Abstract Background Prevalence rates of opioid use disorder (OUD) have increased dramatically, accompanied by a surge of overdose deaths. While opioid dependence has been extensively studied in preclinical models, an understanding of the biological alterations that occur in the brains of people who chronically use opioids and who are diagnosed with OUD remains limited. To address this limitation, RNA-sequencing (RNA-seq) was conducted on the dorsolateral prefrontal cortex (DLPFC) and nucleus accumbens (NAc), regions heavily implicated in OUD, from postmortem brains in subjects with OUD. Methods We performed RNA-seq on the DLPFC and NAc from unaffected comparison subjects (n=20) and subjects diagnosed with OUD (n=20). Our transcriptomic analyses identified differentially expressed (DE) transcripts and investigated the transcriptional coherence between brain regions using rank-rank hypergeometric ordering (RRHO). Weighted gene co-expression analyses (WGCNA) also identified OUD-specific modules and gene networks. Integrative analyses between DE transcripts and GWAS datasets using linkage disequilibrium score (LDSC) assessed the genetic liability psychiatric-related phenotypes. Results RRHO analyses revealed extensive overlap in transcripts between DLPFC and NAc in OUD, primarily relating to synaptic remodeling and neuroinflammation. Identified transcripts were enriched for factors that control pro-inflammatory cytokine-mediated, chondroitin sulfate, and extracellular matrix signaling. Cell-type deconvolution implicated a role for microglia as a critical driver for opioid-induced neuroplasticity. Using LDSC, we discovered genetic liabilities for risky behavior, attention deficit hyperactivity disorder, and depression. Conclusions Overall, our findings reveal new connections between the brain’s immune system and opioid dependence in the human brain.

Dopamine release in striatal circuits, including the nucleus accumbens (NAc), tracks separable features of reward such as motivation and reinforcement. However, the cellular and circuit mechanisms by which dopamine receptors transform dopamine release into distinct constructs of reward remain unclear. Here, we show that dopamine D3 receptor (D3R) signaling in the NAc drives motivated behavior by regulating local NAc microcircuits. Furthermore, D3Rs co-express with dopamine D1 receptors (D1Rs), which regulate reinforcement, but not motivation. Paralleling dissociable roles in reward function, we report non-overlapping physiological actions of D3R and D1R signaling in NAc neurons. Our results establish a novel cellular framework wherein dopamine signaling within the same NAc cell type is physiologically compartmentalized via actions on distinct dopamine receptors. This structural and functional organization provides neurons in a limbic circuit with the unique ability to orchestrate dissociable aspects of reward-related behaviors that are relevant to the etiology of neuropsychiatric disorders.

Age is the greatest risk factor for Parkinson’s disease (PD) which causes progressive loss of dopamine (DA) neurons, with males at greater risk than females. We found that vesicular glutamate transporter (VGLUT) expression mediates vulnerability to age-related DA neurodegeneration in a sex-dependent manner, providing a new mechanism for sex differences in selective DA neuron vulnerability. These findings lay the groundwork for novel therapeutic strategies to boost neuronal resilience throughout aging.

Abstract Dopamine (DA) D 2 -like receptors in both the central nervous system (CNS) and the periphery are key modulators of metabolism. Moreover, disruption of D 2 -like receptor signaling is implicated in dysglycemia. Yet, the respective metabolic contributions of CNS versus peripheral D 2 -like receptors including D 2 (D2R) and D 3 (D3R) receptors remain poorly understood. To address this, we developed new pharmacological tools, D 2 -like receptor agonists with diminished and delayed blood-brain barrier capability, to selectively manipulate D2R/D3R signaling in the periphery. We designated bromocriptine methiodide (BrMeI), a quaternary methiodide analogue of D2/3R agonist and diabetes drug bromocriptine, as our lead compound based on preservation of D2R/D3R binding and functional efficacy. We then used BrMeI and unmodified bromocriptine to dissect relative contributions of CNS versus peripheral D2R/D3R signaling in treating dysglycemia. Systemic administration of bromocriptine, with unrestricted access to CNS and peripheral targets, significantly improved both insulin sensitivity and glucose tolerance in obese, dysglycemic mice in vivo . In contrast, metabolic improvements were attenuated when access to bromocriptine was restricted either to the CNS through intracerebroventricular administration or delayed access to the CNS via BrMeI. Our findings demonstrate that the coordinated actions of both CNS and peripheral D 2 -like receptors are required for correcting dysglycemia. Ultimately, the development of a first-generation of drugs designed to selectively target the periphery provides a blueprint for dissecting mechanisms of central versus peripheral DA signaling and paves the way for novel strategies to treat dysglycemia.

