Specific manipulation of midbrain dopamine neurons in freely moving rodents shows that their inhibition or excitation immediately modulates depression-like phenotypes that are induced by chronic mild stress, and that their activation alters the neural encoding of depression-related behaviours in the nucleus accumbens. Dopaminergic neurons in the ventral tegmental area (VTA) are involved in reward processing but also in mediating stress responses. Two papers from Ming-Hu Han and Karl Deisseroth's laboratories demonstrate the effects of specifically manipulating these neurons on stress-evoked behaviours. Han and colleagues probe the functional effects of different patterns of activity during social defeat, an acutely stressful experience. Manipulation of phasic, but not tonic, activity of certain populations of VTA neurons renders previously resilient mice susceptible to stress. Deisseroth and colleagues examine the effects of manipulating VTA neuron activity on behavioural effects and circuit alterations caused by exposure to long-term, chronic stress. These studies emphasize the behavioural importance of circuit-specific firing patterns and provide insights into developing novel therapeutics for the treatment of depression. Major depression is characterized by diverse debilitating symptoms that include hopelessness and anhedonia1. Dopamine neurons involved in reward and motivation2,3,4,5,6,7,8,9 are among many neural populations that have been hypothesized to be relevant10, and certain antidepressant treatments, including medications and brain stimulation therapies, can influence the complex dopamine system. Until now it has not been possible to test this hypothesis directly, even in animal models, as existing therapeutic interventions are unable to specifically target dopamine neurons. Here we investigated directly the causal contributions of defined dopamine neurons to multidimensional depression-like phenotypes induced by chronic mild stress, by integrating behavioural, pharmacological, optogenetic and electrophysiological methods in freely moving rodents. We found that bidirectional control (inhibition or excitation) of specified midbrain dopamine neurons immediately and bidirectionally modulates (induces or relieves) multiple independent depression symptoms caused by chronic stress. By probing the circuit implementation of these effects, we observed that optogenetic recruitment of these dopamine neurons potently alters the neural encoding of depression-related behaviours in the downstream nucleus accumbens of freely moving rodents, suggesting that processes affecting depression symptoms may involve alterations in the neural encoding of action in limbic circuitry.

Unexpected rewards activate midbrain dopamine neurons, and this response is proposed to support learning by signaling discrepancies between actual and expected outcomes. Here the authors use optogenetic stimulation to demonstrate a causal role for temporally precise dopamine neuron signaling in cue-reward learning. Situations in which rewards are unexpectedly obtained or withheld represent opportunities for new learning. Often, this learning includes identifying cues that predict reward availability. Unexpected rewards strongly activate midbrain dopamine neurons. This phasic signal is proposed to support learning about antecedent cues by signaling discrepancies between actual and expected outcomes, termed a reward prediction error. However, it is unknown whether dopamine neuron prediction error signaling and cue-reward learning are causally linked. To test this hypothesis, we manipulated dopamine neuron activity in rats in two behavioral procedures, associative blocking and extinction, that illustrate the essential function of prediction errors in learning. We observed that optogenetic activation of dopamine neurons concurrent with reward delivery, mimicking a prediction error, was sufficient to cause long-lasting increases in cue-elicited reward-seeking behavior. Our findings establish a causal role for temporally precise dopamine neuron signaling in cue-reward learning, bridging a critical gap between experimental evidence and influential theoretical frameworks.

Currently there is no general approach for achieving specific optogenetic control of genetically defined cell types in rats, which provide a powerful experimental system for numerous established neurophysiological and behavioral paradigms. To overcome this challenge we have generated genetically restricted recombinase-driver rat lines suitable for driving gene expression in specific cell types, expressing Cre recombinase under the control of large genomic regulatory regions (200-300 kb). Multiple tyrosine hydroxylase (Th)::Cre and choline acetyltransferase (Chat)::Cre lines were produced that exhibited specific opsin expression in targeted cell types. We additionally developed methods for utilizing optogenetic tools in freely moving rats and leveraged these technologies to clarify the causal relationship between dopamine (DA) neuron firing and positive reinforcement, observing that optical stimulation of DA neurons in the ventral tegmental area (VTA) of Th::Cre rats is sufficient to support vigorous intracranial self-stimulation (ICSS). These studies complement existing targeting approaches by extending the generalizability of optogenetics to traditionally non-genetically-tractable but vital animal models.

Few But Powerful Drug activation of the different types of acetylcholine receptors in cholinergic neurons often generates opposing or conflicting effects. Using optogenetic techniques in transgenic mice, Witten et al. (p. 1677 ) investigated the function of a rather enigmatic subpopulation of cholinergic neurons, the giant interneurons of the nucleus accumbens. Their excitation paradoxically reduced neighboring medium spiny neuron firing, while their inhibition increased medium spiny neuron firing. Furthermore, the giant interneurons were directly activated by cocaine, and silencing their drug-induced activity during cocaine exposure in freely behaving animals disrupted cocaine reward.

