Impulsive choice is exemplified by choosing a small or poor reward that is available immediately, in preference to a larger but delayed reward. Impulsive choice contributes to drug addiction, attention-deficit/hyperactivity disorder, mania, and personality disorders, but its neuroanatomical basis is unclear. Here, we show that selective lesions of the nucleus accumbens core induce persistent impulsive choice in rats. In contrast, damage to two of its afferents, the anterior cingulate cortex and medial prefrontal cortex, had no effect on this capacity. Thus, dysfunction of the nucleus accumbens core may be a key element in the neuropathology of impulsivity.

The orbitofrontal cortex (OFC) and basolateral nucleus of the amygdala (BLA) share many reciprocal connections, and a functional interaction between these regions is important in controlling goal-directed behavior. However, their relative roles have proved hard to dissociate. Although injury to these brain regions can cause similar effects, it has been suggested that the resulting impairments arise through damage to different, yet converging, cognitive processes. Patients with OFC or amygdala lesions exhibit maladaptive decision making and aberrant social behavior often described as impulsive. Impulsive choice may be measured in both humans and rodents by evaluating intolerance to delay of reinforcement. Rats with excitotoxic lesions of the BLA and OFC were tested on such a delay-discounting procedure. Although lesions of the BLA increased choice of the small immediate reward, indicating greater impulsivity, OFC lesions had the opposite effect, increasing preference for the larger but delayed reward. The fact that the delay did not devalue the large reward to such an extent in OFC-lesioned animals supports the suggestion that the OFC is involved in updating the incentive value of outcomes in response to devaluation. In contrast, the BLA-lesioned animals markedly decreased their preference for the large reward when it was delayed, potentially because of an inability to maintain a representation of the reward in its absence. This is the first time that lesions to these two structures have produced opposite behavioral effects, indicating their distinct contributions to cognition.

Abstract The non-selective serotonin 2A (5-HT 2A ) receptor agonist lysergic acid diethylamide (LSD) holds promise as a treatment for some psychiatric disorders. Psychedelic drugs such as LSD have been suggested to have therapeutic actions through their effects on learning. The behavioural effects of LSD in humans, however, remain largely unexplored. Here we examined how LSD affects probabilistic reversal learning in healthy humans. Healthy volunteers received intravenous LSD (75μg in 10 mL saline) or placebo (10mL saline) in a within-subjects design and completed a probabilistic reversal learning task. Participants had to learn through trial and error which of three stimuli was rewarded most of the time, and these contingencies switched in a reversal phase. Computational models of reinforcement learning were fitted to the behavioural data to assess how LSD affected the updating (“learning rates”) and deployment (“reinforcement sensitivity”) of value representations during choice, as well as “stimulus stickiness”, which assays choice repetition irrespective of reinforcement history. Conventional measures assessing sensitivity to immediate feedback (“win-stay” and “lose-shift” probabilities) were unaffected, whereas LSD increased the impact of the strength of initial learning on perseveration. Computational modelling revealed that the most pronounced effect of LSD was enhancement of the reward learning rate. The punishment learning rate was also elevated. Stimulus stickiness was decreased by LSD, reflecting heightened exploratory behaviour, while reinforcement sensitivity was unaffected. Increased reinforcement learning rates suggest LSD induced a state of heightened plasticity. These results indicate a potential mechanism through which revision of maladaptive associations could occur in the clinical application of LSD. Significance statement The psychedelic (“mind-manifesting”) drug LSD holds promise for the treatment of some psychiatric disorders. Theories have postulated its therapeutic potential centres on enhancing learning and flexible thinking. Here we provide substantiating empirical evidence by examining the computations underlying behaviour as healthy volunteers learned through trial and error under LSD. Viewing choice as based on representations of an action’s value, LSD increased the speed at which value was updated following feedback, which was more pronounced following reward than punishment. Behaviour was also more exploratory under LSD, irrespective of the outcome of actions. These results indicate that LSD impacted a fundamental belief-updating process inherent in the brain which can be leveraged to revise maladaptive associations characteristic of a range of mental disorders.

Summary Impaired detection of causal relationships between actions and their outcomes can lead to maladaptive behavior. However, causal roles of specific prefrontal cortex (PFC) sub-regions and the caudate nucleus in mediating such relationships in primates are unclear. We inactivated and over-activated five PFC sub-regions, reversibly and pharmacologically: areas 24 (perigenual anterior cingulate cortex), 32 (medial PFC), 11 (anterior orbitofrontal cortex, OFC), 14 (rostral ventromedial PFC/medial OFC) and 14-25 (caudal ventromedial PFC), and the anteromedial caudate, to examine their role in expressing learned action-outcome contingencies using a contingency degradation paradigm in marmosets. Area 24 or caudate inactivation impaired the response to contingency change, while area 11 inactivation enhanced it, and inactivation of areas 14, 32 or 14-25 had no effect. Over-activation of areas 11 and 24 impaired this response. These findings demonstrate distinct roles of PFC sub-regions in goal-directed behavior and illuminate the candidate neurobehavioral substrates of psychiatric disorders including obsessive-compulsive disorder.

