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

Behavioral sensitization of the gill-withdrawal reflex of Aplysia is caused by presynaptic facilitation at the synapses of the mechanoreceptor sensory neurons of the reflex onto the motor neurons and interneurons. The presynaptic facilitation has been shown to be simulated by serotonin (the putative presynaptic facilitatory transmitter) and by cyclic AMP and to be accompanied by an increase in the Ca2+ current of sensory neuron cell bodies exposed to tetraethylammonium. This increase in the Ca2+ current could result from either a direct action on the Ca2+ channel or an action on an opposing K+ current. Here we report voltage clamp experiments which indicate that the increase in Ca2+ current associated with presynaptic facilitation results from a decrease in a K+ current. Stimulation of the connective (the pathway that mediates sensitization) or application of serotonin causes a decrease in a voltage-sensitive, steady-state outward current measured under voltage clamp as well as an increase in the transient net inward and a decrease in the transient outward currents elicited by brief depolarizing command steps. The reversal potential of the steady-state synaptic current is sensitive to extracellular K+ concentration, and both the steady-state synaptic current and the changes in the transient currents are blocked by K+ current blocking agents and by washout of K+. These results suggest that serotonin and the natural transmitter released by connective stimulation act to decrease a voltage-sensitive K+ current. The decrease in K+ current prolongs the action potential, and this in turn increases the duration of the inward Ca2+ current and thereby enhances transmitter release.

Serotonin exerts a long-lasting excitatory action on sensory neurons of Aplysia californica by decreasing outward K+ current. The depression of outward current delays repolarization of the action potential and extends the duration of Ca2+ influx into the presynaptic terminals, thereby contributing to the facilitation of transmitter release that underlies behavioral sensitization. We have extended the analysis of serotonin's action and find that it acts on a specific serotonin-sensitive K+ current (S current), which is different from the early K+ current (IA), the delayed K+ current (IK), the Ca2+-dependent K+ current (IC), and the muscarine-sensitive M current. The serotonin-sensitive current in these cells persists when IA and IK are reduced by conditioning depolarization or channel-blocking agents. The S current is not activated by intracellular injection of Ca2+, nor is it affected by substitution of Ba2+ for Ca2+, a treatment that reduces IC. Moreover, intracellular injection of cyclic AMP exerts an effect indistinguishable from that of serotonin. This observation and the insensitivity of the current to Ba2+ distinguishes the S current from M current. S current is activated at the resting potential and does not inactivate with steady-state depolarization. It is active sufficiently early during an action potential to contribute to the repolarization of the action potential and therefore accounts for the physiological effects of serotonin.

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.

Abstract Chronic primary pain conditions (CPPCs) affect over 100 million people, predominantly women. Yet, they remain ineffectively treated due, in large part, to lack of valid animal models with translational relevance. Here, we characterized a novel mouse model of CPPCs that integrated clinically-relevant genetic (catechol-o-methyltransferase; COMT knockdown) and environmental (stress and minor injury) factors. Compared to wildtype mice, COMT+/- mice undergoing the repeated swim stress and molar extraction surgery intervention exhibited pronounced multi-site body pain and depressive-like behavior lasting more than 3 months. The COMT+/- mice undergoing the intervention also exhibited enhanced activity of primary afferent DRG nociceptors innervating hindpaw and back sites and increased plasma levels of norepinephrine and the pro-inflammatory cytokines IL-6 and IL-17A. Notably, the pain and depressive-like behavior was of greater magnitude and longer duration (lasting at least 12 months) in females compared to males. Further, increases in anxiety-like behavior and IL-6 levels were female-specific. Intervention-induced body pain and nociception in COMT+/- mice was blocked by a beta-3 adrenergic antagonist, demonstrating predictive validity. Finally, the effect of COMT genotype x stress interactions on pain and IL-6 and IL-17A levels was observed in our clinical CPPC case-control cohort, demonstrating construct validity. Thus, our novel mouse model reliably recapitulates clinically- and biologically-relevant features of CPPCs and can be further implemented to test underlying mechanisms and discover new therapeutics. One Sentence Summary We developed a novel mouse model of chronic primary pain conditions that shares similar genetic, biologic, and clinical features of patients.

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.