Summary Psilocybin is a serotonergic psychedelic with untapped therapeutic potential. There are hints that the use of psychedelics can produce neural adaptations, although the extent and time scale of the impact in a mammalian brain are unknown. In this study, we used chronic two-photon microscopy to image longitudinally the apical dendritic spines of layer 5 pyramidal neurons in the mouse medial frontal cortex. We found that a single dose of psilocybin led to ∼10% increases in spine size and density, driven by an elevated spine formation rate. The structural remodeling occurred quickly within 24 hours and was persistent 1 month later. Psilocybin also ameliorated stress-related behavioral deficit and elevated excitatory neurotransmission. Overall, the results demonstrate that psilocybin-evoked synaptic rewiring in the cortex is fast and enduring, potentially providing a structural trace for long-term integration of experiences and lasting beneficial actions.

ABSTRACT Serotonergic psychedelics are gaining increasing interest as potential therapeutics for a range of mental illnesses. Compounds with short-lived subjective effects may be clinically useful because dosing time would be reduced, which may improve patient access. One short-acting psychedelic is 5-MeO-DMT, which has been associated with improvement in depression and anxiety symptoms in early clinical studies. However relatively little is known about the behavioral effects and neural mechanisms of 5-MeO-DMT in animal models. Here we characterized the effects of 5-MeO-DMT on innate behaviors and dendritic architecture in mice. We showed that 5-MeO-DMT induces a dose-dependent increase in head-twitch response that is shorter in duration than that induced by psilocybin at all doses tested. 5-MeO-DMT also substantially suppresses social ultrasonic vocalizations produced during mating behavior. 5-MeO-DMT produces long-lasting increases in dendritic spine density in the mouse medial frontal cortex that are driven by an elevated rate of spine formation. However, unlike psilocybin, 5-MeO-DMT did not affect the size of dendritic spines. These data provide insights into the behavioral and neural consequences underlying the action of 5-MeO-DMT and highlight similarities and differences with those of psilocybin.