The long-range GABAergic input from the ventral tegmental area (VTA) to the nucleus accumbens (NAc) is relatively understudied, and therefore its role in reward processing has remained unknown. In the present study, we show, in both male and female mice, that long-range GABAergic projections from the VTA to the ventral NAc shell, but not to the dorsal NAc shell or NAc core, are engaged in reward and reinforcement behavior. We show that this GABAergic projection exclusively synapses on to cholinergic interneurons (CINs) in the ventral NAc shell, thereby serving a specialized function in modulating reinforced reward behavior through the inhibition of ventral NAc shell CINs. These findings highlight the diversity in the structural and functional topography of VTA GABAergic projections, and their neuromodulatory interactions across the dorsoventral gradient of the NAc shell. They also further our understanding of neuronal circuits that are directly implicated in neuropsychiatric conditions such as depression and addiction. Al-Hasani, Gowrishankar et al. show that long-range GABAergic projections from the ventral tegmental area to the ventral nucleus accumbens shell inhibit cholinergic activity to promote reward reinforcement.

Abstract Medial nucleus accumbens shell (mNAcSh) is a critical brain region for driving motivated behaviors. Despite this well-established role, the underlying reward processing of individual neurons, circuits and cell-types within mNAcSh remains largely unknown. Here, we leverage deep brain 2-photon calcium imaging through endoscopic lenses to record mNAcSh spiny projection neuron (SPN) ensemble responses to rewards of different preference and to reward-predictive cues across cue-reward learning. Reward responses were found to be heterogeneous and particularly differentiated based on reward preference and cell type. A large subpopulation of reward-excited enkephalinergic SPNs were found to be specifically recruited during consumption of unpreferred rewards. A major enkephalinergic efferent projection from mNAcSh to ventral pallidum (VP) was also found to be recruited to unpreferred rewards and to causally drive low positive reward preference. Enkephalin and dynorphinergic SPNs in mNAcSh distinctly represent rewards of different preference and propagate distinct signals through efferent projections to drive consummatory behavior.

Abstract Neuropeptides are ubiquitous in the nervous system. Research into neuropeptides has been limited by a lack of experimental tools that allow for the precise dissection of their complex and diverse dynamics in a circuit-specific manner. Opioid peptides modulate pain, reward and aversion and as such have high clinical relevance. To illuminate the spatiotemporal dynamics of endogenous opioid signaling in the brain, we developed a class of genetically encoded fluorescence sensors based on kappa, delta and mu opioid receptors: κLight, δLight and µLight, respectively. We characterized the pharmacological profiles of these sensors in mammalian cells and in dissociated neurons. We used κLight to identify electrical stimulation parameters that trigger endogenous opioid release and the spatiotemporal scale of dynorphin volume transmission in brain slices. Using in vivo fiber photometry in mice, we demonstrated the utility of these sensors in detecting optogenetically driven opioid release and observed differential opioid release dynamics in response to fearful and rewarding conditions.

Abstract Information is transmitted between brain regions through the release of neurotransmitters from long-range projecting axons. Understanding how the activity of such long-range connections contributes to behavior requires efficient methods for reversibly manipulating their function. Chemogenetic and optogenetic tools, acting through endogenous G-protein-coupled receptor pathways, can be used to modulate synaptic transmission, but existing tools are limited in sensitivity, spatiotemporal precision or spectral multiplexing capabilities. Here we systematically evaluated multiple bistable opsins for optogenetic applications and found that the Platynereis dumerilii ciliary opsin ( Pd CO) is an efficient, versatile, light-activated bistable G-protein-coupled receptor that can suppress synaptic transmission in mammalian neurons with high temporal precision in vivo. Pd CO has useful biophysical properties that enable spectral multiplexing with other optogenetic actuators and reporters. We demonstrate that Pd CO can be used to conduct reversible loss-of-function experiments in long-range projections of behaving animals, thereby enabling detailed synapse-specific functional circuit mapping.

