Treatment of cocaine addiction is hampered by high rates of relapse even after prolonged drug abstinence. This relapse to compulsive cocaine use can be triggered by re-exposure to cocaine1, by re-exposure to stimuli previously associated with cocaine2 or by exposure to stress3. In laboratory rats, similar events reinstate cocaine seeking after prolonged withdrawal periods4,5,6, thus providing a model to study neuronal mechanisms underlying the relapse to cocaine. The endocannabinoid system has been implicated in a number of neuropsychiatric conditions, including drug addiction7,8. The active ingredient of marijuana, Δ9-tetrahydrocannabinol, activates the mesolimbic dopamine (DA) reward system9,10 and has rewarding effects in preclinical models of drug abuse8,11,12. We report here that the synthetic cannabinoid agonist, HU210 (ref. 13), provokes relapse to cocaine seeking after prolonged withdrawal periods. Furthermore, the selective CB1 receptor antagonist, SR141716A (ref. 14), attenuates relapse induced by re-exposure to cocaine-associated cues or cocaine itself, but not relapse induced by exposure to stress. These data reveal an important role of the cannabinoid system in the neuronal processes underlying relapse to cocaine seeking, and provide a rationale for the use of cannabinoid receptor antagonists for the prevention of relapse to cocaine use.

Abstract To achieve their therapeutic effect on the brain, molecules need to pass the blood-brain-barrier (BBB). Many pharmacological treatments of neuropathologies encounter the BBB as a barrier, hindering their effective use. Pharmaceutical nanotechnology based on optimal physicochemical features and taking advantage of naturally occurring permeability mechanisms, nanocarriers such as liposomes offer an attractive alternative to allow drug delivery across the BBB. Liposomes are spherical bilayer lipid-based nanocapsules that can load hydrophilic molecules in their inner compartment and on their outer surface can be functionally modified by peptides, antibodies and polyethyleneglycol (PEG). When composed of cationic lipids, liposomes can serve as gene delivery devices, encapsulating and protecting genetic material from degradation and promoting nonviral cell transfection. In this study, we aimed to develop a liposomal formulation to encapsulate a plasmid harbouring brain-derived neurotrophic factor (BDNF) and infuse these liposomes via the peripheral bloodstream into the brain. To this end, liposomes were tagged with PEG, transferrin, and arginine and characterized regarding their physical properties, such as particle size, zeta-potential and polydispersity index (PDI). Moreover, we selected liposomes preparations for plasmid DNA (pDNA) encapsulation and checked for loading efficiency, in vitro cell uptake, and transfection. The preliminary results from this pilot study revealed that we were able to replicate the liposomes synthesis described in literature, achieving compatible size, charge, PDI, and loading efficiency. However, we could not properly determine whether the conjugation of the surface ligands transferrin and arginine to PEG worked and whether they were attached to the surface of the liposomes. Additionally, we were not able to see transfection in SH-SY5Y cells after 24 or 48 hours of incubation with the pDNA loaded liposomes. In conclusion, we synthesized liposomes encapsulation pBDNF, however, further research will be necessary to address the complete physicochemical characterization of the liposomes. Furthermore, preclinical studies will be helpful to verify transfection efficiency, cytotoxicity, and in the future, safe delivery of BDNF through the BBB.

Abstract Serotonin transporter gene variance has long been considered an essential factor contributing to depression. However, meta-analyses yielded inconsistent findings recently, asking for further understanding of the link between the gene and depression-related symptoms. One key feature of depression is anhedonia. While data exist on the effect of serotonin transporter gene knockout (5-HTT -/- ) in rodents on consummatory and anticipatory anhedonia, with mixed outcomes, the effect on decisional anhedonia has not been investigated thus far. Here, we tested whether 5-HTT -/- contributes to decisional anhedonia. To this end, we established a novel touchscreen-based “go/go” task of visual decision-making. During the learning of stimulus discrimination, 5-HTT +/+ rats performed more optimal decision-making compared to 5-HTT -/- rats at the beginning, but this difference did not persist throughout the learning period. During stimulus generalization, the generalization curves were similar between both genotypes and did not alter as the learning progress. Interestingly, the response time in 5-HTT +/+ rats increased as the session increased in general, while 5-HTT -/- rats tended to decrease. The response time difference might indicate that 5-HTT -/- rats altered willingness to exert cognitive effort to the categorization of generalization stimuli. These results suggest that the effect of 5-HTT ablation on decisional anhedonia is mild and interacts with learning, explaining the discrepant findings on the link between 5-HTT gene and depression.

