Abstract Cocaine addiction is characterized by dysfunction in reward-related brain circuits, leading to maladaptive motivation to seek and take the drug. There are currently no clinically available pharmacotherapies to treat cocaine addiction. Through a broad screen of innate immune mediators, we identify granulocyte-colony stimulating factor (G-CSF) as a potent mediator of cocaine-induced adaptations. Here we report that G-CSF potentiates cocaine-induced increases in neural activity in the nucleus accumbens (NAc) and prefrontal cortex. In addition, G-CSF injections potentiate cocaine place preference and enhance motivation to self-administer cocaine, while not affecting responses to natural rewards. Infusion of G-CSF neutralizing antibody into NAc blocks the ability of G-CSF to modulate cocaine’s behavioral effects, providing a direct link between central G-CSF action in NAc and cocaine reward. These results demonstrate that manipulating G-CSF is sufficient to alter the motivation for cocaine, but not natural rewards, providing a pharmacotherapeutic avenue to manipulate addictive behaviors without abuse potential.

Abstract Opioid use disorder (OUD) is a public health crisis currently being exacerbated by increased rates of use and overdose of synthetic opioids, primarily fentanyl. Therefore, the identification of novel biomarkers and treatment strategies to reduce problematic fentanyl use and relapse to fentanyl taking is critical. In recent years, there has been a growing body of work demonstrating that the gut microbiome can serve as a potent modulator of the behavioral and transcriptional responses to both stimulants and opioids. Here, we advance this work to define how manipulations of the microbiome drive fentanyl intake and fentanyl seeking in a translationally relevant drug self-administration model. Additionally, we utilize global proteomic analysis of the nucleus accumbens following microbiome manipulation and fentanyl administration to define how microbiome status alters the functional proteomic landscape in this key limbic substructure. These findings establish clear relevance for gut-brain signaling in OUD, and lay foundations for further translational work in this space.

The hippocampus 1-7, as well as dopamine circuits 8-11, coordinate decision-making in anxiety-eliciting situations. Yet, little is known about how dopamine modulates hippocampal representations of emotionally-salient stimuli to inform appropriate resolution of approach versus avoidance conflicts. We here study dopaminoceptive neurons in mouse ventral hippocampus (vHipp), molecularly distinguished by their expression of dopamine D1 or D2 receptors. We show that these neurons are transcriptionally distinct and topographically organized across vHipp subfields and cell types. In the ventral subiculum where they are enriched, both D1 and D2 neurons are recruited during anxiogenic exploration, yet with distinct profiles related to investigation and behavioral selection. In turn, they mediate opposite approach/avoidance responses, and are differentially modulated by dopaminergic transmission in that region. Together, these results suggest that vHipp dopamine dynamics gate exploratory behaviors under contextual uncertainty, implicating dopaminoception in the complex computation engaged in vHipp to govern emotional states.

Abstract Major depressive disorder (MDD) is linked to impaired structural and synaptic plasticity in limbic brain regions. Astrocytes, which regulate synapses and are influenced by chronic stress, likely contribute to these changes. We analyzed astrocyte gene profiles in the nucleus accumbens (NAc) of humans with MDD and mice exposed to chronic stress. Htra1 , which encodes an astrocyte-secreted protease targeting the extracellular matrix (ECM), was significantly downregulated in the NAc of males but upregulated in females in both species. Manipulating Htra1 in mouse NAc astrocytes bidirectionally controlled stress susceptibility in a sex-specific manner. Such Htra1 manipulations also altered neuronal signaling and ECM structural integrity in NAc. These findings highlight astroglia and the brain’s ECM as key mediators of sex-specific stress vulnerability, offering new approaches for MDD therapies.