Abstract Virtually all neuropsychiatric disorders display sex differences in prevalence, age of onset, and/or clinical symptomology. In sex-biased disorders, one sex is often suggested to harbor protective mechanisms, rendering them resilient to genetic and/or environmental risk factors. Here, we demonstrate sex-biased molecular, pharmacological and behavioral effects induced by the dopamine (DA) transporter (DAT) coding variant Ala559Val, previously identified in subjects diagnosed with the male-biased disorders attention-deficit/hyperactivity disorder and autism spectrum spectrum disorder. In DAT Val559 mice, we identified sex differences in response to psychostimulants, social behavior, and cognitive traits. We reveal a sex by circuit dissociation in D2-type autoreceptor (D2AR) regulation of DAT wherein D2AR-dependent DAT phosphorylation and trafficking, detectable in the male dorsal striatum, does not occur in females but rather is a property of the ventral striatum, predicting sex-specific changes in behavior. Consequently, we found that a subset of altered behaviors can be normalized using the D2R antagonist sulpiride in DAT Val559 mice. Our studies provide a cogent example of how sex shapes the behavioral trajectory of DA signaling perturbations and identify the sex-dependent, locality-selective capacity for D2AR regulation of DAT as an unrecognized determinant of this trajectory. Rather than identifying one sex as resilient, we find that sex can drive alterative behavioral patterns from shared signaling perturbations that may result in females being underreported. Our work underscores the utility of model systems to study the functional intrusions of rare genetic variation to gain insights into pathways underlying normal and perturbed trait domains associated with common neuropsychiatric conditions.

Aberrant dopamine (DA) signaling is implicated in schizophrenia, bipolar disorder (BPD), autism spectrum disorder (ASD), substance use disorder, and attention-deficit/hyperactivity disorder (ADHD). Treatment of these disorders remains inadequate. We established that the human DA transporter (DAT) coding variant (DAT Val559), identified in individuals with ADHD, ASD, or BPD, exhibits anomalous DA efflux (ADE) that is blocked by therapeutic amphetamines and methylphenidate. As the latter agents have high abuse liability, we exploited DAT Val559 knock-in mice to identify non-addictive agents that can normalize DAT Val559 functional and behavioral effects ex vivo and in vivo. Kappa opioid receptors (KORs) are expressed by DA neurons and modulate DA release and clearance, suggesting that targeting KORs might offset the effects of DAT Val559. We establish that enhanced DAT Thr53 phosphorylation and increased DAT surface trafficking associated with DAT Val559 expression are mimicked by KOR agonism of wildtype preparations and rescued by KOR antagonism of DAT Val559 ex vivo preparations. Importantly, KOR antagonism also corrected in vivo DA release and sex-dependent behavioral abnormalities. Given their low abuse liability, our studies with a construct valid model of human DA associated disorders reinforce considerations of KOR antagonism as a pharmacological strategy to treat DA associated brain disorders.

Abstract Head-fixed behavioral experiments in rodents permit unparalleled experimental control, precise measurement of behavior, and concurrent modulation and measurement of neural activity. Here we present OHRBETS (Open-Source Head-fixed Rodent Behavioral Experimental Training System; pronounced ‘Orbitz’), a low-cost, open-source ecosystem of hardware and software to flexibly pursue the neural basis of a variety of motivated behaviors. Head-fixed mice tested with OHRBETS displayed operant conditioning for caloric reward that replicates core behavioral phenotypes observed during freely moving conditions. OHRBETS also permits for optogenetic intracranial self-stimulation under positive or negative operant conditioning procedures and real-time place preference behavior, like that observed in freely moving assays. In a multi-spout brief-access consumption task, mice displayed licking as a function of concentration of sucrose, quinine, and sodium chloride, with licking modulated by homeostatic or circadian influences. Finally, to highlight the functionality of OHRBETS, we measured mesolimbic dopamine signals during the multi-spout brief-access task that display strong correlations with relative solution value and magnitude of consumption. All designs, programs, and instructions are provided freely online. This customizable ecosystem enables replicable operant and consummatory behaviors and can be incorporated with methods to perturb and record neural dynamics in vivo . Impact Statement A customizable open-source hardware and software ecosystem for conducting diverse head-fixed behavioral experiments in mice.

Abstract Endogenous neuropeptides are uniquely poised to regulate neuronal activity and behavior across multiple timescales. Traditional studies ascribing neuropeptide contributions to behavior lack spatiotemporal precision. The endogenous opioid dynorphin is highly enriched in the dorsal striatum, known to be critical for regulating goal-directed behavior. However, the locus, the precise timescale, or functional role of endogenous dyn-KOR signaling on goal-directed behavior is unknown. Here, we report that local, time-locked dynorphin release from the dorsomedial striatum is necessary and sufficient for goal-directed behavior using a suite of high resolution modern approaches including in vivo two-photon imaging, neuropeptide biosensor detection, conditional deletions and time-locked optogenetic manipulations. We discovered that glutamatergic axon terminals from the basolateral amygdala evoke striatal dynorphin release, resulting in retrograde presynaptic GPCR inhibition during behavior. Collectively, our findings isolate a causal role for endogenous neuropeptide release at rapid timescales, and subsequent GPCR activity for tuning and promoting fundamental goal-directed behaviors.