All drugs of abuse induce long-lasting changes in synaptic transmission and neural circuit function that underlie substance-use disorders

Abstract All drugs of abuse induce long-lasting changes in synaptic transmission and neural circuit function that underlie substance use disorders. Here, we demonstrate that dopaminergic neuronal activity-regulated myelin plasticity is a key modulator of dopaminergic circuit function and opioid reward. Oligodendroglial lineage cells respond to dopaminergic neuronal activity evoked by either optogenetic stimulation or by morphine administration specifically within the reward center ventral tegmental area (VTA), but not along the axonal projections in the medial forebrain bundle nor within the target nucleus accumbens (NAc). Genetic blockade of oligodendrogenesis dampens NAc dopamine release dynamics, which is critical for reward learning, and impairs behavioral conditioning to morphine. Our findings identify dopaminergic neuronal activity-regulated myelin plasticity as an important circuit modification that is required for opioid reward. One-Sentence Summary Activity-dependent myelin plasticity in the ventral tegmental area modulates dopaminergic circuit function and opioid reward

Abstract Alcohol withdrawal activates a neuronal ensemble in the central nucleus of the amygdala (CeA) that is responsible for high levels of uncontrolled alcohol drinking. However, the neuronal phenotypes and circuits controlled by these neurons are unknown. We investigated the cellular identity of this CeA neuronal ensemble and found that most neurons expressed corticotropin-releasing factor (CRF). Using Crh -Cre transgenic rats combined with in vivo optogenetics, we tested the role of CeA CRF neurons and their projections in excessive alcohol self-administration during withdrawal. Rats were injected with AAV-DIO-NpHR-eYFP or AAV-DIO-eYFP and implanted with optical fibers over the CeA. Animals were then exposed to chronic intermittent ethanol vapor to induce alcohol dependence. Inactivation of CeA CRF neurons decreased alcohol drinking in dependent rats to non-dependent levels and completely suppressed activation of the CeA neuronal ensemble (Fos + neurons) during withdrawal. No effects were observed on water or saccharin self-administration. In a second experiment, CeA CRF neurons were infected with AAV-DIO-NpHR-eYFP and optical fibers were implanted into downstream projection regions, including the bed nucleus of the stria terminalis (BNST), lateral hypothalamus (LH), parasubthalamic nucleus (pSTN), substantia innominata (SI), and parabrachial nuclei (PBN). Optogenetic inactivation of CRF terminals in the BNST reduced alcohol drinking and withdrawal signs, whereas inactivation of all other projections had no effect. These results demonstrate that CeA CRF neurons and their projections to the BNST drive excessive alcohol drinking and withdrawal in dependent rats.

The effects of context on the subjective experience of serotonergic psychedelics have not been fully examined in human neuroimaging studies, partly due to limitations of the imaging environment. Here, we administered saline or psilocybin to mice in their home cage or an enriched environment, immunofluorescently-labeled brain-wide c-Fos, and imaged cleared tissue with light sheet microscopy to examine the impact of context on psilocybin-elicited neural activity at cellular resolution. Voxel-wise analysis of c-Fos-immunofluorescence revealed differential neural activity, which we validated with c-Fos + cell density measurements. Psilocybin increased c-Fos expression in the neocortex, caudoputamen, central amygdala, and parasubthalamic nucleus and decreased c-Fos in the hypothalamus, cortical amygdala, striatum, and pallidum. Main effects of context and psilocybin-treatment were robust, widespread, and spatially distinct, whereas interactions were surprisingly sparse.

