Smell, or olfaction, is a crucial element in the flavor perception of food. One often experiences altered flavor perception and appetite when our olfactory system is not fully functional (e.g. having a stuffy nose or loss of smell due to COVID-19 infection). However, little is known about how food odor is represented in the olfactory system during food intake. Additionally, increased eating speed, also known as binge eating, commonly leads to overeating, despite the exact underlying mechanism also being unclear. In this thesis, I studied how food flavor is represented in the mouse anterior olfactory (piriform) cortex (aPC) using a miniaturized microscope (miniscope) to perform in vivo Ca2+ imaging in freely moving mice during food intake. With collaborative efforts, we established a liquid food delivery system to deliver food to mice with different feeding rates. During slow feeding, a clear food-activated neuronal ensemble is observed. Surprisingly, once the mice switched from slow feeding to binge feeding, the aPC neurons were globally suppressed, even for the food-activated aPC neurons during slow feeding. This binge feeding-induced suppression is not observed in the gustatory cor-tex (GC) and the olfactory bulb (OB), suggesting the binge feeding-induced suppression is mostly limited to the aPC and is not inherited from the input or modulated by the gustatory system. I further verified that the binge-induced suppression is not mediated by the local GABAergic aPC neurons or by long-range serotonergic or dopaminergic modulation. Food consumption can be predicted by the magnitude of aPC suppression during binge feeding but not for slow feeding. Such appetite-correlated neuronal modulation is not preserved under anosmia or fasting, suggesting that it is perceptual- and metabolic-state-dependent. I further confirmed that binge feeding-induced aPC suppression is functional- suppressing aPC with closed-loop optogenetics experiments increases appetite. In summary, the aPC representation of food constitutes a negative feedback control to orexigenic circuits and is blunted by binge feeding to re-duce satiation, which promotes overeating. My results demonstrate a novel cortical mechanism of appetite control in a rapid time scale, adding new insights into the understanding of the feeding and satiety circuits.
Der Geruchssinn ist ein entscheidend für die Geschmackswahrnehmung von Lebensmitteln. Wenn unser Geruchssystem nicht voll funktionsfähig ist (z. B. bei verstopfter Nase oder Geruchsverlust aufgrund einer COVID-19-Infektion), sind Geschmackswahrnehmung und Appetit oft beeinträchtigt. Es ist jedoch unklar, wie der Geruch von Lebensmitteln während der Nahrungsaufnahme im Geruchssystem repräsentiert wird. Außerdem führt eine erhöhte Essgeschwindigkeit, auch bekannt als Binge Eating, häufig zu übermäßigem Essen, obwohl der zugrunde liegende Mechanismusunklar ist. In dieser Arbeit untersuchte ich, wie der Geschmack von Nahrungsmitteln im anterioren olfaktorischen (piriformen) Kortex (aPC) der Maus repräsentiert wird, indem ich ein miniaturisiertes Mikroskop (Miniskop) benutzte, um in vivo Ca2+-Bildgebung bei frei beweglichen Mäusen während der Nahrungsaufnahme durchzuführen. Wir haben ein System zur Verabreichung von Flüssignahrung entwickelt, um die Fressgeschwindigkeit der Mäuse steuern zu können. Während der langsamen Fressgeschwindigkeit beobachten wir ein spezifisches nahrungsaktiviertes neuronales Ensemble. obald die Mäuse jedoch von der langsamen zur schnellen Fressgeschwindigkeit übergehen, beobachten wir eine globale Hemmung der Neurone im aPC. Diese Hemmung schließt auch die Neurone mit ein, die vorher bei langsamer Fressgeschwindigkeit aktiviert wurden. Diese globale neuronale Hemmung durch die hohe Fressgeschwindigkeit wird im gustatorischen Kortex (GC) und im Riechkolben (OB) nicht beobachtet. Somit wird die durch hohe Fressgeschwindigkeit hervorgerufene globale Hemmung der neuronalen Aktivität im aPC weder von vorgelagerten sensorischen Eingängen aus dem olfakto Darüber hinaus konnte ich nachweisen, dass die durch hohe Fressgeschwindigkeit hervorgerufene globale Hemmung der neuronalen Aktivität weder durch lokale inhibitorische GABAerge Schaltkreise noch durch serotonerge oder dopaminerge Modulation vermittelt wird. Die Menge der Nahrungsaufnahme korreliert mit der durch hohe Fressgeschwindigkeit hervorgerufenen globalen Hemmung der neuronalen Aktivität im aPC. Eine solche appetitkorrelierte neuronale Modulation bleibt bei Anosmie oder Fasten nicht erhalten, was darauf hindeutet, dass sie wahrnehmungs- und stoffwechselabhängig ist. Darüber hinaus konnte ich bestätigen, dass die durch hohe Fressgeschwindigkeit ausgelöste Hemmung des aPC funktionell relevant ist; optogenetische Hemmung des aPC während der Nahrungsaufnahme führt zu erhöhter Einfuhr. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die aPC-Repräsentation von Nahrung eine negative Rückkopplung auf orexigene Schaltkreise vermittelt, die durch schnelle Nahrungsaufnahme unterdrückt wird. Der so durch sensorische Hemmung unterdrückte Sättigungsprozess induziert übermäßiges Essen. Meine Ergebnisse zeigen einen neuartigen kortikalen Mechanismus der Appetitkontrolle auf einer schnellen Zeitskala, der neue Einblicke in die Nahrungsaufnahme- und Sättigungsschaltkreise ermöglicht.
