Ventral tegmental area (VTA) dopamine neurons in the brain's reward circuit have a crucial role in mediating stress responses, including determining susceptibility versus resilience to social-stress-induced behavioural abnormalities. VTA dopamine neurons show two in vivo patterns of firing: low frequency tonic firing and high frequency phasic firing. Phasic firing of the neurons, which is well known to encode reward signals, is upregulated by repeated social-defeat stress, a highly validated mouse model of depression. Surprisingly, this pathophysiological effect is seen in susceptible mice only, with no apparent change in firing rate in resilient individuals. However, direct evidence--in real time--linking dopamine neuron phasic firing in promoting the susceptible (depression-like) phenotype is lacking. Here we took advantage of the temporal precision and cell-type and projection-pathway specificity of optogenetics to show that enhanced phasic firing of these neurons mediates susceptibility to social-defeat stress in freely behaving mice. We show that optogenetic induction of phasic, but not tonic, firing in VTA dopamine neurons of mice undergoing a subthreshold social-defeat paradigm rapidly induced a susceptible phenotype as measured by social avoidance and decreased sucrose preference. Optogenetic phasic stimulation of these neurons also quickly induced a susceptible phenotype in previously resilient mice that had been subjected to repeated social-defeat stress. Furthermore, we show differences in projection-pathway specificity in promoting stress susceptibility: phasic activation of VTA neurons projecting to the nucleus accumbens (NAc), but not to the medial prefrontal cortex (mPFC), induced susceptibility to social-defeat stress. Conversely, optogenetic inhibition of the VTA-NAc projection induced resilience, whereas inhibition of the VTA-mPFC projection promoted susceptibility. Overall, these studies reveal novel firing-pattern- and neural-circuit-specific mechanisms of depression.

Resilient Hyperpolarization Despite constant exposure to all sorts of stressors, most people are resilient and do not develop depression, but we do not understand the neurophysiological underpinnings of stress resilience. Friedman et al. (p. 313 ) studied this phenomenon in a mouse model of social-defeat stress depression. In the mice they found that, despite apparently pathological levels of hyperpolarization and elevated potassium channel currents in the ventral tegmental area (a structure known to be involved in depression), resilient mice showed normal activity in dopaminergic neurons. Thus, if “depressed” mice were experimentally provoked into hyperpolarization—unexpectedly, they completely reversed depression-related behaviors.

Although both males and females become addicted to cocaine, females transition to addiction faster and experience greater difficulties remaining abstinent. We demonstrate an oestrous cycle-dependent mechanism controlling increased cocaine reward in females. During oestrus, ventral tegmental area (VTA) dopamine neuron activity is enhanced and drives post translational modifications at the dopamine transporter (DAT) to increase the ability of cocaine to inhibit its function, an effect mediated by estradiol. Female mice conditioned to associate cocaine with contextual cues during oestrus have enhanced mesolimbic responses to these cues in the absence of drug. Using chemogenetic approaches, we increase VTA activity to mechanistically link oestrous cycle-dependent enhancement of VTA firing to enhanced cocaine affinity at DAT and subsequent reward processing. These data have implications for sexual dimorphism in addiction vulnerability and define a mechanism by which cellular activity results in protein alterations that contribute to dysfunctional learning and reward processing.

High-throughput volumetric fluorescent microscopy pipelines can spatially integrate whole-brain structure and function at the foundational level of single cells. However, conventional fluorescent protein (FP) modifications used to discriminate single cells possess limited efficacy or are detrimental to cellular health. Here, we introduce a synthetic and nondeleterious nuclear localization signal (NLS) tag strategy, called "Arginine-rich NLS" (ArgiNLS), that optimizes genetic labeling and downstream image segmentation of single cells by restricting FP localization near-exclusively in the nucleus through a poly-arginine mechanism. A single N-terminal ArgiNLS tag provides modular nuclear restriction consistently across spectrally separate FP variants. ArgiNLS performance in vivo displays functional conservation across major cortical cell classes and in response to both local and systemic brain-wide AAV administration. Crucially, the high signal-to-noise ratio afforded by ArgiNLS enhances machine learning-automated segmentation of single cells due to rapid classifier training and enrichment of labeled cell detection within 2D brain sections or 3D volumetric whole-brain image datasets, derived from both staining-amplified and native signal. This genetic strategy provides a simple and flexible basis for precise image segmentation of genetically labeled single cells at scale and paired with behavioral procedures.

