Abstract

 The gastrointestinal peptide hormone ghrelin stimulates appetite in rodents and humans via hypothalamic actions. We discovered expression of ghrelin in a previously uncharacterized group of neurons adjacent to the third ventricle between the dorsal, ventral, paraventricular, and arcuate hypothalamic nuclei. These neurons send efferents onto key hypothalamic circuits, including those producing neuropeptide Y (NPY), Agouti-related protein (AGRP), proopiomelanocortin (POMC) products, and corticotropin-releasing hormone (CRH). Within the hypothalamus, ghrelin bound mostly on presynaptic terminals of NPY neurons. Using electrophysiological recordings, we found that ghrelin stimulated the activity of arcuate NPY neurons and mimicked the effect of NPY in the paraventricular nucleus of the hypothalamus (PVH). We propose that at these sites, release of ghrelin may stimulate the release of orexigenic peptides and neurotransmitters, thus representing a novel regulatory circuit controlling energy homeostasis.

The fat-derived hormone leptin regulates energy balance in part by modulating the activity of neuropeptide Y and proopiomelanocortin neurons in the hypothalamic arcuate nucleus. To study the intrinsic activity of these neurons and their responses to leptin, we generated mice that express distinct green fluorescent proteins in these two neuronal types. Leptin-deficient ( ob/ob ) mice differed from wild-type mice in the numbers of excitatory and inhibitory synapses and postsynaptic currents onto neuropeptide Y and proopiomelanocortin neurons. When leptin was delivered systemically to ob/ob mice, the synaptic density rapidly normalized, an effect detectable within 6 hours, several hours before leptin's effect on food intake. These data suggest that leptin-mediated plasticity in the ob/ob hypothalamus may underlie some of the hormone's behavioral effects.

The gut-derived hormone ghrelin exerts its effect on the brain by regulating neuronal activity. Ghrelin-induced feeding behaviour is controlled by arcuate nucleus neurons that co-express neuropeptide Y and agouti-related protein (NPY/AgRP neurons). However, the intracellular mechanisms triggered by ghrelin to alter NPY/AgRP neuronal activity are poorly understood. Here we show that ghrelin initiates robust changes in hypothalamic mitochondrial respiration in mice that are dependent on uncoupling protein 2 (UCP2). Activation of this mitochondrial mechanism is critical for ghrelin-induced mitochondrial proliferation and electric activation of NPY/AgRP neurons, for ghrelin-triggered synaptic plasticity of pro-opiomelanocortin-expressing neurons, and for ghrelin-induced food intake. The UCP2-dependent action of ghrelin on NPY/AgRP neurons is driven by a hypothalamic fatty acid oxidation pathway involving AMPK, CPT1 and free radicals that are scavenged by UCP2. These results reveal a signalling modality connecting mitochondria-mediated effects of G-protein-coupled receptors on neuronal function and associated behaviour. The gut-derived hormone ghrelin stimulates food intake by regulating the neuropeptide Y/agouti-related protein (NPY/AgRP) neurons in the hypothalamic arcuate nucleus. How it does that was unclear, but studies in mice now show the ghrelin-induced increase in appetite is driven by burning fat in hypothalamic mitochondria, which produces free radicals that are scavenged by the mitochondrial protein UCP2 (uncoupling protein 2). This raises the possibility that free radicals are involved in regulating appetite control, and that interventions that interfere with free radicals may have an effect on eating and satiety. Ghrelin stimulates food uptake by bringing about changes in mitochondrial respiration and proliferation, which are essential for activation of NPY/AgRP neurons. The effects of ghrelin are dependent on the presence of UCP2.

