Summary For decades, the expression of immediate early genes (IEGs) such as c- fos has been the most widely used molecular marker representing neuronal activation. However, to date, there is no equivalent surrogate available for the decrease of neuronal activity (i.e., inhibition). Here, we developed an optogenetic-based biochemical screen in which population neural activities can be controlled by light with single action potential precision, followed by unbiased phosphoproteomic profiling. We identified that the phosphorylation of pyruvate dehydrogenase (pPDH) inversely correlated with the intensity of action potential firing in primary neurons. In in vivo mouse models, monoclonal antibody-based pPDH immunostaining detected neuronal inhibition across the brain induced by a wide range of factors including general anesthesia, sensory experiences, and natural behaviors. Thus, as an in vivo marker for neuronal inhibition, pPDH can be used together with IEGs or other cell-type markers to profile and identify bi-directional neural dynamics induced by experiences or behaviors.

Summary Maintaining body temperature is calorically expensive for endothermic animals. Mammals eat more in the cold to compensate for energy expenditure, but the neural mechanism underlying this coupling is not well understood. Through behavioral and metabolic analyses, we found that mice dynamically switch between energy conservation and food-seeking states in the cold, the latter of which is primarily driven by energy expenditure rather than the sensation of cold. To identify the neural mechanisms underlying cold-induced food seeking, we use whole-brain cFos mapping and found that the xiphoid (Xi), a small nucleus in the midline thalamus, was selectively activated by prolonged cold associated with elevated energy expenditure but not with acute cold exposure. In vivo calcium imaging showed that Xi activity correlates with food-seeking episodes in cold conditions. Using activity-dependent viral strategies, we found that optogenetic and chemogenetic stimulation of cold-activated Xi neurons recapitulated cold-induced feeding, whereas their inhibition suppressed it. Mechanistically, Xi encodes a context-dependent valence switch promoting food-seeking behaviors in cold but not warm conditions. Furthermore, these behaviors are mediated by a Xi to nucleus accumbens projection. Our results establish Xi as a key region for controlling cold-induced feeding, an important mechanism for maintaining energy homeostasis in endothermic animals.

Visceral sensory pathways mediate homeostatic reflexes, the dysfunction of which leads to many neurological disorders1. The Bezold–Jarisch reflex (BJR), first described2,3 in 1867, is a cardioinhibitory reflex that is speculated to be mediated by vagal sensory neurons (VSNs) that also triggers syncope. However, the molecular identity, anatomical organization, physiological characteristics and behavioural influence of cardiac VSNs remain mostly unknown. Here we leveraged single-cell RNA-sequencing data and HYBRiD tissue clearing4 to show that VSNs that express neuropeptide Y receptor Y2 (NPY2R) predominately connect the heart ventricular wall to the area postrema. Optogenetic activation of NPY2R VSNs elicits the classic triad of BJR responses—hypotension, bradycardia and suppressed respiration—and causes an animal to faint. Photostimulation during high-resolution echocardiography and laser Doppler flowmetry with behavioural observation revealed a range of phenotypes reflected in clinical syncope, including reduced cardiac output, cerebral hypoperfusion, pupil dilation and eye-roll. Large-scale Neuropixels brain recordings and machine-learning-based modelling showed that this manipulation causes the suppression of activity across a large distributed neuronal population that is not explained by changes in spontaneous behavioural movements. Additionally, bidirectional manipulation of the periventricular zone had a push–pull effect, with inhibition leading to longer syncope periods and activation inducing arousal. Finally, ablating NPY2R VSNs specifically abolished the BJR. Combined, these results demonstrate a genetically defined cardiac reflex that recapitulates characteristics of human syncope at physiological, behavioural and neural network levels.