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.

Satiety and other core physiological functions are modulated by sensory signals arising from the surface of the gut. Luminal nutrients and bacteria stimulate epithelial biosensors called enteroendocrine cells. Despite being electrically excitable, enteroendocrine cells are generally thought to communicate indirectly with nerves through hormone secretion and not through direct cell-nerve contact. However, we recently uncovered in intestinal enteroendocrine cells a cytoplasmic process that we named neuropod. Here, we determined that neuropods provide a direct connection between enteroendocrine cells and neurons innervating the small intestine and colon. Using cell-specific transgenic mice to study neural circuits, we found that enteroendocrine cells have the necessary elements for neurotransmission, including expression of genes that encode pre-, post-, and transsynaptic proteins. This neuroepithelial circuit was reconstituted in vitro by coculturing single enteroendocrine cells with sensory neurons. We used a monosynaptic rabies virus to define the circuit’s functional connectivity in vivo and determined that delivery of this neurotropic virus into the colon lumen resulted in the infection of mucosal nerves through enteroendocrine cells. This neuroepithelial circuit can serve as both a sensory conduit for food and gut microbes to interact with the nervous system and a portal for viruses to enter the enteric and central nervous systems.

The enteroendocrine cell is the cornerstone of gastrointestinal chemosensation. In the intestine and colon, this cell is stimulated by nutrients, tastants that elicit the perception of flavor, and bacterial by-products; and in response, the cell secretes hormones like cholecystokinin and peptide YY – both potent regulators of appetite. The development of transgenic mice with enteroendocrine cells expressing green fluorescent protein has allowed for the elucidation of the apical nutrient sensing mechanisms of the cell. However, the basal secretory aspects of the enteroendocrine cell remain largely unexplored, particularly because a complete account of the enteroendocrine cell ultrastructure does not exist. Today, the fine ultrastructure of a specific cell can be revealed in the third dimension thanks to the invention of serial block face scanning electron microscopy (SBEM). Here, we bridged confocal microscopy with SBEM to identify the enteroendocrine cell of the mouse and study its ultrastructure in the third dimension. The results demonstrated that 73.5% of the peptide-secreting vesicles in the enteroendocrine cell are contained within an axon-like basal process. We called this process a neuropod. This neuropod contains neurofilaments, which are typical structural proteins of axons. Surprisingly, the SBEM data also demonstrated that the enteroendocrine cell neuropod is escorted by enteric glia – the cells that nurture enteric neurons. We extended these structural findings into an in vitro intestinal organoid system, in which the addition of glial derived neurotrophic factors enhanced the development of neuropods in enteroendocrine cells. These findings open a new avenue of exploration in gastrointestinal chemosensation by unveiling an unforeseen physical relationship between enteric glia and enteroendocrine cells.

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.