ABSTRACT Activation of opioid receptors in the anterior cingulate cortex (ACC) mediates aspects of analgesia induced by both exogenous and endogenous opioids. We have previously shown that opioid signaling disrupts both afferent excitatory and indirect inhibitory synaptic transmission from the medial thalamus (MThal) to the ACC, but the effects of endogenous opioids within this circuit remain poorly understood. The goal of the current study was to understand how the endogenous opioid, [Met]5-enkephalin (ME), modulates thalamic-driven excitatory and inhibitory synaptic transmission onto layer V pyramidal neurons in the ACC. We used pharmacology, brain slice electrophysiology and optogenetic stimulation to study opioid-mediated modulation of optically evoked glutamatergic and GABAergic transmission. The results revealed that ME inhibited both AMPA-mediated excitatory and GABA-mediated inhibitory synaptic transmission in the ACC. However, inhibitory transmission was more potently inhibited than excitatory transmission by ME. This preferential reduction in GABAA-mediated synaptic transmission was primarily due to the activation of delta opioid receptors by ME and resulted in a net disinhibition of MThal-ACC excitatory pathway. These results suggest that moderate concentrations of ME can lead to net excitation of ACC circuitry and that analgesia may be associated with disinhibition rather than inhibition of ACC subcircuits.

Chronic opioid exposure induces tolerance to the pain-relieving effects of opioids but sensitization to some other effects. While the occurrence of these adaptations is well-understood, the underlying cellular mechanisms are less clear. This study aimed to determine how chronic treatment with morphine, a prototypical opioid agonist, induced adaptations to subsequent morphine signaling in different subcellular contexts. Opioids acutely inhibit glutamatergic transmission from medial thalamic (MThal) inputs to the dorsomedial striatum (DMS) and anterior cingulate cortex (ACC) via activity at μ-opioid receptors (MORs). MORs are present in somatic and presynaptic compartments of MThal neurons terminating in both the DMS and ACC. We investigated the effects of chronic morphine treatment on subsequent morphine signaling at MThal-DMS synapses, MThal-ACC synapses, and MThal cell bodies in male and female mice. Surprisingly, chronic morphine treatment increased subsequent morphine inhibition of MThal-DMS synaptic transmission (morphine facilitation), but decreased subsequent morphine inhibition of transmission at MThal-ACC synapses (morphine tolerance) in a sex-specific manner; these adaptations were present in male but not female mice. Additionally, these adaptations were not observed in knockin mice expressing phosphorylation-deficient MORs, suggesting a role of MOR phosphorylation in mediating both facilitation and tolerance to morphine within this circuit. The results of this study suggest that the effects of chronic morphine exposure are not ubiquitous; rather adaptations in MOR function may be determined by multiple factors such as subcellular receptor distribution, influence of local circuitry and sex.

How cellular adaptations give rise to opioid analgesic tolerance to opioids like morphine is not well understood. For one, pain is a complex phenomenon comprised of both sensory and affective components, largely mediated through separate circuits. Glutamatergic projections from the medial thalamus (MThal) to the anterior cingulate cortex (ACC) are implicated in processing of affective pain, a relatively understudied component of the pain experience. The goal of this study was to determine the effects of chronic morphine exposure on mu-opioid receptor (MOR) signaling on MThal-ACC synaptic transmission within the excitatory and feedforward inhibitory pathways. Using whole-cell patch clamp electrophysiology and optogenetics to selectively target these projections, we measured morphine-mediated inhibition of optically evoked postsynaptic currents in ACC layer V pyramidal neurons in drug-naïve and chronically morphine treated mice. We found that that morphine perfusion inhibited the excitatory and feedforward inhibitory pathways similarly in females but caused greater inhibition of the inhibitory pathway in males. Chronic morphine treatment robustly attenuated morphine presynaptic inhibition within the inhibitory pathway in males, but not females, and mildly attenuated presynaptic inhibition within the excitatory pathway in both sexes. These effects were not observed in MOR phosphorylation-deficient mice. This study indicates that chronic morphine treatment induces cellular tolerance to morphine within a thalamo-cortical circuit relevant to pain and opioid analgesia. Furthermore, it suggests this tolerance may be driven by MOR phosphorylation. Overall, these findings improve our understanding of how chronic opioid exposure alters cellular signaling in ways that may contribute to opioid analgesic tolerance.