Glutamatergic synapses are the primary site of excitatory synaptic signaling and neural communication in the cerebral cortex. Electron microscopy (EM) studies in non-human model organisms have demonstrated that glutamate synaptic activity and functioning are directly reflected in quantifiable ultrastructural features. Thus, quantitative EM analysis of glutamate synapses in ex vivo preserved human brain tissue has the potential to provide novel insight into in vivo synaptic functioning. However, factors associated with the acquisition and preservation of human brain tissue have resulted in persistent concerns regarding the potential confounding effects of antemortem and postmortem biological processes on synaptic and sub-synaptic ultrastructural features. Thus, we sought to determine how well glutamate synaptic relationships and nanoarchitecture are preserved in postmortem human dorsolateral prefrontal cortex (DLPFC), a region that substantially differs in size and architecture from model systems. Focused ion beam-scanning electron microscopy (FIB-SEM), a powerful volume EM (VEM) approach, was employed to generate high-fidelity, fine-resolution, three-dimensional (3D) micrographic datasets appropriate for quantitative analyses. Using postmortem human DLPFC with a 6-hour postmortem interval, we optimized a tissue preservation and staining workflow that generated samples of excellent ultrastructural preservation and the high-contrast staining intensity required for FIB-SEM imaging. Quantitative analysis of sub-cellular, sub-synaptic and organelle components within glutamate axo-spinous synapses revealed that ultrastructural features of synaptic function and activity were well-preserved within and across individual synapses in postmortem human brain tissue. The synaptic, sub-synaptic and organelle measures were highly consistent with findings from experimental models that are free from antemortem or postmortem effects. Further, dense reconstruction of neuropil revealed a unique, ultrastructurally-complex, spiny dendritic shaft that exhibited features characteristic of neuronal processes with heightened synaptic communication, integration and plasticity. Altogether, our findings provide a critical proof-of-concept that ex vivo VEM analysis provides a valuable and informative means to infer in vivo functioning of human brain.

Opioid analgesic tolerance is a deleterious side-effect that requires escalation of dose to overcome reduced analgesia overtime. Dose-escalation dramatically reduces opioid safety due to centrally-mediated life-threatening side-effects, including respiratory depression or addiction. Peripheral opioid delivery is a safer alternative as it provides effective local analgesia with limited central penetration. However, tolerance also occurs peripherally, via mechanisms that remain unknown. Centrally, activation of the mu-opioid receptor (MOPr) by opioids induces release of platelet-derived growth factor-B (PDGF-B); and inhibition of PDGF receptor beta (PDGFRbeta) prevents opioid tolerance. In the periphery, MOPr and PDGF-B are expressed in skin keratinocytes, and PDGFRbeta is expressed in peripheral sensory neurons (PSNs), known to convey tolerance. Previous studies also showed that optogenetic stimulation of keratinocytes modulates PSNs via release of keratinocytes-derived factors. Thus, we hypothesized that mechanisms of peripheral opioid tolerance could involve keratinocytes and PDGFRbeta signaling. Using behavioral pharmacology, optogenetics and in situ hybridization in mice, we found that selective inhibition of PDGFRbeta at the periphery, prevents peripheral morphine tolerance caused by repeated intraplantar (i.pl.) morphine injections. In addition, we show that PDGF-B is necessary and sufficient to cause peripheral morphine tolerance and repeated peripheral morphine injections lead to an increase in PDGF-B mRNA in MOPr-expressing keratinocytes. In parallel, we discovered that repeated optogenetic activation of keratinocytes is sufficient to induce peripheral morphine tolerance in a PDGF-B/PDGFRbeta-dependent manner. Together, these data show that keratinocytes and PDGF-B/PDGFRbeta signaling are essential components in the mechanisms of peripheral opioid tolerance.

Striatal projection neurons (SPNs) are traditionally segregated into two subpopulations expressing dopamine (DA) D1-like or D2-like receptors. However, this dichotomy is challenged by recent evidence. Functional and expression studies raise important questions: do SPNs co-express different DA receptors, and do these differences reflect unique striatal spatial distributions and expression profiles? Using RNAscope in mouse striatum, we report heterogenous SPN subpopulations distributed across dorsal-ventral and rostral-caudal axes. SPN subpopulations co-express multiple DA receptors, including D1 and D2 (D1/2R) and D1 and D3. Our integrative approach using single-nuclei multi-omics analyses provides a simple consensus to describe SPNs across diverse datasets, connecting it to complementary spatial mapping. Combining RNAscope and multi-omics shows D1/2R SPNs further separate into distinct subtypes according to spatial organization and conserved marker genes. Each SPN cell type contributes uniquely to genetic risk for neuropsychiatric diseases. Our results bridge anatomy and transcriptomics to offer new understandings of striatal neuron heterogeneity.

