Ventral tegmental area (VTA) dopamine neurons have important roles in adaptive and pathological brain functions related to reward and motivation. However, it is unknown whether subpopulations of VTA dopamine neurons participate in distinct circuits that encode different motivational signatures, and whether inputs to the VTA differentially modulate such circuits. Here we show that, because of differences in synaptic connectivity, activation of inputs to the VTA from the laterodorsal tegmentum and the lateral habenula elicit reward and aversion in mice, respectively. Laterodorsal tegmentum neurons preferentially synapse on dopamine neurons projecting to the nucleus accumbens lateral shell, whereas lateral habenula neurons synapse primarily on dopamine neurons projecting to the medial prefrontal cortex as well as on GABAergic (γ-aminobutyric-acid-containing) neurons in the rostromedial tegmental nucleus. These results establish that distinct VTA circuits generate reward and aversion, and thereby provide a new framework for understanding the circuit basis of adaptive and pathological motivated behaviours. Through the use of a combination of state-of-the-art techniques, different populations of ventral tegmental area dopamine neurons in the mouse are shown to form separate circuits with distinct connectivity: neurons receiving input from the laterodorsal tegmentum and lateral habenula are found to mediate reward and aversion, respectively. Dopamine neurons in the ventral tegmental area (VTA) are perhaps best known for their reward-related activity, but they can also signal aversion. Here, the authors show that different populations of VTA neurons form separate circuits with distinct connectivity for reward and aversion. Using a combination of state-of-the-art functional anatomical techniques, they find that neurons receiving input from the laterodorsal tegmentum and lateral habenula mediate reward and aversion, respectively.

Different subregions of the bed nucleus of the stria terminalis are shown to increase and decrease anxiety in mice, and distinct neural projections arising from a single coordinating brain region modulate different anxiety features. The bed nucleus of the stria terminalis (BNST), a brain area involved in fear and anxiety, also projects into brain areas with contrasting roles, including some involved in the reward response. Two papers now dissect out the functional properties of various subregions of projections of BNST in mice. Garret Stuber and colleagues examine BNST projections to the ventral tegmental area and find that glutamatergic and GABAergic projections have opposing effects on reward and aversion. Karl Deisseroth and colleagues find that different subregions of BNST increase and decrease anxiety, and that distinct projections modulate different features of anxiety. This work suggests that anxiety arises not from a single neural circuit, but from the interplay between anxiety-producing and anxiety-reducing circuits. Behavioural states in mammals, such as the anxious state, are characterized by several features that are coordinately regulated by diverse nervous system outputs, ranging from behavioural choice patterns to changes in physiology (in anxiety, exemplified respectively by risk-avoidance and respiratory rate alterations)1,2. Here we investigate if and how defined neural projections arising from a single coordinating brain region in mice could mediate diverse features of anxiety. Integrating behavioural assays, in vivo and in vitro electrophysiology, respiratory physiology and optogenetics, we identify a surprising new role for the bed nucleus of the stria terminalis (BNST) in the coordinated modulation of diverse anxiety features. First, two BNST subregions were unexpectedly found to exert opposite effects on the anxious state: oval BNST activity promoted several independent anxious state features, whereas anterodorsal BNST-associated activity exerted anxiolytic influence for the same features. Notably, we found that three distinct anterodorsal BNST efferent projections—to the lateral hypothalamus, parabrachial nucleus and ventral tegmental area—each implemented an independent feature of anxiolysis: reduced risk-avoidance, reduced respiratory rate, and increased positive valence, respectively. Furthermore, selective inhibition of corresponding circuit elements in freely moving mice showed opposing behavioural effects compared with excitation, and in vivo recordings during free behaviour showed native spiking patterns in anterodorsal BNST neurons that differentiated safe and anxiogenic environments. These results demonstrate that distinct BNST subregions exert opposite effects in modulating anxiety, establish separable anxiolytic roles for different anterodorsal BNST projections, and illustrate circuit mechanisms underlying selection of features for the assembly of the anxious state.