There is increased appreciation that dopamine neurons in the midbrain respond not only to reward1 and reward-predicting cues1,2, but also to other variables such as the distance to reward3, movements4–9 and behavioural choices10,11. An important question is how the responses to these diverse variables are organized across the population of dopamine neurons. Whether individual dopamine neurons multiplex several variables, or whether there are subsets of neurons that are specialized in encoding specific behavioural variables remains unclear. This fundamental question has been difficult to resolve because recordings from large populations of individual dopamine neurons have not been performed in a behavioural task with sufficient complexity to examine these diverse variables simultaneously. Here, to address this gap, we used two-photon calcium imaging through an implanted lens to record the activity of more than 300 dopamine neurons from the ventral tegmental area of the mouse midbrain during a complex decision-making task. As mice navigated in a virtual-reality environment, dopamine neurons encoded an array of sensory, motor and cognitive variables. These responses were functionally clustered, such that subpopulations of neurons transmitted information about a subset of behavioural variables, in addition to encoding reward. These functional clusters were spatially organized, with neighbouring neurons more likely to be part of the same cluster. Together with the topography between dopamine neurons and their projections, this specialization and anatomical organization may aid downstream circuits in correctly interpreting the wide range of signals transmitted by dopamine neurons. Two-photon calcium imaging of a large population of dopamine neurons in the ventral tegmental area of mice performing a virtual-reality navigation task reveals the organization principles of the dopamine system.

The authors describe the design of an optetrode, a device that allows for colocalized multi-tetrode electrophysiological recording and optical stimulation in freely moving mice. Recent advances in optogenetics have improved the precision with which defined circuit elements can be controlled optically in freely moving mammals; in particular, recombinase-dependent opsin viruses, used with a growing pool of transgenic mice expressing recombinases, allow manipulation of specific cell types. However, although optogenetic control has allowed neural circuits to be manipulated in increasingly powerful ways, combining optogenetic stimulation with simultaneous multichannel electrophysiological readout of isolated units in freely moving mice remains a challenge. We designed and validated the optetrode, a device that allows for colocalized multi-tetrode electrophysiological recording and optical stimulation in freely moving mice. Optetrode manufacture employs a unique optical fiber-centric coaxial design approach that yields a lightweight (2 g), compact and robust device that is suitable for behaving mice. This low-cost device is easy to construct (2.5 h to build without specialized equipment). We found that the drive design produced stable high-quality recordings and continued to do so for at least 6 weeks following implantation. We validated the optetrode by quantifying, for the first time, the response of cells in the medial prefrontal cortex to local optical excitation and inhibition, probing multiple different genetically defined classes of cells in the mouse during open field exploration.

Midbrain dopamine neurons have been implicated in two related but distinct processes: reward learning and action generation. By combining an operant learning task in mice with recordings from projection-defined dopamine neurons, the authors found that dopamine neurons targeting different parts of the striatum carry different information about rewards and chosen actions. Dopaminergic (DA) neurons in the midbrain provide rich topographic innervation of the striatum and are central to learning and to generating actions. Despite the importance of this DA innervation, it remains unclear whether and how DA neurons are specialized on the basis of the location of their striatal target. Thus, we sought to compare the function of subpopulations of DA neurons that target distinct striatal subregions in the context of an instrumental reversal learning task. We identified key differences in the encoding of reward and choice in dopamine terminals in dorsal versus ventral striatum: DA terminals in ventral striatum responded more strongly to reward consumption and reward-predicting cues, whereas DA terminals in dorsomedial striatum responded more strongly to contralateral choices. In both cases the terminals encoded a reward prediction error. Our results suggest that the DA modulation of the striatum is spatially organized to support the specialized function of the targeted subregion.

A major challenge in understanding the cellular diversity of the brain has been linking activity during behavior with standard cellular typology. For example, it has not been possible to determine whether principal neurons in prefrontal cortex active during distinct experiences represent separable cell types, and it is not known whether these differentially active cells exert distinct causal influences on behavior. Here, we develop quantitative hydrogel-based technologies to connect activity in cells reporting on behavioral experience with measures for both brain-wide wiring and molecular phenotype. We find that positive and negative-valence experiences in prefrontal cortex are represented by cell populations that differ in their causal impact on behavior, long-range wiring, and gene expression profiles, with the major discriminant being expression of the adaptation-linked gene NPAS4. These findings illuminate cellular logic of prefrontal cortex information processing and natural adaptive behavior and may point the way to cell-type-specific understanding and treatment of disease-associated states.

Cholinergic transmission in the striatal complex is critical for the modulation of the activity of local microcircuits and dopamine release. Release of acetylcholine has been considered to originate exclusively from a subtype of striatal interneuron that provides widespread innervation of the striatum. Cholinergic neurons of the pedunculopontine (PPN) and laterodorsal tegmental (LDT) nuclei indirectly influence the activity of the dorsal striatum and nucleus accumbens through their innervation of dopamine and thalamic neurons, which in turn converge at the same striatal levels. Here we show that cholinergic neurons in the brainstem also provide a direct innervation of the striatal complex. By the expression of fluorescent proteins in choline acetyltransferase (ChAT)::Cre + transgenic rats, we selectively labeled cholinergic neurons in the rostral PPN, caudal PPN, and LDT. We show that cholinergic neurons topographically innervate wide areas of the striatal complex: rostral PPN preferentially innervates the dorsolateral striatum, and LDT preferentially innervates the medial striatum and nucleus accumbens core in which they principally form asymmetric synapses. Retrograde labeling combined with immunohistochemistry in wild-type rats confirmed the topography and cholinergic nature of the projection. Furthermore, transynaptic gene activation and conventional double retrograde labeling suggest that LDT neurons that innervate the nucleus accumbens also send collaterals to the thalamus and the dopaminergic midbrain, thus providing both direct and indirect projections, to the striatal complex. The differential activity of cholinergic interneurons and cholinergic neurons of the brainstem during reward-related paradigms suggest that the two systems play different but complementary roles in the processing of information in the striatum.