Abstract Serotonin is implicated in aversive processing and updating responses to changing environmental circumstances. Optimising behaviour to maximise reward and minimise punishment may require shifting strategies upon encountering new situations. Likewise, emotional reactions to threats are critical for survival yet must be modified as danger shifts from one source to another. Whilst numerous psychiatric disorders are characterised by behavioural and emotional inflexibility, few studies have examined the contribution of serotonin in humans. We modelled both processes in two independent experiments (N = 97), using instrumental and aversive Pavlovian reversal learning paradigms, respectively. Upon depleting the serotonin precursor tryptophan – in a double-blind randomised placebo-controlled design – healthy volunteers showed impairments in updating both behaviour and emotion to reflect changing contingencies. Reversal deficits in each domain, furthermore, were correlated with the extent of tryptophan depletion. These results translate findings in experimental animals to humans and have implications for the neurochemical basis of cognitive inflexibility.

The authors have withdrawn their manuscript as the results and interpretation have changed substantially following further analyses. Please do not cite this manuscript in its current form. If you have any questions, please contact the corresponding author.

Abstract Excessive drinking is an important behavioural characteristic of alcohol addiction, but not the only one. Individuals addicted to alcohol crave alcoholic beverages, spend time seeking alcohol despite negative consequences, and eventually drink to intoxication. With prolonged use, control over alcohol seeking devolves to anterior dorsolateral striatum, dopamine-dependent mechanisms implicated in habit learning and individuals in whom alcohol-seeking relies more on these mechanisms are more likely to persist in seeking alcohol despite the risk of punishment. Here, we tested the hypothesis that the development of habitual alcohol-seeking predicts the development of compulsive seeking and that, once developed, it is associated with compulsive alcohol drinking. Male alcohol-preferring rats were pre-exposed intermittently to a two-bottle choice procedure, and trained on a seeking–taking chained schedule of alcohol reinforcement until some individuals developed punishment-resistant seeking behaviour. The associative basis of their seeking responses was probed with an outcome-devaluation procedure, early or late in training. After seeking behaviour was well established, subjects that had developed greater resistance to outcome-devaluation (were more habitual) were more likely to show punishment-resistant (compulsive) alcohol seeking. These individuals also drank more alcohol, despite quinine adulteration, even though having similar alcohol preference and intake before and during instrumental training. They were also less sensitive to changes in the contingency between seeking responses and alcohol outcome, providing further evidence of recruitment of the habit system. We therefore provide direct behavioural evidence that compulsive alcohol seeking emerges alongside compulsive drinking in individuals that have preferentially engaged the habit system.

Abstract Background Interest in modifiable risk factors (MRFs) for dementia is high, given the personal, social, and economic impact of the disorder, especially in ageing societies such as the United Kingdom. Exploring the population attributable fraction (PAF) of dementia attributable to MRFs and how this may have changed over time remains unclear. Unravelling the temporal dynamics of MRFs is crucial for informing the development of evidence-based and effective public health policies. This investigation examined the temporal trajectories of MRFs for dementia in England. Methods We used data from the English Longitudinal Study of Ageing, a panel study over eight waves collected between 2004 and 2019 (76,904 interviews in total). We calculated the PAFs for twelve MRFs (including six early- to mid-life factors and six late-life factors), as recommended by the Lancet Commission, and the individual weighted PAFs (IW-PAFs) for each risk factor. Temporal trends were analysed to understand the changes in the overall PAF and IW-PAF over the study period. Subgroup analyses were conducted by sex and socioeconomic status (SES). Results The overall PAF for dementia MRFs changed from 46.73% in 2004/2005 to 36.79% in 2018/2019, though this trend was not statistically significant. During 2004–2019, hypertension, with an average IW-PAF of 8.21%, was the primary modifiable determinant of dementia, followed by obesity (6.16%), social isolation (5.61%), hearing loss (4.81%), depression (4.72%), low education (4.63%), physical inactivity (3.26%), diabetes mellitus (2.49%), smoking (2.0%), excessive alcohol consumption (1.16%), air pollution (0.42%), and traumatic brain injury (TBI) (0.26%). During 2004–2019, only IW-PAFs of low education, social isolation, and smoking showed significant decreasing trends, while IW-PAFs of other factors either did not change significantly or increased (including TBI, diabetes mellitus, and air pollution). Upon sex-specific disaggregation, a higher overall PAF for MRFs was found among women, predominantly associated with later-life risk factors, most notably social isolation, depression, and physical inactivity. Additionally, hearing loss, classified as an early- to mid-life factor, played a supplementary role in the identified sex disparity. A comparable discrepancy was evident upon PAF evaluation by SES, with lower income groups experiencing a higher dementia risk, largely tied to later-life factors such as social isolation, physical inactivity, depression, and smoking. Early- to mid-life factors, in particular, low education and obesity, were also observed to contribute to the SES-associated divergence in dementia risk. Temporal PAF and IW-PAF trends, stratified by sex and SES, revealed that MRF PAF gaps across sex or SES categories have persisted or increased. Conclusions In England, there was little change over time in the proportion of dementia attributable to known modifiable risk factors. The observed trends underscore the continuing relevance of these risk factors and the need for targeted public health strategies to address them.