In humans, neuroligin-3 mutations are associated with autism, whereas in mice, the corresponding mutations produce robust synaptic and behavioral changes. However, different neuroligin-3 mutations cause largely distinct phenotypes in mice, and no causal relationship links a specific synaptic dysfunction to a behavioral change. Using rotarod motor learning as a proxy for acquired repetitive behaviors in mice, we found that different neuroligin-3 mutations uniformly enhanced formation of repetitive motor routines. Surprisingly, neuroligin-3 mutations caused this phenotype not via changes in the cerebellum or dorsal striatum but via a selective synaptic impairment in the nucleus accumbens/ventral striatum. Here, neuroligin-3 mutations increased rotarod learning by specifically impeding synaptic inhibition onto D1-dopamine receptor-expressing but not D2-dopamine receptor-expressing medium spiny neurons. Our data thus suggest that different autism-associated neuroligin-3 mutations cause a common increase in acquired repetitive behaviors by impairing a specific striatal synapse and thereby provide a plausible circuit substrate for autism pathophysiology.PaperFlickeyJraWQiOiI4ZjUxYWNhY2IzYjhiNjNlNzFlYmIzYWFmYTU5NmZmYyIsImFsZyI6IlJTMjU2In0.eyJzdWIiOiJhOTE1YjNjNzVhNjg0NzI3NTY0MjQ3YjA5OTc1YWUzZCIsImtpZCI6IjhmNTFhY2FjYjNiOGI2M2U3MWViYjNhYWZhNTk2ZmZjIiwiZXhwIjoxNjc4ODkyOTc2fQ.fg1K6g7xRK8venZ6qUnYACbD6vJ_yhrx3jThaUzaCyYmCQ-zolMvcvKGjepU4ph2M3QzjY8AIjfut-r7x6oJQBvhQ-IaYJcRtcWnaIWTaOqI0gyiw5ff5XXpjNe3Kml5XHhwHrHH6JVGP8g1EsTrnqFi2XBEowdfafIfu9Xuaq2kVAObLdOm9TWTOrHWVHwhZYrkmIeldO4EtzZBQrlt5J77ojjq7lGYsQ9eNVrlq_j40CJ-qlKUmpXe05bnUQ0fGJSvmopaP8_mzKn557pebVpUWZ_WZ10-_8xECLxoQMAPnwwXNbvZ73Hd7Oh-_quDcj_MP8XL2F9Ggd7lxQS2wg(mp4, (13.14 MB) Download video

Controlled tissue fixation with polyepoxides protects protein fluorescence, antigenicity, nucleic acids and tissue architecture. Understanding complex biological systems requires the system-wide characterization of both molecular and cellular features. Existing methods for spatial mapping of biomolecules in intact tissues suffer from information loss caused by degradation and tissue damage. We report a tissue transformation strategy named stabilization under harsh conditions via intramolecular epoxide linkages to prevent degradation (SHIELD), which uses a flexible polyepoxide to form controlled intra- and intermolecular cross-link with biomolecules. SHIELD preserves protein fluorescence and antigenicity, transcripts and tissue architecture under a wide range of harsh conditions. We applied SHIELD to interrogate system-level wiring, synaptic architecture, and molecular features of virally labeled neurons and their targets in mouse at single-cell resolution. We also demonstrated rapid three-dimensional phenotyping of core needle biopsies and human brain cells. SHIELD enables rapid, multiscale, integrated molecular phenotyping of both animal and clinical tissues.

Chronic stress is a strong diathesis for depression in humans and is used to generate animal models of depression. It commonly leads to several major symptoms of depression, including dysregulated feeding behaviour, anhedonia and behavioural despair. Although hypotheses defining the neural pathophysiology of depression have been proposed, the critical synaptic adaptations in key brain circuits that mediate stress-induced depressive symptoms remain poorly understood. Here we show that chronic stress in mice decreases the strength of excitatory synapses on D1 dopamine receptor-expressing nucleus accumbens medium spiny neurons owing to activation of the melanocortin 4 receptor. Stress-elicited increases in behavioural measurements of anhedonia, but not increases in measurements of behavioural despair, are prevented by blocking these melanocortin 4 receptor-mediated synaptic changes in vivo. These results establish that stress-elicited anhedonia requires a neuropeptide-triggered, cell-type-specific synaptic adaptation in the nucleus accumbens and that distinct circuit adaptations mediate other major symptoms of stress-elicited depression.

A neuropeptide kills patient's motivation Chronic pain is not only extremely disturbing and unpleasant; it can also make people depressed and demotivated. What causes these effects? Schwartz et al. discovered that chronic pain causes changes in the way a neuropeptide called galanin affects certain neurons in a brain region called the nucleus accumbens (see the Perspective by Fields). Galanin influences a variety of behaviors, including feeding and certain aspects of pain. In this case, it depresses synaptic transmission at specific excitatory synapses. It does so, in part, by changing the ratio of subunits of an important receptor protein. Science , this issue p. 535 ; see also p. 513

Major depressive disorder (MDD) patients display a common but often variable set of symptoms making successful, sustained treatment difficult to achieve. Separate depressive symptoms may be encoded by differential changes in distinct circuits in the brain, yet how discrete circuits underlie behavioral subsets of depression and how they adapt in response to stress has not been addressed. We identify two discrete circuits of parvalbumin-positive (PV) neurons in the ventral pallidum (VP) projecting to either the lateral habenula or ventral tegmental area contributing to depression. We find that these populations undergo different electrophysiological adaptations in response to social defeat stress, which are normalized by antidepressant treatment. Furthermore, manipulation of each population mediates either social withdrawal or behavioral despair, but not both. We propose that distinct components of the VP PV circuit can subserve related, yet separate depressive-like phenotypes in mice, which could ultimately provide a platform for symptom-specific treatments of depression.