Abstract Cryo-electron microscopy (cryo-EM) enables the study of protein complexes, cytoskeletal elements, and organelles in three dimensions without the use of chemical fixation. Most cryo-EM studies focus on vitreously frozen individual cells separated from their native tissue contexts. This reliance on imaging of single cells is primarily due to technical challenges associated with preparing fresh tissue sections at a thinness sufficient for visualization via cryo-EM. Highly heterogenous and specialized tissues, such as brain, are especially affected by this limitation as the cellular, subcellular, and synaptic milieus can significantly vary across neuroanatomical locations. To address this limitation, we established new instrumentation and a workflow that consists of: 1) high-pressure freezing of fresh brain tissue; 2) tissue trimming followed by cryo-focused ion beam milling via the H-bar approach to generate ultrathin lamellae; and 3) cryo-EM imaging. Here, we apply this workflow to visualize the fine ultrastructural details of organelles, as well as cytoskeletal and synaptic elements that comprise the cortical neuropil within fresh, unfixed mouse brain tissue. Moreover, we present initial studies that apply principles of the above workflow to the analysis of postmortem human brain tissue. Overall, our work integrates the strengths of cryo-electron microscopy and tissue-based approaches to produce a generalizable workflow capable of visualizing subcellular structures within complex tissue environments.

Parkinson9s disease (PD) targets some dopamine (DA) neurons more than others. Sex differences offer insights, with females more protected from DA neurodegeneration. The mammalian vesicular glutamate transporter VGLUT2 and Drosophila ortholog dVGLUT have been implicated as modulators of DA neuron resilience.However, the mechanisms by which VGLUT2/dVGLUT protects DA neurons remain unknown. We discovered DA neuron dVGLUT knockdown increased mitochondrial reactive oxygen species in a sexually dimorphic manner in response to depolarization or paraquat-induced stress, males being especially affected. DA neuron dVGLUT also reduced ATP biosynthetic burden during depolarization. RNA sequencing of VGLUT+ DA neurons in mice and flies identified candidate genes that we functionally screened to further dissect VGLUT-mediated DA neuron resilience across PD models. We discovered transcription factors modulating dVGLUT-dependent DA neuroprotection and identified dj-1β as a regulator of sex-specific DA neuron dVGLUT expression. Overall, VGLUT protects DA neurons from PD-associated degeneration by maintaining mitochondrial health.

Abstract Opioid craving and relapse vulnerability is associated with severe and persistent sleep and circadian rhythm disruptions. Understanding the neurobiological underpinnings of circadian rhythms and opioid use disorder (OUD) may prove valuable for developing new treatments for opioid addiction. Previous work indicated molecular rhythm disruptions in the human brain associated with OUD, highlighting synaptic alterations in the dorsolateral prefrontal cortex (DLPFC) and nucleus accumbens (NAc)—key brain regions involved in cognition and reward, and heavily implicated in the pathophysiology of OUD. To provide further insights into the synaptic alterations in OUD, we used mass-spectrometry based proteomics to deeply profile protein expression alterations in bulk tissue and synaptosome preparations from DLPFC and NAc of unaffected and OUD subjects. We identified 55 differentially expressed (DE) proteins in DLPFC homogenates, and 44 DE proteins in NAc homogenates, between unaffected and OUD subjects. In synaptosomes, we identified 161 and 56 DE proteins in DLPFC and NAc, respectively, of OUD subjects. By comparing homogenate and synaptosome protein expression, we identified proteins enriched specifically in synapses that were significantly altered in both DLPFC and NAc of OUD subjects. Across brain regions, synaptic protein alterations in OUD subjects were primarily identified in glutamate, GABA, and circadian rhythm signaling. Using time-of-death (TOD) analyses, where the TOD of each subject is used as a time-point across a 24- hour cycle, we were able to map circadian-related changes associated with OUD in synaptic proteomes related to vesicle-mediated transport and membrane trafficking in the NAc and platelet derived growth factor receptor beta signaling in DLPFC. Collectively, our findings lend further support for molecular rhythm disruptions in synaptic signaling in the human brain as a key factor in opioid addiction.