Dissecting the gut-brain axis It is generally believed that cells in the gut transduce sensory information through the paracrine action of hormones. Kaelberer et al. found that, in addition to the well-described classical paracrine transduction, enteroendocrine cells also form fast, excitatory synapses with vagal afferents (see the Perspective by Hoffman and Lumpkin). This more direct circuit for gut-brain signaling uses glutamate as a neurotransmitter. Thus, sensory cues that stimulate the gut could potentially be manipulated to influence specific brain functions and behavior, including those linked to food choices. Science , this issue p. eaat5236 ; see also p. 1203

The gut is now recognized as a major regulator of motivational and emotional states. However, the relevant gut-brain neuronal circuitry remains unknown. We show that optical activation of gut-innervating vagal sensory neurons recapitulates the hallmark effects of stimulating brain reward neurons. Specifically, right, but not left, vagal sensory ganglion activation sustained self-stimulation behavior, conditioned both flavor and place preferences, and induced dopamine release from Substantia nigra. Cell-specific transneuronal tracing revealed asymmetric ascending pathways of vagal origin throughout the CNS. In particular, transneuronal labeling identified the glutamatergic neurons of the dorsolateral parabrachial region as the obligatory relay linking the right vagal sensory ganglion to dopamine cells in Substantia nigra. Consistently, optical activation of parabrachio-nigral projections replicated the rewarding effects of right vagus excitation. Our findings establish the vagal gut-to-brain axis as an integral component of the neuronal reward pathway. They also suggest novel vagal stimulation approaches to affective disorders.

Poison ivy-induced allergic contact dermatitis (ACD) is the most common environmental allergic condition in the United States. Case numbers of poison ivy ACD are increasing due to growing biomass and geographical expansion of poison ivy and increasing content of the allergen, urushiol, likely attributable to rising atmospheric CO2 Severe and treatment-resistant itch is the major complaint of affected patients. However, because of limited clinical data and poorly characterized models, the pruritic mechanisms in poison ivy ACD remain unknown. Here, we aim to identify the mechanisms of itch in a mouse model of poison ivy ACD by transcriptomics, neuronal imaging, and behavioral analysis. Using transcriptome microarray analysis, we identified IL-33 as a key cytokine up-regulated in the inflamed skin of urushiol-challenged mice. We further found that the IL-33 receptor, ST2, is expressed in small to medium-sized dorsal root ganglion (DRG) neurons, including neurons that innervate the skin. IL-33 induces Ca2+ influx into a subset of DRG neurons through neuronal ST2. Neutralizing antibodies against IL-33 or ST2 reduced scratching behavior and skin inflammation in urushiol-challenged mice. Injection of IL-33 into urushiol-challenged skin rapidly exacerbated itch-related scratching via ST2, in a histamine-independent manner. Targeted silencing of neuronal ST2 expression by intrathecal ST2 siRNA delivery significantly attenuated pruritic responses caused by urushiol-induced ACD. These results indicate that IL-33/ST2 signaling is functionally present in primary sensory neurons and contributes to pruritus in poison ivy ACD. Blocking IL-33/ST2 signaling may represent a therapeutic approach to ameliorate itch and skin inflammation related to poison ivy ACD.

The treatment of acute lung injury caused by exposure to reactive chemicals remains challenging because of the lack of mechanism-based therapeutic approaches. Recent studies have shown that transient receptor potential vanilloid 4 (TRPV4), an ion channel expressed in pulmonary tissues, is a crucial mediator of pressure-induced damage associated with ventilator-induced lung injury, heart failure, and infarction. Here, we examined the effects of two novel TRPV4 inhibitors in mice exposed to hydrochloric acid, mimicking acid exposure and acid aspiration injury, and to chlorine gas, a severe chemical threat with frequent exposures in domestic and occupational environments and in transportation accidents. Postexposure treatment with a TRPV4 inhibitor suppressed acid-induced pulmonary inflammation by diminishing neutrophils, macrophages, and associated chemokines and cytokines, while improving tissue pathology. These effects were recapitulated in TRPV4-deficient mice. TRPV4 inhibitors had similar anti-inflammatory effects in chlorine-exposed mice and inhibited vascular leakage, airway hyperreactivity, and increase in elastance, while improving blood oxygen saturation. In both models of lung injury we detected increased concentrations of N-acylamides, a class of endogenous TRP channel agonists. Taken together, we demonstrate that TRPV4 inhibitors are potent and efficacious countermeasures against severe chemical exposures, acting against exaggerated inflammatory responses, and protecting tissue barriers and cardiovascular function.

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.

The lungs, the immune and nervous systems functionally interact to respond to respiratory environmental exposures and infections. The lungs are innervated by vagal sensory neurons of the jugular and nodose ganglia, fused together in smaller mammals as the jugular-nodose complex (JNC). While the JNC shares properties with the other sensory ganglia, the trigeminal (TG) and dorsal root ganglia (DRG), these sensory structures express differential sets of genes that reflect their unique functionalities. Here, we used RNAseq in mice to identify the differential transcriptomes of the three sensory ganglia types. Using a fluorescent retrograde tracer and fluorescence-activated cell sorting we isolated a defined population of airway-innervating JNC neurons and determined their differential transcriptional map after pulmonary exposure to lipopolysaccharide (LPS), a major mediator of acute lung injury (ALI) and acute respiratory distress syndrome (ARDS) after infection with Gram-negative bacteria or inhalation of organic dust. JNC neurons activated an injury response program leading to increased expression of gene products such as the G-protein coupled receptors, Cckbr, inducing functional changes in neuronal sensitivity to peptides, and Gpr151, also rapidly induced upon neuropathic nerve injury in pain models. Unique JNC-specific transcripts, present at only minimal levels in TG, DRG and other organs, were identified. These included TMC3, encoding for a putative mechanosensor, and Urotensin 2B, a hypertensive peptide. These findings highlight the unique properties of the JNC and reveal that ALI/ARDS rapidly induce a nerve-injury related state changing vagal excitability.SIGNIFICANCE STATEMENT The lungs are innervated by sensory neurons of the jugular-nodose ganglia complex (JNC) that detect toxic exposures and interact with lung-resident cells and the immune system to respond to pathogens and inflammation. Here we report the expression of specific genes that differentiate these neurons from neurons in the other sensory ganglia, the trigeminal (TG) and dorsal root ganglia (DRG). Through nerve tracing we identified and isolated airway innervating JNC neurons and determined their differential transcriptional map after lung inflammation induced by a bacterial product, lipopolysaccharide (LPS). We observed the rapid activation of a nerve injury transcriptional program that increased nerve sensitivity to inflammation. This mechanism may result in more permanent nerve injury associated with chronic cough and other respiratory complications.

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.