Abstract An essential step toward understanding brain function is to establish a cellular-resolution structural framework upon which multi-scale and multi-modal information spanning molecules, cells, circuits and systems can be integrated and interpreted. Here, through a collaborative effort from the Brain Initiative Cell Census Network (BICCN), we derive a comprehensive cell type-based description of one brain structure - the primary motor cortex upper limb area (MOp-ul) of the mouse. Applying state-of-the-art labeling, imaging, computational, and neuroinformatics tools, we delineated the MOp-ul within the Mouse Brain 3D Common Coordinate Framework (CCF). We defined over two dozen MOp-ul projection neuron (PN) types by their anterograde targets; the spatial distribution of their somata defines 11 cortical sublayers, a significant refinement of the classic notion of cortical laminar organization. We further combine multiple complementary tracing methods (classic tract tracing, cell type-based anterograde, retrograde, and transsynaptic viral tracing, high-throughput BARseq, and complete single cell reconstruction) to systematically chart cell type-based MOp input-output streams. As PNs link distant brain regions at synapses as well as host cellular gene expression, our construction of a PN type resolution MOp-ul wiring diagram will facilitate an integrated analysis of motor control circuitry across the molecular, cellular, and systems levels. This work further provides a roadmap towards a cellular resolution description of mammalian brain architecture.

ABSTRACT The cortico-basal ganglia-thalamic loop is one of the fundamental network motifs in the brain. Revealing its structural and functional organization is critical to understanding cognition, sensorimotor behavior, and the natural history of many neurological and neuropsychiatric diseases. Classically, the basal ganglia is conceptualized to contain three primary information output channels: motor, limbic, and associative. However, given the roughly 65 cortical areas and two dozen thalamic nuclei that feed into the dorsal striatum, a three-channel view is overly simplistic for explaining the myriad functions of the basal ganglia. Recent works from our lab and others have subdivided the dorsal striatum into numerous functional domains based on convergent and divergent inputs from the cortex and thalamus. To complete this work, we generated a comprehensive data pool of ∼700 injections placed across the striatum, external globus pallidus (GPe), substantia nigra pars reticulata (SNr), thalamic nuclei, and cortex. We identify 14 domains of SNr, 36 in the GPe, and 6 in the parafascicular and ventromedial thalamic nuclei. Subsequently, we identify 6 parallel cortico-basal ganglia-thalamic subnetworks that sequentially transduce specific subsets of cortical information with complex patterns of convergence and divergence through every elemental node of the entire cortico-basal ganglia loop. These experiments reveal multiple important novel features of the cortico-basal ganglia network motif. The prototypical sub-network structure is characterized by a highly interconnected nature, with cortical information processing through one or more striatal nodes, which send a convergent output to the SNr and a more parallelized output to the GPe; the GPe output then converges with the SNr. A domain of the thalamus receives the nigral output, and is interconnected with both the striatal domains and the cortical areas that filter into its nigral input source. This study provides conceptual advancement of our understanding of the structural and functional organization of the classic cortico-basal ganglia network.

ABSTRACT We report the generation of a multimodal cell census and atlas of the mammalian primary motor cortex (MOp or M1) as the initial product of the BRAIN Initiative Cell Census Network (BICCN). This was achieved by coordinated large-scale analyses of single-cell transcriptomes, chromatin accessibility, DNA methylomes, spatially resolved single-cell transcriptomes, morphological and electrophysiological properties, and cellular resolution input-output mapping, integrated through cross-modal computational analysis. Together, our results advance the collective knowledge and understanding of brain cell type organization: First, our study reveals a unified molecular genetic landscape of cortical cell types that congruently integrates their transcriptome, open chromatin and DNA methylation maps. Second, cross-species analysis achieves a unified taxonomy of transcriptomic types and their hierarchical organization that are conserved from mouse to marmoset and human. Third, cross-modal analysis provides compelling evidence for the epigenomic, transcriptomic, and gene regulatory basis of neuronal phenotypes such as their physiological and anatomical properties, demonstrating the biological validity and genomic underpinning of neuron types and subtypes. Fourth, in situ single-cell transcriptomics provides a spatially-resolved cell type atlas of the motor cortex. Fifth, integrated transcriptomic, epigenomic and anatomical analyses reveal the correspondence between neural circuits and transcriptomic cell types. We further present an extensive genetic toolset for targeting and fate mapping glutamatergic projection neuron types toward linking their developmental trajectory to their circuit function. Together, our results establish a unified and mechanistic framework of neuronal cell type organization that integrates multi-layered molecular genetic and spatial information with multi-faceted phenotypic properties.