Abstract Nicotine intake is likely to result from a balance between the rewarding and aversive properties of the drug, yet the individual differences in neural activity that control aversion to nicotine and their adaptation during the addiction process remain largely unknown. Using a two-bottle choice experiment, we observed a high heterogeneity in nicotine-drinking profiles in isogenic adult male mice, with about half of the mice persisting in consuming nicotine even at high concentrations, whereas the other half stopped consuming. We found that nicotine intake was negatively correlated with nicotine-evoked currents in the interpeduncular nucleus (IPN), and that prolonged exposure to nicotine, by weakening this response, decreased aversion to the drug, and hence boosted consumption. Lastly, using knock-out mice and local gene re-expression, we identified β4-containing nicotinic acetylcholine receptors of IPN neurons as the molecular and cellular correlates of nicotine aversion. Collectively, our results identify the IPN as a substrate of individual variabilities and adaptations in nicotine consumption.

Abstract Traditionally, in biomedical animal research, laboratory rodents are individually examined in test apparatuses outside their home cages at selected time points. However, the outcome of such tests can be influenced by the novel environment, the time of day, separation from the social group, or the presence of an experimenter. Moreover, valuable information may be missed when the animals are only monitored in short periods. These issues can be overcome by longitudinal monitoring mice and rats in their home cages. To shed light on the development of home cage monitoring (HCM) and the current state of the art, a systematic review was carried out on 521 publications retrieved through PubMed and Web of Science. Both the absolute (∼ ×26) and relative (∼ ×7) number of HCM-related publications increased from 1974 to 2020. In both mice and rats, there was a clear bias towards males and individually housed animals, but during the past decade (2011–2020), an increasing number of studies used both sexes and group housing. More than 70 % of the studies did not involve a disease model, but the percentage of studies using disease models increased since the 2000s. In most studies, animals were kept for short (up to 4 weeks) length periods in the HCM systems; intermediate length periods (4–12 weeks) increased in frequency in the years between 2011 and 2020. Before the 2000s, HCM techniques were predominantly applied for less than 12 hours, while 24-hour measurements have been more frequently since the 2000s. The systematic review demonstrated that manual monitoring is decreasing but still relevant. Until (and including) the 1990s, most techniques were applied manually but have been progressively replaced by automation since the 2000s. Independent of the publication year, the main behavioral parameters measured were locomotor activity, feeding, and social behaviors; the main physiological parameters were heart rate and electrocardiography. External appearance-related parameters were rarely examined in the home cages. Due to technological progress and application of artificial intelligence, more refined and detailed behavioral parameters could be investigated in the home cage in recent times. Over the period covered in this study, techniques for HCM of mice and rats has improved considerably. This development is ongoing and further progress and validation of HCM systems will extend the applications to allow for continuous, longitudinal, non-invasive monitoring of an increasing range of parameters in group-housed small rodents in their home cages.

Preclinical studies of psychiatric disorders require the use of animal models to investigate the impact of environmental factors or genetic mutations on complex traits such as decision-making and social interactions. Here, we present a real-time method for behavior analysis of mice housed in groups that couples computer vision, machine learning and Triggered-RFID identification to track and monitor animals over several days in enriched environments. The system extracts a thorough list of individual and collective behavioral traits and provides a unique phenotypic profile for each animal. On mouse models, we study the impact of mutations of genes Shank2 and Shank3 involved in autism. Characterization and integration of data from behavioral profiles of mutated female mice reveals distinctive activity levels and involvement in complex social configuration.

Individuality is a ubiquitous and well-conserved feature among animal species. The behavioral patterns of individual animals affect their respective role in the ecosystem and their prospects for survival. Even though some of the factors shaping individuality have been identified, the mechanisms underlying individuation are poorly understood and are generally considered to be genetics-based. Here we devised a large environment where mice live continuously, and observed that individuality, measured by both social and individual traits, emerged and settled within the group. Midbrain dopamine neurons underwent neurophysiological adaptations that mirrored this phenotypic divergence in individual behaviors. Strikingly, modifying the social environment resulted in a fast re-adaptation of both the animal's personality and its dopaminergic signature. These results indicate that individuality can rapidly evolve upon social challenges, and does not just depend on the genetic or epigenetic initial status of the animal.

Individual animals differ in their traits and preferences, which shape their social interactions, survival, and susceptibility to disease, including addiction. Nicotine use is highly heterogenous, and has been linked to the expression of personality traits. Although these relationships are well-documented, we have limited understanding of the neurophysiological mechanisms that give rise to distinct personalities and their connection to nicotine susceptibility. To address this question, we conducted a study using a semi-natural and social environment called "Souris-City" to observe the long-term behavior of individual mice. Souris-City provided both a communal living area and a separate test area where mice engaged in a reward-seeking task isolated from their peers. Mice developed individualistic reward-seeking strategies when choosing between water and sucrose in the test compartment, which, in turn, predicted how they adapted to the introduction of nicotine as a reinforcer. Moreover, mouse profiles in isolation also extended to correlate with their behavior within the social environment, linking decision-making strategies to the expression of behavioral traits. Neurophysiological markers of adaptability within the dopamine system were apparent upon nicotine challenge, and were associated with specific profiles. Our findings suggest that environmental adaptations influence behavioral traits and sensitivity to nicotine by acting on dopaminergic reactivity in the face of nicotine exposure, potentially contributing to addiction susceptibility. These results further emphasize the importance of understanding inter-individual variability in behavior to gain insight into the mechanisms of decision making and addiction.

Summary Long-term exposure to nicotine alters brain circuits and induces profound changes in decision-making strategies, affecting behaviors both related and unrelated to drug seeking and consumption. Using an intracranial self-stimulation reward-based foraging task, we investigated the impact of chronic nicotine on the trade-off between exploitation and exploration, and the role of ventral tegmental area (VTA) dopamine (DA) neuron activity in decision-making unrelated to nicotine-seeking. Model-based and archetypal analysis revealed a substantial inter-individual variability in decision-making strategies, with mice passively exposed to chronic nicotine visiting more frequently options associated with higher reward probability and therefore shifting toward a more exploitative profile compared to non-exposed animals. We then mimicked the effect of chronic nicotine on the tonic activity of VTA DA neurons using optogenetics, and found that photo-stimulated mice had a behavioral phenotype very close to that of mice exposed to nicotine, suggesting that the dopaminergic control of the exploration/exploitation balance is altered under nicotine exposure. Our results thus reveal a key role of tonic midbrain DA in the exploration/exploitation trade-off and highlight a potential mechanism by which nicotine affects decision-making.