The physiologic importance of GABAergic neurotransmission in hypothalamic neurocircuits is unknown. To examine the importance of GABA release from agouti-related protein (AgRP) neurons (which also release AgRP and neuropeptide Y), we generated mice with an AgRP neuron-specific deletion of vesicular GABA transporter. These mice are lean, resistant to obesity and have an attenuated hyperphagic response to ghrelin. Thus, GABA release from AgRP neurons is important in regulating energy balance.

Summary

 The importance of neuropeptides in the hypothalamus has been experimentally established. Due to difficulties in assessing function in vivo, the roles of the fast-acting neurotransmitters glutamate and GABA are largely unknown. Synaptic vesicular transporters (VGLUTs for glutamate and VGAT for GABA) are required for vesicular uptake and, consequently, synaptic release of neurotransmitters. Ventromedial hypothalamic (VMH) neurons are predominantly glutamatergic and express VGLUT2. To evaluate the role of glutamate release from VMH neurons, we generated mice lacking VGLUT2 selectively in SF1 neurons (a major subset of VMH neurons). These mice have hypoglycemia during fasting secondary to impaired fasting-induced increases in the glucose-raising pancreatic hormone glucagon and impaired induction in liver of mRNAs encoding PGC-1α and the gluconeogenic enzymes PEPCK and G6Pase. Similarly, these mice have defective counterregulatory responses to insulin-induced hypoglycemia and 2-deoxyglucose (an antimetabolite). Thus, glutamate release from VMH neurons is an important component of the neurocircuitry that functions to prevent hypoglycemia.

Abstract Obesity is primarily a consequence of consuming calories beyond energetic requirements, but underpinning drivers have not been fully defined. 5-Hydroxytryptamine (5-HT) neurons in the dorsal Raphe nucleus (5-HT DRN ) regulate different types of feeding behavior, such as eating to cope with hunger or for pleasure. Here, we observed that activation of 5-HT DRN to hypothalamic arcuate nucleus (5-HT DRN → ARH) projections inhibits food intake driven by hunger via actions at ARH 5-HT 2C and 5-HT 1B receptors, whereas activation of 5-HT DRN to ventral tegmental area (5-HT DRN → VTA) projections inhibits non-hunger-driven feeding via actions at 5-HT 2C receptors. Further, hunger-driven feeding gradually activates ARH-projecting 5-HT DRN neurons via inhibiting their responsiveness to inhibitory GABAergic inputs; non-hunger-driven feeding activates VTA-projecting 5-HT DRN neurons through reducing a potassium outward current. Thus, our results support a model whereby parallel circuits modulate feeding behavior either in response to hunger or to hunger-independent cues.

Obesity is a growing global health epidemic with limited effective therapeutics. Serotonin (5-HT) is one major neurotransmitter which remains an excellent target for new weight-loss therapies, but there remains a gap in knowledge on the mechanisms involved in 5-HT produced in the dorsal Raphe nucleus (DRN) and its involvement in meal initiation. Using a closed-loop optogenetic feeding paradigm, we showed that the 5-HT DRN →arcuate nucleus (ARH) circuit plays an important role in regulating meal initiation. Incorporating electrophysiology and ChannelRhodopsin-2-Assisted Circuit Mapping, we demonstrated that 5-HT DRN neurons receive inhibitory input partially from GABAergic neurons in the DRN, and the 5-HT response to GABAergic inputs can be enhanced by hunger. Additionally, deletion of the GABA A receptor subunit in 5-HT neurons inhibits meal initiation with no effect on the satiation process. Finally, we identified the instrumental role of dopaminergic inputs via dopamine receptor D2 in 5-HT DRN neurons in enhancing the response to GABA-induced feeding. Thus, our results indicate that 5-HT DRN neurons are inhibited by synergistic inhibitory actions of GABA and dopamine, which allows for the initiation of a meal.

Abstract Adaptation to potential threat cues in feeding regulation is key for animal survival. Maladaptation in balancing internal energy needs and external threat cues may result in eating disorders. However, brain mechanisms underlying such maladaptation remain elusive. Here, we identified that the basal forebrain (BF) sends glutamatergic projections to glutamatergic neurons in the ventral tegmental area (VTA). Glutamatergic neurons in both the BF and the VTA displayed correlated responses to various external stressors. Notably, in vivo manipulation of BF terminals in the VTA revealed that the glutamatergic BF➔VTA circuit reduces appetite, increases locomotion, and elicits avoidance. In consistence, activation of VTA glutamatergic neurons reduced body weight, blunted food motivation, and caused hyperactivity with behavioral signs of anxiety, all hallmarks of typical anorexia phenotypes. Importantly, activation of BF glutamatergic terminals in the VTA reduced dopamine release in the nucleus accumbens (NAc). Collectively, our results point to overactivation of the glutamatergic BF➔VTA circuit as a potential cause of anorexia-like phenotypes involving reduced dopamine release.

Adipose-derived VEGF-A stimulates functional blood vessel formation in obese fat pads which in turn facilitates healthy expansion of the adipose tissue. However, the detailed mechanism(s) governing the process remains largely unknown. Here, we investigated the role of sympathetic nervous system activation in the process. To this end, we induced overexpression of VEGF-A in an adipose-specific doxycycline (Dox)-inducible transgenic mouse model for a short period of time during high fat-diet (HFD) feeding. We found that local overexpression of VEGF-A in adipose tissue stimulated lipolysis and browning rapidly after Dox induction. Immunofluorescent staining against tyrosine hydroxylase (TH) indicated higher levels of sympathetic innervation in adipose tissue of transgenic mice. In response to the increased norepinephrine (NE) level, expression of β3-andrenoceptor was significantly upregulated and the downstream protein kinase A (PKA) pathway was activated, as indicated by the enhanced phosphorylation of the whole PKA substrates, in particular the hormone sensitive lipase (HSL) in adipocytes. As the result, the adipose tissue exhibited increased lipolysis, browning, and energy expenditure. Importantly, all these effects were abolished upon the treatment with β3-adrenoceptor antagonist SR59230A. Collectively, these results demonstrate that transient overexpressed VEGF-A activates sympathetic nervous system which hence promotes lipolysis and browning in adipose tissue.