The dorsal raphe nucleus (DRN) in the midbrain is a key center for serotonin (5-hydroxytryptamine; 5-HT)-expressing neurons. Serotonergic neurons in the DRN have been theorized to encode punishment by opposing the reward signaling of dopamine neurons. Here, we show that DRN neurons encode reward, but not punishment, through 5-HT and glutamate. Optogenetic stimulation of DRN Pet-1 neurons reinforces mice to explore the stimulation-coupled spatial region, shifts sucrose preference, drives optical self-stimulation, and directs sensory discrimination learning. DRN Pet-1 neurons increase their firing activity during reward tasks, and this activation can be used to rapidly change neuronal activity patterns in the cortex. Although DRN Pet-1 neurons are often associated with 5-HT, they also release glutamate, and both neurotransmitters contribute to reward signaling. These experiments demonstrate the ability of DRN neurons to organize reward behaviors and might provide insights into the underlying mechanisms of learning facilitation and anhedonia treatment.

POMC-derived melanocortins inhibit food intake. In the adult rodent brain, POMC-expressing neurons are located in the arcuate nucleus (ARC) and the nucleus tractus solitarius (NTS), but it remains unclear how POMC neurons in these two brain nuclei regulate feeding behavior and metabolism differentially. Using pharmacogenetic methods to activate or deplete neuron groups in separate brain areas, in the present study, we show that POMC neurons in the ARC and NTS suppress feeding behavior at different time scales. Neurons were activated using the DREADD (designer receptors exclusively activated by designer drugs) method. The evolved human M3-muscarinic receptor was expressed in a selective population of POMC neurons by stereotaxic infusion of Cre-recombinase–dependent, adeno-associated virus vectors into the ARC or NTS of POMC-Cre mice. After injection of the human M3-muscarinic receptor ligand clozapine -N -oxide (1 mg/kg, i.p.), acute activation of NTS POMC neurons produced an immediate inhibition of feeding behavior. In contrast, chronic stimulation was required for ARC POMC neurons to suppress food intake. Using adeno-associated virus delivery of the diphtheria toxin receptor gene, we found that diphtheria toxin–induced ablation of POMC neurons in the ARC but not the NTS, increased food intake, reduced energy expenditure, and ultimately resulted in obesity and metabolic and endocrine disorders. Our results reveal different behavioral functions of POMC neurons in the ARC and NTS, suggesting that POMC neurons regulate feeding and energy homeostasis by integrating long-term adiposity signals from the hypothalamus and short-term satiety signals from the brainstem.

The dorsal raphe nucleus (DRN) is involved in organizing reward-related behaviours; however, it remains unclear how genetically defined neurons in the DRN of a freely behaving animal respond to various natural rewards. Here we addressed this question using fibre photometry and single-unit recording from serotonin (5-HT) neurons and GABA neurons in the DRN of behaving mice. Rewards including sucrose, food, sex and social interaction rapidly activate 5-HT neurons, but aversive stimuli including quinine and footshock do not. Both expected and unexpected rewards activate 5-HT neurons. After mice learn to wait for sucrose delivery, most 5-HT neurons fire tonically during waiting and then phasically on reward acquisition. Finally, GABA neurons are activated by aversive stimuli but inhibited when mice seek rewards. Thus, DRN 5-HT neurons positively encode a wide range of reward signals during anticipatory and consummatory phases of reward responses. Moreover, GABA neurons play a complementary role in reward processing.

Pro-opiomelanocortin (POMC) neurons in the arcuate nucleus (ARC) of the hypothalamus and nucleus tractus solitarius (NTS) of the brainstem play important roles in suppressing food intake and maintaining energy homeostasis. Previous tract-tracing studies have revealed the axonal connection patterns of these two brain areas, but the intermingling of POMC neurons with other neuron types has made it challenging to precisely identify the inputs and outputs of POMC neurons. In this study, we used the modified rabies virus to map the brain areas that provide direct inputs to the POMC neurons in the ARC and NTS as well as the inputs to the ARC AgRP neurons for comparison. ARC POMC neurons receive inputs from dozens of discrete structures throughout the forebrain and brainstem. The brain areas containing the presynaptic partners of ARC POMC neurons largely overlap with those of ARC AgRP neurons, although POMC neurons receive relatively broader, denser inputs. Furthermore, POMC neurons in the NTS receive direct inputs predominantly from the brainstem and show very different innervation patterns for POMC neurons in the ARC. By selectively expressing fluorescent markers in the ARC and NTS POMC neurons, we found that almost all of their major presynaptic partners are innervated by POMC neurons in the two areas, suggesting that there are strong reciprocal projections among the major POMC neural pathways. By comprehensively chartering the whole-brain connections of the central melanocortin system in a cell-type-specific manner, this study lays the foundation for dissecting the roles and underlying circuit mechanisms of specific neural pathways in regulating energy homeostasis.

Dynamic gain control of aversive signals enables adaptive behavioral responses. Although the role of amygdalar circuits in aversive processing is well established, the neural pathway for amplifying aversion remains elusive. Here, we show that the brainstem circuit linking the interpeduncular nucleus (IPN) with the nucleus incertus (NI) amplifies aversion and promotes avoidant behaviors. IPN GABA neurons are activated by aversive stimuli and their predicting cues, with their response intensity closely tracking aversive values. Activating these neurons does not trigger aversive behavior on its own but rather amplifies responses to aversive stimuli, whereas their ablation or inhibition suppresses such responses. Detailed circuit dissection revealed anatomically distinct subgroups within the IPN GABA neuron population, highlighting the NI-projecting subgroup as the modulator of aversiveness related to fear and opioid withdrawal. These findings unveil the IPN-NI circuit as an aversion amplifier and suggest potential targets for interventions against affective disorders and opioid relapse.