Journal of Comparative NeurologyVolume 415, Issue 2 p. 145-159 Rapid Publication Hypocretin (orexin) activation and synaptic innervation of the locus coeruleus noradrenergic system Tamas L. Horvath, Corresponding Author Tamas L. Horvath tamas.horvath@yale.edu Department of Obstetrics and Gynecology, Yale University School of Medicine, New Haven, Connecticut 06520Department of Obstetrics and Gynecology, Yale Medical School, 333 Cedar St. FMB 339, New Haven CT 06520.Search for more papers by this authorChristelle Peyron, Christelle Peyron Department of Biological Sciences, Stanford University, Stanford, California 94305Search for more papers by this authorSabrina Diano, Sabrina Diano Department of Obstetrics and Gynecology, Yale University School of Medicine, New Haven, Connecticut 06520Search for more papers by this authorAlexander Ivanov, Alexander Ivanov Department of Psychiatry, University of Pennsylvania School of Medicine, Philadelphia, Pennsylvania 19104Search for more papers by this authorGary Aston-Jones, Gary Aston-Jones Department of Psychiatry, University of Pennsylvania School of Medicine, Philadelphia, Pennsylvania 19104Search for more papers by this authorThomas S. Kilduff, Thomas S. Kilduff Department of Biological Sciences, Stanford University, Stanford, California 94305Search for more papers by this authorAnthony N. van den Pol, Anthony N. van den Pol Department of Biological Sciences, Stanford University, Stanford, California 94305 Department of Neurosurgery, Yale University School of Medicine, New Haven, Connecticut 06520Search for more papers by this author Tamas L. Horvath, Corresponding Author Tamas L. Horvath tamas.horvath@yale.edu Department of Obstetrics and Gynecology, Yale University School of Medicine, New Haven, Connecticut 06520Department of Obstetrics and Gynecology, Yale Medical School, 333 Cedar St. FMB 339, New Haven CT 06520.Search for more papers by this authorChristelle Peyron, Christelle Peyron Department of Biological Sciences, Stanford University, Stanford, California 94305Search for more papers by this authorSabrina Diano, Sabrina Diano Department of Obstetrics and Gynecology, Yale University School of Medicine, New Haven, Connecticut 06520Search for more papers by this authorAlexander Ivanov, Alexander Ivanov Department of Psychiatry, University of Pennsylvania School of Medicine, Philadelphia, Pennsylvania 19104Search for more papers by this authorGary Aston-Jones, Gary Aston-Jones Department of Psychiatry, University of Pennsylvania School of Medicine, Philadelphia, Pennsylvania 19104Search for more papers by this authorThomas S. Kilduff, Thomas S. Kilduff Department of Biological Sciences, Stanford University, Stanford, California 94305Search for more papers by this authorAnthony N. van den Pol, Anthony N. van den Pol Department of Biological Sciences, Stanford University, Stanford, California 94305 Department of Neurosurgery, Yale University School of Medicine, New Haven, Connecticut 06520Search for more papers by this author First published: 01 November 1999 https://doi.org/10.1002/(SICI)1096-9861(19991213)415:2<145::AID-CNE1>3.0.CO;2-2Citations: 385AboutPDF ToolsRequest permissionExport citationAdd to favoritesTrack citation ShareShare Give accessShare full text accessShare full-text accessPlease review our Terms and Conditions of Use and check box below to share full-text version of article.I have read and accept the Wiley Online Library Terms and Conditions of UseShareable LinkUse the link below to share a full-text version of this article with your friends and colleagues. Learn more.Copy URL Share a linkShare onFacebookTwitterLinked InRedditWechat Abstract Hypocretin has been identified as a regulator of metabolic and endocrine systems. Several brain regions involved in the central regulation of autonomic and endocrine processes or attention are targets of extensive hypocretin projections. The most dense arborization of hypocretin axons in the brainstem was detected in the locus coeruleus (LC). Multiple labeling immunocytochemistry revealed a massive synaptic innervation of catecholaminergic LC cells by hypocretin axon terminals in rats and monkeys. In both species, all tyrosine hydroxylase-immunopositive cells in the LC examined by electron microscopy were found to receive asymmetrical (excitatory) synaptic contacts from multiple axons containing hypocretin. In parallel electrophysiological studies with slices of rat brain, all LC cells showed excitatory responses to the hypocretin-2 peptide. Hypocretin-2 uniformly increased the frequency of action potentials in these cells, even in the presence of tetrodotoxin, indicating that receptors responding to hypocretin were expressed in LC neurons. Two mechanisms for the increased firing rate appeared to be a reduction in the slow component of the afterhyperpolarization (AHP) and a modest depolarization. Catecholamine systems in other parts of the brain, including those found in the medulla, zona incerta, substantia nigra or olfactory bulb, received significantly less hypocretin input. Comparative analysis of lateral hypothalamic input to the LC revealed that hypocretin-containing axon terminals were substantially more abundant than those containing melanin-concentrating hormone. The present results provide evidence for direct action of hypothalamic hypocretin cells on the LC noradrenergic system in rats and monkeys. Our observations suggest a signaling pathway via which signals acting on the lateral hypothalamus may influence the activity of the LC and thereby a variety of CNSfunctions related to noradrenergic innervation, including vigilance, attention, learning, and memory. Thus, the hypocretin innervation of the LC may serve to focus cognitive processes to compliment hypocretin-mediated activation of autonomic centers already described. J. Comp. Neurol. 415:145–159, 1999. © 1999 Wiley-Liss, Inc. Citing Literature Volume415, Issue213 December 1999Pages 145-159 RelatedInformation

