Central glucagon-like-peptide-1 (GLP-1) receptor activation reduces food intake; however, brain nuclei and mechanism(s) mediating this effect remain poorly understood. Although central nervous system GLP-1 is produced almost exclusively in the nucleus of the solitary tract in the hindbrain, GLP-1 receptors (GLP-1R) are expressed throughout the brain, including nuclei in the mesolimbic reward system (MRS), e.g. the ventral tegmental area (VTA) and the nucleus accumbens (NAc). Here, we examine the MRS as a potential site of action for GLP-1-mediated control of food intake and body weight. Double immunohistochemistry for Fluorogold (monosynaptic retrograde tracer) and GLP-1 neuron immunoreactivity indicated that GLP-1-producing nucleus tractus solitarius neurons project directly to the VTA, the NAc core, and the NAc shell. Pharmacological data showed that GLP-1R activation in the VTA, NAc core, and NAc shell decreased food intake, especially of highly-palatable foods, and body weight. Moreover, blockade of endogenous GLP-1R signaling in the VTA and NAc core resulted in a significant increase in food intake, establishing a physiological relevance for GLP-1 signaling in the MRS. Current data highlight these nuclei within the MRS as novel sites for GLP-1R-mediated control of food intake and body weight.

Abstract Guided by gut sensory cues, humans and animals prefer nutritive sugars over non-caloric sweeteners, but how the gut steers such preferences remains unknown. In the intestine, neuropod cells synapse with vagal neurons to convey sugar stimuli to the brain within seconds. Here, we found that cholecystokinin (CCK)-labeled duodenal neuropod cells differentiate and transduce luminal stimuli from sweeteners and sugars to the vagus nerve using sweet taste receptors and sodium glucose transporters. The two stimulus types elicited distinct neural pathways: while sweetener stimulated purinergic neurotransmission, sugar stimulated glutamatergic neurotransmission. To probe the contribution of these cells to behavior, we developed optogenetics for the gut lumen by engineering a flexible fiberoptic. We showed that preference for sugar over sweetener in mice depends on neuropod cell glutamatergic signaling. By swiftly discerning the precise identity of nutrient stimuli, gut neuropod cells serve as the entry point to guide nutritive choices.

Animals innately prefer caloric sugars over non-caloric sweeteners. Such preference depends on the sugar entering the intestine. Although the brain is aware of the stimulus within seconds, how the gut discerns the caloric sugar to guide choice is unknown. Recently, we discovered an intestinal transducer, known as the neuropod cell. This cell synapses with the vagus to inform the brain about glucose in the gut in milliseconds. Here, we demonstrate that neuropod cells distinguish a caloric sugar from a non-caloric sweetener using the electrogenic sodium glucose co-transporter 1 (SGLT1) or sweet taste receptors. Activation of neuropod cells by non-caloric sucralose leads to ATP release, whereas the entry of caloric sucrose via SGLT1 stimulates glutamate release. To interrogate the contribution of the neuropod cell to sugar preference, we developed a method to record animal preferences in real time while using optogenetics to silence or excite neuropod cells. We discovered that silencing these cells, or blocking their glutamatergic signaling, renders the animals unable to recognize the caloric sugar. And, exciting neuropod cells leads the animal to consume the non-caloric sweetener as if it were caloric. By transducing the precise identity of the stimuli entering the gut, neuropod cells guide an animal's internal preference toward the caloric sugar.