Abstract Brain-derived neurotrophic factor is one of the most studied proteins playing a pivotal role in neuroplasticity events and vulnerability and resilience to stress-related disorders. Most importantly, BDNF is decreased in depressive patients, and increased after antidepressant treatment. Additionally, BDNF was found to be reduced in a genetic subset of depression susceptible patients carrying the human polymorphism in the serotonin transporter promoter region (5-HTTLPR). The serotonin knockout rat (SERT -/- ) is one of the animal models used to investigate the underlying molecular mechanisms behind the genetic susceptibility to depression in humans. SERT -/- rats present decreased BDNF levels, especially BDNF exon IV, in the prefrontal cortex (PFC) and ventral hippocampus (vHIP), and display anxiety- and depression-like behavior. To investigate whether upregulating BDNF in the vHIP would meliorate the phenotype of SERT -/- rats, we overexpressed BDNF locally into the rat brain by means of stereotaxic surgery and submitted the animals to behavioral challenges, including the sucrose consumption, the open field, and forced swim tests. Additionally, we measured hypothalamus-pituitary-adrenal (HPA)-axis reactivity. The results showed that lentivirus-induced BDNF IV overexpression in the vHIP of SERT -/- rats promoted higher sucrose preference and sucrose intake, on the first day of the sucrose consumption test, indicative for decreased anhedonia-like behavior. Moreover, it decreased immobility time in the forced swim test, suggesting adaptive passive coping. Additionally, BDNF upregulation increased the time spent in the center of a novel environment, implying decreased novel-induced anxiety-like behavior. Finally, it promoted a stronger decrease in plasma corticosterone levels 60 minutes after restraint stress. In conclusion, modulation of BDNF IV levels in the vHIP of SERT -/- rats led to a positive behavioral outcome placing BDNF upregulation in the vHIP as a potential candidate for the development new therapeutic approaches targeting the improvement of depressive symptoms.

Abstract Depressive disorders are one of the leading causes of non-fatal health loss in the last decade. Adding to the burden, the available treatments not always properly work for some individuals. There is, therefore, a constant effort from clinical and preclinical studies to bring forward a better understanding of the disease and look for novel alternative therapies. Two target systems very well explored are the serotonin and the brain-derived neurotrophic factor (BDNF) systems. Selective serotonin reuptake inhibitors (SSRIs), a commonly used class of antidepressants, target the serotonin transporter (SERT) and increase serotonin levels, which in turn also leads to an increase in BDNF. A rat model lacking SERT (SERT knockout) has been a useful tool to study the interplay between serotonin and BDNF. SERT −/− rats present increased extracellular levels of serotonin, yet BDNF levels are decreased, especially in the prefrontal cortex (PFC) and hippocampus. The animals further display anxiety- and depression-like behavior. Therefore, BDNF might mediate the phenotype expressed by the SERT −/− rats. In this study, we sought to investigate whether overexpression of BDNF in the brain of SERT −/− rats would rescue its anxious and depressive-like behavior. Through stereotaxic surgery, SERT −/− and wild-type (WT) rats received BDNF or GFP lentivirus microinfusions into the prelimbic cortex subregion of the mPFC and were submitted to the sucrose consumption, open field test, and forced swim tests. Additionally, we measured hypothalamus-pituitary-adrenal (HPA)-axis reactivity. The results revealed that SERT −/− rats presented decreased sucrose intake, decreased locomotor activity, and increased escape-oriented behavior in the forced swim test compared to WT rats. BDNF upregulation in WT rats caused alterations in the HPA-axis function, resulting in elevated basal plasma corticosterone levels and decreased plasma corticosterone upon stress. In conclusion, BDNF overexpression in the PrL, in general, did not rescue SERT −/− rats from its depression- and anxiety-like behavior, and in WT animals, it caused a malfunction in the HPA-axis.