We showed previously in neocortical explants, derived from developing wild-type and estrogen receptor (ER)-α gene-disrupted (ERKO) mice, that both 17α- and 17β-estradiol elicit the rapid and sustained phosphorylation and activation of the mitogen-activated protein kinase (MAPK) isoforms, the extracellular signal-regulated kinases ERK1 and ERK2. We proposed that the ER mediating activation of the MAPK cascade, a signaling pathway important for cell division, neuronal differentiation, and neuronal survival in the developing brain, is neither ER-α nor ER-β but a novel, plasma membrane-associated, putative ER with unique properties. The data presented here provide further evidence that points strongly to the existence of a high-affinity, saturable, ³H-estradiol binding site (K_d, ∼1.6 nm) in the plasma membrane. Unlike neocortical ER-α, which is intranuclear and developmentally regulated, and neocortical ER-β, which is intranuclear and expressed throughout life, this functional, plasma membrane-associated ER, which we have designated "ER-X," is enriched in caveolar-like microdomains (CLMs) of postnatal, but not adult, wild-type and ERKO neocortical and uterine plasma membranes. We show further that ER-X is functionally distinct from ER-α and ER-β, and that, like ER-α, it is re-expressed in the adult brain, after ischemic stroke injury. We also confirmed in a cell-free system that ER-α is an inhibitory regulator of ERK activation, as we showed previously in neocortical cultures. Association with CLM complexes positions ER-X uniquely to interact rapidly with kinases of the MAPK cascade and other signaling pathways, providing a novel mechanism for mediation of the influences of estrogen on neuronal differentiation, survival, and plasticity.

Hypocretin (orexin) has recently been shown to increase feeding when injected into the brain. Using both rat and primate brains, we tested the hypothesis that a mechanism of hypocretin action might be related to synaptic regulation of the neuropeptide Y (NPY) system. Hypocretin-immunoreactive terminals originating from the lateral hypothalamus make direct synaptic contact with neurons of the arcuate nucleus that not only express NPY but also contain leptin receptors. In addition, hypocretin-containing neurons also express leptin receptor immunoreactivity. This suggests a potential mechanism of action for hypocretin in the central regulation of metabolic and endocrine processes. The excitatory actions of hypocretin could increase NPY release, resulting in enhanced feeding behavior and altered endocrine regulation, whereas leptin, released from adipose tissue as an indicator of fat stores, would have the opposite effect on the same neurons, leading to a decrease in NPY and NPY-mediated hypothalamic functions. On the other hand, the innervation of hypocretin cells by NPY boutons raises the possibility that NPY may exert an effect on hypothalamic functions, at least in part, via mediation or feedback action on these lateral hypothalamic cells. Our data indicate that a direct interaction between leptin, hypocretin, and NPY exists in the hypothalamus that may contribute to the central regulation of metabolic and endocrine processes in both rodents and primates.

The hypothalamic neuropeptides hypocretins (orexins) play a crucial role in the stability of arousal and alertness. We tested whether the hypocretinergic system is a critical component of the stress response activated by the corticotropin-releasing factor (CRF). Our results show that CRF-immunoreactive terminals make direct contact with hypocretin-expressing neurons in the lateral hypothalamus and that numerous hypocretinergic neurons express the CRF-R1/2 receptors. We also demonstrate that application of CRF to hypothalamic slices containing identified hypocretin neurons depolarizes membrane potential and increases firing rate in a subpopulation of hypocretinergic cells. CRF-induced depolarization was tetrodotoxin insensitive and was blocked by the peptidergic CRF-R1 antagonist astressin. Moreover, activation of hypocretinergic neurons in response to acute stress was severely impaired in CRF-R1 knock-out mice. Together, our data provide evidence of a direct neuroanatomical and physiological input from CRF peptidergic system onto hypocretin neurons. We propose that, after stressor stimuli, CRF stimulates the release of hypocretins and that this circuit contributes to activation and maintenance of arousal associated with the stress response.

Nicotine decreases weight gain by targeting a brain pathway involved in the regulation of energy balance and food intake.

The neuronal circuits involved in the regulation of feeding behavior and energy expenditure are soft-wired, reflecting the relative activity of the postsynaptic neuronal system, including the anorexigenic proopiomelanocortin (POMC)-expressing cells of the arcuate nucleus. We analyzed the synaptic input organization of the melanocortin system in lean rats that were vulnerable (DIO) or resistant (DR) to diet-induced obesity. We found a distinct difference in the quantitative and qualitative synaptology of POMC cells between DIO and DR animals, with a significantly greater number of inhibitory inputs in the POMC neurons in DIO rats compared with DR rats. When exposed to a high-fat diet (HFD), the POMC cells of DIO animals lost synapses, whereas those of DR rats recruited connections. In both DIO rats and mice, the HFD-triggered loss of synapses on POMC neurons was associated with increased glial ensheathment of the POMC perikarya. The altered synaptic organization of HFD-fed animals promoted increased POMC tone and a decrease in the stimulatory connections onto the neighboring neuropeptide Y (NPY) cells. Exposure to HFD was associated with reactive gliosis, and this affected the structure of the blood-brain barrier such that the POMC and NPY cell bodies and dendrites became less accessible to blood vessels. Taken together, these data suggest that consumption of an HFD has a major impact on the cytoarchitecture of the arcuate nucleus in vulnerable subjects, with changes that might be irreversible due to reactive gliosis.