Serotonin is involved in a wide range of mental capacities essential for navigating the social world, including emotion and impulse control. Much recent work on serotonin and social functioning has focused on decision-making. Here we investigated the influence of serotonin on human emotional reactions to social conflict. We used a novel computerised task that required mentally simulating social situations involving unjust harm and found that depleting the serotonin precursor tryptophan -- in a double-blind randomised placebo-controlled design -- enhanced emotional responses to the scenarios in a large sample of healthy volunteers (n = 73), and interacted with individual differences in trait personality to produce distinctive human emotions. Whereas guilt was preferentially elevated in highly empathic participants, annoyance was potentiated in those high in trait psychopathy, with medium to large effect sizes. Our findings show how individual differences in personality, when combined with fluctuations of serotonin, may produce diverse emotional phenotypes. This has implications for understanding vulnerability to psychopathology, determining who may be more sensitive to serotonin-modulating treatments, and casts new light on the functions of serotonin in emotional processing.### Competing Interest StatementT.W.R. discloses consultancy with Cambridge Cognition, Greenfields Bioventures and Unilever; he receives research grants from Shionogi & Co and GlaxoSmithKline and royalties for CANTAB from Cambridge Cognition and editorial honoraria from Springer Verlag and Elsevier. B.J.S discloses consultancy with Cambridge Cognition, Greenfield BioVentures, and Cassava Sciences, and receives royalties for CANTAB from Cambridge Cognition. R.N.C. consults for Campden Instruments and receives royalties from Cambridge Enterprise, Routledge, and Cambridge University Press. J.W.K., F.E.A., R.Y, D.M.C., A.M.A-S., and A.P. declare no conflicts of interest.

Abstract Serotonin is critical for adapting behavior flexibly to meet changing environmental demands. Cognitive flexibility is important both for successful attainment of goals, as well as for social interactions, and is frequently impaired in neuropsychiatric disorders, including obsessive-compulsive disorder (OCD). However, a unifying mechanistic framework accounting for the role of serotonin in behavioral flexibility has remained elusive. Here, we demonstrate common effects of manipulating serotonin function across two species (rats and humans) on latent processes supporting choice behavior during probabilistic reversal learning using computational modelling. The findings support a role of serotonin in behavioral flexibility and plasticity, indicated, respectively, by increases or decreases in choice repetition (‘stickiness’) or reinforcement learning rates depending upon manipulations intended to increase or decrease serotonin function. More specifically, the rate at which expected value increased following reward and decreased following punishment (reward and punishment ‘learning rates’) was greatest after sub-chronic administration of the selective serotonin reuptake (SSRI) citalopram (5 mg/kg for 7 days followed by 10 mg/kg twice a day for 5 days) in rats. Conversely, humans given a single dose of an SSRI (20mg escitalopram), which can decrease post-synaptic serotonin signalling, and rats that received the neurotoxin 5,7-dihydroxytryptamine (5,7-DHT), which destroys forebrain serotonergic neurons, exhibited decreased reward learning rates. A basic perseverative tendency (‘stickiness’), or choice repetition irrespective of the outcome produced, was likewise increased in rats after the 12-day SSRI regimen and decreased after single dose SSRI in humans and 5,7-DHT in rats. These common effects of serotonergic manipulations on rats and humans – identified via computational modelling – suggest an evolutionarily conserved role for serotonin in plasticity and behavioral flexibility and have clinical relevance transdiagnostically for neuropsychiatric disorders.