The neuromodulators dopamine (DA) and serotonin (5-hydroxytryptamine; 5HT) are powerful regulators of associative learning 1–9 . Similarities in the activity and connectivity of these neuromodulatory systems have inspired competing models of how DA and 5HT interact to drive the formation of new associations 10–13 . However, these hypotheses have yet to be tested directly because it has not been possible to precisely interrogate and manipulate multiple neuromodulatory systems in a single subject. Here, we establish a double transgenic mouse model enabling simultaneous genetic access to the brain’s DA and 5HT systems. Anterograde axon tracing revealed the nucleus accumbens (NAc) to be a putative hotspot for the integration of convergent DA and 5HT signals. Simultaneous recordings of DA and 5HT input activity in the NAc posterior medial shell revealed that DA axons are excited by rewards while 5HT axons are inhibited. Optogenetically blunting DA and 5HT reward responses simultaneously blocked learning about a reward-predictive cue. Optogenetically reproducing both DA and 5HT responses to reward, but not either one alone, was sufficient to drive the acquisition of new associations. Altogether, these results demonstrate that striatal integration of inverse DA and 5HT signals is a crucial mechanism gating associative learning.

SUMMARY Neuropeptides are contained in nearly every neuron in the central nervous system and can be released from somatodendritic sites as well as from nerve terminals. Cholecystokinin (CCK), among the most abundant neuropeptides in the brain, is expressed in the majority of midbrain dopamine neurons. Here we report that ventral tegmental area (VTA) dopamine neurons release CCK from somatodendritic regions, where it triggers long-term potentiation of GABAergic synapses. The somatodendritic release occurs with trains of action potentials or prolonged but modest depolarization and is dependent on synaptotagmin 7 and T-type Ca 2+ channels. Depolarization-induced LTP is blocked by the CCK2R antagonist, LY225910, and mimicked by exogenously added CCK. To test the behavioral role of CCK, we infused it into the mouse VTA. Ca 2+ imaging in vivo demonstrated that infused CCK reduced dopamine cell signals during fasted food consumption. Moreover, local infusion of CCK also inhibited food consumption and decreased distance traveled in an open field test. Together our experiments introduce somatodendritic neuropeptide release as a previously unknown feedback regulator of VTA dopamine cell excitability and dopamine-related behaviors.

Stressful events rapidly trigger activity-dependent synaptic plasticity in certain brain areas, driving the formation of aversive memories. However, it remains unclear how stressful experience affects plasticity mechanisms to regulate learning of appetitive events, such as intake of addictive drugs or palatable foods. Using rats, we show that two acute stress mediators, corticotropin-releasing factor (CRF) and norepinephrine (NE), enhance plasticity of NMDA receptor-mediated glutamatergic transmission in the ventral tegmental area (VTA) through their differential effects on inositol 1,4,5-triphosphate (IP3)-dependent Ca2+ signaling. In line with this, acute social defeat stress engages convergent CRF and NE signaling in the VTA to enhance learning of cocaine-paired cues. Furthermore, defeat stress enables learning of a food-paired cue with no delay between the cue onset and food delivery. We propose that acute stress mediators synergistically regulate IP3-Ca2+ signaling in the VTA to promote appetitive Pavlovian conditioning, likely enabling learning of cues with no predictive value.

ABSTRACT Ketamine has anesthetic, analgesic, and antidepressant properties which may involve multiple neuromodulatory systems. In humans, the opioid receptor (OR) antagonist naltrexone blocks the antidepressant effect of ketamine. It is unclear whether naltrexone blocks a direct effect of ketamine at ORs, or whether normal functioning of the OR system is required to realize the full antidepressant effects of treatment. In mice, the effect of ketamine on locomotion, but not analgesia or the forced swim test, was sensitive to naltrexone and was therefore used as a behavioral readout to localize the effect of naltrexone in the brain. We performed whole-brain imaging of cFos expression in ketamine-treated mice, pretreated with naltrexone or vehicle, and identified the central amygdala (CeA) as the area with greatest difference in cFos intensity. CeA neurons expressing both µOR (MOR) and PKCδ were strongly activated by naltrexone but not ketamine, and selectively interrupting MOR function in the CeA either pharmacologically or genetically blocked the locomotor effects of ketamine. These data suggest that MORs expressed in CeA neurons gate behavioral effects of ketamine but are not direct targets of ketamine.