that this neural circuit may provide targets for therapeutic intervention to both suppress and promote appetite. Appetite suppression occurs after a meal and in conditions when it is unfavourable to eat, such as during illness or exposure to toxins. A brain region proposed to play a role in appetite suppression is the parabrachial nucleus1,2,3, a heterogeneous population of neurons surrounding the superior cerebellar peduncle in the brainstem. The parabrachial nucleus is thought to mediate the suppression of appetite induced by the anorectic hormones amylin and cholecystokinin2, as well as by lithium chloride and lipopolysaccharide, compounds that mimic the effects of toxic foods and bacterial infections, respectively4,5,6. Hyperactivity of the parabrachial nucleus is also thought to cause starvation after ablation of orexigenic agouti-related peptide neurons in adult mice1,7. However, the identities of neurons in the parabrachial nucleus that regulate feeding are unknown, as are the functionally relevant downstream projections. Here we identify calcitonin gene-related peptide-expressing neurons in the outer external lateral subdivision of the parabrachial nucleus that project to the laterocapsular division of the central nucleus of the amygdala as forming a functionally important circuit for suppressing appetite. Using genetically encoded anatomical, optogenetic8 and pharmacogenetic9 tools, we demonstrate that activation of these neurons projecting to the central nucleus of the amygdala suppresses appetite. In contrast, inhibition of these neurons increases food intake in circumstances when mice do not normally eat and prevents starvation in adult mice whose agouti-related peptide neurons are ablated. Taken together, our data demonstrate that this neural circuit from the parabrachial nucleus to the central nucleus of the amygdala mediates appetite suppression in conditions when it is unfavourable to eat. This neural circuit may provide targets for therapeutic intervention to overcome or promote appetite.

The hippocampus is traditionally thought to transmit contextual information to limbic structures where it acquires valence. Using freely moving calcium imaging and optogenetics, we show that while the dorsal CA1 subregion of the hippocampus is enriched in place cells, ventral CA1 (vCA1) is enriched in anxiety cells that are activated by anxiogenic environments and required for avoidance behavior. Imaging cells defined by their projection target revealed that anxiety cells were enriched in the vCA1 population projecting to the lateral hypothalamic area (LHA) but not to the basal amygdala (BA). Consistent with this selectivity, optogenetic activation of vCA1 terminals in LHA but not BA increased anxiety and avoidance, while activation of terminals in BA but not LHA impaired contextual fear memory. Thus, the hippocampus encodes not only neutral but also valence-related contextual information, and the vCA1-LHA pathway is a direct route by which the hippocampus can rapidly influence innate anxiety behavior.

Midbrain dopamine (DA) neurons fire in 2 characteristic modes, tonic and phasic, which are thought to modulate distinct aspects of behavior. However, the inability to selectively disrupt these patterns of activity has hampered the precise definition of the function of these modes of signaling. Here, we addressed the role of phasic DA in learning and other DA-dependent behaviors by attenuating DA neuron burst firing and subsequent DA release, without altering tonic neural activity. Disruption of phasic DA was achieved by selective genetic inactivation of NMDA-type, ionotropic glutamate receptors in DA neurons. Disruption of phasic DA neuron activity impaired the acquisition of numerous conditioned behavioral responses, and dramatically attenuated learning about cues that predicted rewarding and aversive events while leaving many other DA-dependent behaviors unaffected.

Animals learn to avoid harmful situations by associating a neutral stimulus with a painful one, resulting in a stable threat memory. In mammals, this form of learning requires the amygdala. Although pain is the main driver of aversive learning, the mechanism that transmits pain signals to the amygdala is not well resolved. Here, we show that neurons expressing calcitonin gene-related peptide (CGRP) in the parabrachial nucleus are critical for relaying pain signals to the central nucleus of amygdala and that this pathway may transduce the affective motivational aspects of pain. Genetic silencing of CGRP neurons blocks pain responses and memory formation, whereas their optogenetic stimulation produces defensive responses and a threat memory. The pain-recipient neurons in the central amygdala expressing CGRP receptors are also critical for establishing a threat memory. The identification of the neural circuit conveying affective pain signals may be pertinent for treating pain conditions with psychiatric comorbidities.

A fundamental question in developmental biology is how a limited number of growth factors and their cognate receptors coordinate the formation of tissues and organs endowed with enormous morphological complexity. We report that the related neurotrophins NGF and NT-3, acting through a common receptor, TrkA, are required for sequential stages of sympathetic axon growth and, thus, innervation of target fields. Yet, while NGF supports TrkA internalization and retrograde signaling from distal axons to cell bodies to promote neuronal survival, NT-3 cannot. Interestingly, final target-derived NGF promotes expression of the p75 neurotrophin receptor, in turn causing a reduction in the sensitivity of axons to intermediate target-derived NT-3. We propose that a hierarchical neurotrophin signaling cascade coordinates sequential stages of sympathetic axon growth, innervation of targets, and survival in a manner dependent on the differential control of TrkA internalization, trafficking, and retrograde axonal signaling.