ABSTRACT Background The posterior intralaminar (PIL) complex of the thalamus is a multimodal nucleus that has been implicated in maternal behaviors and conspecific social behaviors in male and female rodents. Glutamatergic neurons are a major component of the PIL; however, their specific activity and role during social interactions has not yet been assessed. Methods We used immunohistochemistry for the immediate early gene c-fos as a proxy for neuronal activity in the PIL of mice exposed to a novel social stimulus, a novel object stimulus, or no stimulus. We then used fiber photometry to record neural activity of glutamatergic neurons in the PIL in real-time during social and non-social interactions. Finally, we used inhibitory DREADDs in glutamatergic PIL neurons and tested social preference and social habituation-dishabituation. Results We observed significantly more c-fos -positive cells in the PIL of mice exposed to social versus object or no stimuli. Neural activity of PIL glutamatergic neurons was increased when male and female mice were engaged in social interaction with a same-sex juvenile or opposite-sex adult, but not a toy mouse. Neural activity positively correlated with social investigation bout length and negatively correlated with chronological order of bouts. Social preference was unaffected by inhibition; however, inhibiting activity of glutamatergic neurons in the PIL delayed the time it took female mice to form social habituation. Conclusions Together these findings suggest that glutamatergic PIL neurons respond to social stimuli in both male and female mice and may regulate perceptual encoding of social information to facilitate recognition of social stimuli.

ABSTRACT The persistent and experience-dependent nature of drug addiction may result in part from epigenetic alterations, including non-coding micro-RNAs (miRNAs), which are both critical for neuronal function and modulated by cocaine in the striatum. Two major striatal cell populations, the striato-nigral and striato-pallidal projection neurons, express respectively the D1 (D1-SPNs) and D2 (D2-SPNs) dopamine receptor, and display distinct but complementary functions in drug-evoked responses. However, a cell-type-specific role for miRNAs action has yet to be clarified. Here, we evaluated the expression of a subset of miRNAs proposed to modulate cocaine effects in the nucleus accumbens (NAc) and dorsal striatum (DS) upon sustained cocaine exposure in mice and showed that these selected miRNAs were preferentially up-regulated in the NAc. We then focused on miR-1 considering the important role of some of its predicted mRNA targets, such as fosb and npas4 , in the effects of cocaine. We validated these targets in vitro and in vivo and further showed that overexpression of miR-1 in D1-SPNs of the DS reduced cocaine-induced CPP reinstatement, whereas it increased cue-induced reinstatement of cocaine-SA, without affecting other cocaine-mediated adaptive behavior. In addition, miR-1 overexpression in D2-SPNs of the DS reduced the motivation to self-administer cocaine but did not modify other measured behaviors. Together, our results highlight a precise cell-type- and region-specific control of relapse to cocaine-seeking behaviors by miR-1, and illustrate the importance of cell-specific investigations.

Abstract Cocaine use disorder represents a public health crisis with no FDA-approved medications for its treatment. A growing body of research has detailed the important connections between the brain and the resident population of bacteria in the gut, the gut microbiome in psychiatric disease models. Acute depletion of gut bacteria results in enhanced reward in a mouse cocaine place preference model, and repletion of bacterially-derived short-chain fatty acid (SCFA) metabolites reverses this effect. However, the role of the gut microbiome and its metabolites in modulating cocaine-seeking behavior after prolonged abstinence is unknown. Given that relapse prevention is the most clinically challenging issue in treating substance use disorders, studies examining the effects of microbiome manipulations in relapse-relevant models are critical. Here, Sprague-Dawley rats received either untreated water or antibiotics to deplete the gut microbiome and its metabolites. Rats were trained to self-administer cocaine and subjected to either within-session threshold testing to evaluate motivation for cocaine or 21 days of abstinence followed by a cue-induced cocaine-seeking task to model relapse behavior. Microbiome depletion did not affect cocaine acquisition on an FR1 schedule. However, microbiome-depleted subjects exhibited significantly enhanced motivation for low dose cocaine on a within-session threshold task. Similarly, microbiome depletion increased cue-induced cocaine-seeking following prolonged abstinence. In the absence of a normal microbiome, repletion of bacterially-derived SCFA metabolites reversed the behavioral and transcriptional changes associated with microbiome depletion. These findings suggest that gut bacteria, via their metabolites, are key regulators of drug-seeking behaviors, positioning the microbiome as a potential translational research target.