Cocaine is known to increase the extracellular levels of dopamine (DA) and serotonin (5-HT) by inhibiting the neuronal reuptake of these monoamines. However, individuals with reduced monoamine reuptake transporter expression do not display a reduction in cocaine intake, suggesting that a mechanism other than inhibition of monoamine reuptake contributes to the rewarding and addictive effects of the psychostimulant. Here we report that cocaine depletes the dopaminergic and serotonergic storage vesicles of the rat nucleus accumbens. This cocaine-induced vesicle depletion gave rise to acute increases in the extracellular levels of DA and 5-HT, which in turn correlated with monoamine-type-specific changes in behavior. Both the neurochemical and behavioral responses to cocaine varied among individual animals, which was not due to individual differences in the reuptake of DA and 5-HT, but rather to individual differences in their vesicular release. Furthermore, we found that reserpine-induced depletion of storage vesicles reduced both short and long access cocaine self-administration, and the degree of reduction was linked to the vesicular storage capacity of the animals. In conclusion, we demonstrate a novel mechanism by which cocaine increases the extracellular concentrations of accumbal DA and 5-HT, namely via release from storage vesicles. Furthermore, individual differences in cocaine-induced vesicular monoamine release shape individual differences in not only the acute behavioral and neurochemical effects of the stimulant, but also in its intake. Thus, intracellular storage vesicles represent an attractive novel drug target to combat psychostimulant addiction.

Abstract While the majority of the population is ever exposed to a traumatic event during their lifetime, only a fraction develops posttraumatic stress disorder (PTSD). Disrupted trauma memory processing has been proposed as a core factor underlying PTSD symptomatology. We used transgenic Targeted- Recombination-in-Active-Populations (TRAP) mice to investigate potential alterations in trauma- related hippocampal memory engrams associated with the development of PTSD-like symptomatology. Mice were exposed to a stress-enhanced fear learning paradigm, in which prior exposure to a stressor affects the learning of a subsequent fearful event (contextual fear conditioning using foot shocks), during which neuronal activity was labeled. One week later, mice were behaviorally phenotyped to identify mice resilient and susceptible to developing PTSD-like symptomatology. Three weeks post-learning, mice were re-exposed to the conditioning context to induce remote fear memory recall, and associated hippocampal neuronal activity was assessed. While no differences in the size of the hippocampal neuronal ensemble activated during fear learning were observed between groups, susceptible mice displayed a smaller ensemble activated upon remote fear memory recall in the ventral CA1, higher regional hippocampal PV + neuronal density and a relatively lower activity of PV + interneurons upon recall. Investigation of potential epigenetic regulators of the engram revealed rather generic (rather than engram-specific) differences between groups, with susceptible mice displaying lower hippocampal histone deacetylase 2 expression, and higher methylation and hydroxymethylation levels. These finding implicate variation in epigenetic regulation within the hippocampus, as well as reduced regional hippocampal activity during remote fear memory recall in interindividual differences in susceptibility to traumatic stress.

ABSTRACT Sensory processing sensitivity (SPS) is an evolutionarily conserved trait describing a person’s sensitivity to subtle stimuli, their depth of processing, emotional reactivity, and susceptibility to being overwhelmed. SPS is considered a fundamental and evolutionarily conserved trait, yet its neural mechanisms remain insufficiently understood. Therefore, we investigated whether SPS relates to processing movies differently in the central executive (CEN), default mode (DMN), and salience (SN) networks. We obtained positive and negative dimension Sensory Processing Sensitivity Questionnaire (short-form) scores and (neutral and threat aural framing) movie-fMRI data from a population-based sample (Healthy Brain Study, N=238, age mean =34years). We performed a priori inter-subject representation similarity, activation, and inter-subject functional connectivity analyses to characterize SPS-dimension-related neural responses during movie-viewing. More similar negative dimension SPS score related to more neural synchrony in the CEN and SN during threat. Higher negative dimension SPS score related to reduced CEN-DMN functional connectivity during threat, an effect shared across between-network regions but most strongly driven by reduced connectivity between right dorsomedial prefrontal cortex and left lateral prefrontal cortex. Our findings suggest that highly sensitive individuals exhibit distinct CEN differences shaping environmental perception, process threat differently, and each SPSQ-SF dimension may involve unique neurological mechanisms.