Parenting is essential for the survival and wellbeing of mammalian offspring. However, we lack a circuit-level understanding of how distinct components of this behaviour are coordinated. Here we investigate how galanin-expressing neurons in the medial preoptic area (MPOAGal) of the hypothalamus coordinate motor, motivational, hormonal and social aspects of parenting in mice. These neurons integrate inputs from a large number of brain areas and the activation of these inputs depends on the animal's sex and reproductive state. Subsets of MPOAGal neurons form discrete pools that are defined by their projection sites. While the MPOAGal population is active during all episodes of parental behaviour, individual pools are tuned to characteristic aspects of parenting. Optogenetic manipulation of MPOAGal projections mirrors this specificity, affecting discrete parenting components. This functional organization, reminiscent of the control of motor sequences by pools of spinal cord neurons, provides a new model for how discrete elements of a social behaviour are generated at the circuit level.

Starving animals are less likely to defend their home territory and more likely to engage in risky foraging behaviors. This work describes a circuit involving hypothalamic AgRP neurons projecting to neurons in the medial nucleus of the amygdala and their projections to the bed nucleus of the stria terminalis, which, when activated, mimics these behaviors in mice that are well fed. In the face of starvation, animals will engage in high-risk behaviors that would normally be considered maladaptive. Starving rodents, for example, will forage in areas that are more susceptible to predators and will also modulate aggressive behavior within a territory of limited or depleted nutrients. The neural basis of these adaptive behaviors likely involves circuits that link innate feeding, aggression and fear. Hypothalamic agouti-related peptide (AgRP)-expressing neurons are critically important for driving feeding and project axons to brain regions implicated in aggression and fear. Using circuit-mapping techniques in mice, we define a disynaptic network originating from a subset of AgRP neurons that project to the medial nucleus of the amygdala and then to the principal bed nucleus of the stria terminalis, which suppresses territorial aggression and reduces contextual fear. We propose that AgRP neurons serve as a master switch capable of coordinating behavioral decisions relative to internal state and environmental cues.

Midbrain dopaminergic neuron activity is associated with reward signaling and aversive stimuli. Using genetic models in which excitatory response of dopaminergic neurons are reduced, the authors find that the imbalance of dopaminergic neuronal response following aversive stimuli is manifested in generalized anxiety. Generalized anxiety is thought to result, in part, from impairments in contingency awareness during conditioning to cues that predict aversive or fearful outcomes. Dopamine neurons of the ventral midbrain exhibit heterogeneous responses to aversive stimuli that are thought to provide a critical modulatory signal to facilitate orientation to environmental changes and assignment of motivational value to unexpected events. Here we describe a mouse model in which activation of dopamine neurons in response to an aversive stimulus is attenuated by conditional genetic inactivation of functional NMDA receptors on dopamine neurons. We discovered that altering the magnitude of excitatory responses by dopamine neurons in response to an aversive stimulus was associated with impaired conditioning to a cue that predicts an aversive outcome. Impaired conditioning by these mice was associated with the development of a persistent, generalized anxiety-like phenotype. These data are consistent with a role for dopamine in facilitating contingency awareness that is critical for the prevention of generalized anxiety.

Abstract Mu-opioid peptide receptor (MOPR) stimulation alters respiration, analgesia, and reward behavior, and can induce addiction and drug overdose. Despite its evident importance, the endogenous mechanisms for MOPR regulation of appetitive behavior have remained unknown. Here we report that endogenous MOPR regulation of appetitive behavior in mice acts through a specific dorsal raphe to nucleus accumbens projection. MOPR-mediated inhibition of raphe terminals is necessary and sufficient to determine appetitive behavioral state while select enkephalin-containing NAc ensembles are engaged prior to reward consumption, suggesting that local enkephalin release is the source of endogenous MOPR ligand. Selective modulation of NAc enkephalin neurons and CRISPR-Cas9-mediated disruption of enkephalin substantiate this finding. These results isolate a fundamental endogenous opioid circuit for state-dependent appetitive behavior and suggest alternative mechanisms for opiate modulation of reward.

Summary Fast-acting neurotransmitters and slow, modulatory neuropeptides are commonly co-released from neurons in the central nervous system (CNS), albeit from distinct synaptic vesicles 1 . The mechanisms of how co-released neurotransmitters and neuropeptides that have opposing actions, e.g., stimulatory versus inhibitory, work together to exert control of neural circuit output remain unclear. This question has been difficult to resolve due to the inability to selectively isolate these signaling pathways in a cell- and circuit-specific manner. To overcome these barriers, we developed a genetic-based anatomical disconnect procedure that utilizes distinct DNA recombinases to independently facilitate conditional in vivo CRISPR/Cas9 mutagenesis 2 of neurotransmitter- and neuropeptide-related genes in distinct cell types in two different brain regions simultaneously. With this approach we demonstrate that the stimulatory neuropeptide neurotensin (Nts) and the inhibitory neurotransmitter γ -aminobutyric acid (GABA), which are co-released from neurons in the lateral hypothalamus (LH), work coordinately to activate dopamine neurons of the ventral tegmental area (VTA-DA). We show that GABA release from LH-Nts neurons acts on GABA neurons within the VTA to rapidly disinhibit VTA-DA neurons, while Nts signals through the Nts receptor 1 (Ntsr1) on VTA-DA neurons to promote a slow depolarization of these cells. Thus, these two signals act on distinct time scales through different cell types to enhance mesolimbic dopamine neuron activation, which optimizes behavioral reinforcement. These data demonstrate a circuit-based mechanism for the coordinated action of a neurotransmitter and neuropeptide with opposing effects on cell physiology.