Background: Psychostimulant use disorder is a major public health issue, and despite the scope of the problem there are currently no FDA approved treatments. There would be tremendous utility in development of a treatment that could help patients both achieve and maintain abstinence. Previous work from our group has identified granulocyte-colony stimulating factor (G-CSF) as a neuroactive cytokine that alters behavioral response to cocaine, increases synaptic dopamine release, and enhances cognitive flexibility. Here, we investigate the role of G-CSF in affecting extinction and reinstatement of cocaine-seeking and perform detailed characterization of its proteomic effects in multiple limbic substructures. Methods: Sprague-Dawley rats were injected with PBS or G-CSF during (1) extinction or (2) abstinence from cocaine self-administration, and drug seeking behavior was measured. Quantitative assessment of changes in the proteomic landscape in the nucleus accumbens (NAc) and medial prefrontal cortex (mPFC) were performed via data-independent acquisition (DIA) mass spectrometry analysis. Results: Administration of G-CSF during extinction accelerated the rate of extinction, and administration during abstinence attenuated cue-induced cocaine-seeking. Analysis of global protein expression demonstrated that G-CSF regulated proteins primarily in mPFC that are critical to glutamate signaling and synapse maintenance. Conclusion: Taken together, these findings support G-CSF as a viable translational research target with the potential to reduce drug craving or seeking behaviors. Importantly, recombinant G-CSF exists as an FDA-approved medication which may facilitate rapid clinical translation. Additionally, using cutting-edge multi-region discovery proteomics analyses, these studies identify a novel mechanism underlying G-CSF effects on behavioral plasticity.

Abstract Opioid use disorder (OUD) looms as one of the most severe medical crises currently facing society. More effective therapeutics for OUD requires in-depth understanding of molecular changes supporting drug-taking and relapse. Recent efforts have helped advance these aims, but studies have been limited in number and scope. Here, we develop a brain reward circuit-wide atlas of opioid-induced transcriptional regulation by combining RNA sequencing (RNAseq) and heroin self-administration in male mice modeling multiple OUD-relevant conditions: acute heroin exposure, chronic heroin intake, context-induced drug-seeking following prolonged abstinence, and heroin-primed drug-seeking (i.e., “relapse”). Bioinformatics analysis of this rich dataset identified numerous patterns of molecular changes, transcriptional regulation, brain-region-specific involvement in various aspects of OUD, and both region-specific and pan-circuit biological domains affected by heroin. Integrating RNAseq data with behavioral outcomes using factor analysis to generate an “addiction index” uncovered novel roles for particular brain regions in promoting addiction-relevant behavior, and implicated multi-regional changes in affected genes and biological processes. Comparisons with RNAseq and genome-wide association studies from humans with OUD reveal convergent molecular regulation that are implicated in drug-taking and relapse, and point to novel gene candidates with high therapeutic potential for OUD. These results outline broad molecular reprogramming that may directly promote the development and maintenance of OUD, and provide a foundational resource to the field for future research into OUD mechanisms and treatment strategies.

Adolescence is a sensitive window for reward- and stress-associated behavior. Although stress during this period causes long-term changes in behavior in males, how females respond is relatively unknown. Here we show that social isolation stress in adolescence, but not adulthood, induces persistent but opposite effects on anxiety- and cocaine-related behaviors in male vs. female mice, and that these effects are reflected in transcriptional profiles within the adult medial amygdala (meA). By integrating differential gene expression with co-expression network analyses, we identified crystallin mu (Crym), a thyroid-binding protein, as a key driver of these transcriptional profiles. Manipulation of Crym specifically within adult meA neurons recapitulates the behavioral and transcriptional effects of social isolation and re-opens a window of plasticity that is otherwise closed. Our results establish that meA is essential for sex-specific responses to stressful and rewarding stimuli through transcriptional programming that occurs during adolescence.