Abstract Despite the widely known role of dopamine in reinforcement learning, how the patterns of dopamine release that are critical to the acquisition, performance, and extinction of conditioned responses are generated is poorly resolved. Here, we demonstrate that the coordinated actions of two ion channels, Kv4.3 and BKCa1.1, control the pattern of dopamine neuron firing and dopamine release on different time scales to regulate separate phases of reinforced behavior in mice. Inactivation of Kv4.3 in VTA dopamine neurons increases ex vivo pacemaker activity and excitability that is associated with increased in vivo ramping dynamics prior to lever press in a learned instrumental response paradigm. Loss of Kv4.3 enhances performance of the learned response and facilitates extinction. In contrast, loss of BKCa1.1 increases burst firing and phasic dopamine release that enhances learning of an instrumental response. Inactivation of BKCa1.1 enhances extinction burst lever pressing in early extinction training that is associated with increased reward prediction error signals. These data demonstrate that temporally distinct patterns of dopamine release are governed by the intrinsic regulators of the cell to shape behavior. Teaser We show that ion channels in midbrain dopamine neurons are critical for patterning action potential firing at the cell body and governing neurotransmitter release to regulate reinforcement learning.

ABSTRACT The axonal guidance cue netrin-1 serves a critical role in neural circuit development by promoting growth cone motility, axonal branching, and synaptogenesis. Within the adult mouse brain, expression of the gene encoding netrin-1 ( Ntn1) is highly enriched in the ventral midbrain where it is expressed in both GABAergic and dopaminergic neurons, but its function in these cell types in the adult system remains largely unknown. To address this, we performed viral-mediated, cell-type specific CRISPR-Cas9 mutagenesis of Ntn1 in the ventral tegmental area (VTA) of adult mice. Ntn1 loss-of-function in either cell type resulted in a significant reduction in excitatory postsynaptic connectivity. In dopamine neurons, reduced excitatory tone had a minimal phenotypic behavioral outcome; however, reduced glutamatergic tone on VTA GABA neurons induced behaviors associated with a hyperdopaminergic phenotype. Loss of Ntn1 function in both cell types simultaneously largely rescued the phenotype observed in the GABA-only mutagenesis. These findings demonstrate an important role for netrin-1 in maintaining excitatory connectivity in the adult midbrain and that a balance in this connectivity within two of the major cell types of the VTA is critical for the proper functioning of the mesolimbic system.

High-throughput volumetric fluorescent microscopy pipelines can spatially integrate whole-brain structure and function at the foundational level of single-cells. However, conventional fluorescent protein (FP) modifications used to discriminate single-cells possess limited efficacy or are detrimental to cellular health. Here, we introduce a synthetic and non-deleterious nuclear localization signal (NLS) tag strategy, called "Arginine-rich NLS" (ArgiNLS), that optimizes genetic labeling and downstream image segmentation of single-cells by restricting FP localization near-exclusively in the nucleus through a poly-arginine mechanism. A single N-terminal ArgiNLS tag provides modular nuclear restriction consistently across spectrally separate FP variants. ArgiNLS performance in vivo displays functional conservation across major cortical cell classes, and in response to both local and systemic brain wide AAV administration. Crucially, the high signal-to-noise ratio afforded by ArgiNLS enhances ML-automated segmentation of single-cells due to rapid classifier training and enrichment of labeled cell detection within 2D brain sections or 3D volumetric whole-brain image datasets, derived from both staining-amplified and native signal. This genetic strategy provides a simple and flexible basis for precise image segmentation of genetically labeled single-cells at scale and paired with behavioral procedures.

Abstract Ventral tegmental area (VTA) dopamine neurons regulate reward-related associative learning and reward-driven motivated behaviors, but how these processes are coordinated by distinct VTA neuronal subpopulations remains unresolved. Here we examine the neural correlates of reward-related prediction-error, action, cue, and outcome encoding as well as effort exertion and reward anticipation during reward-seeking behaviors. We compare the contribution of two primarily dopaminergic and largely non-overlapping VTA subpopulations, all VTA dopamine neurons, and VTA GABAergic neurons of the mouse midbrain to these processes. The dopamine subpopulation that projects to the nucleus accumbens (NAc) core preferentially encodes prediction-error and reward-predictive cues. In contrast, the dopamine subpopulation that projects to the NAc shell preferentially encodes goal-directed actions and reflects relative reward anticipation. VTA GABA neuron activity strongly contrasts VTA dopamine population activity and preferentially encodes reward outcome and retrieval. Electrophysiology, targeted optogenetics, and whole-brain input mapping reveal heterogeneity among VTA dopamine subpopulations. Our results demonstrate that VTA subpopulations carry distinct reward-related learning and motivation signals and reveal a striking pattern of functional heterogeneity among projection-defined VTA dopamine neuron populations.

Abstract Arcuate nucleus Neuropeptide Y/Agouti-related peptide (NPY/AgRP) neurons drive ingestive behavior in response to the internal and external environment of an organism. NPY/AgRP neurons are adjacent to the median eminence, a circumventricular organ, and circulating metabolic factors and hormones communicate the energy state of the animal via these neurons by altering the excitability of NPY/AgRP neurons, which produces an appropriate change in behavior to maintain homeostasis. One example of this plasticity is seen in the M-current, a subthreshold, non-inactivating K + current that acts to modulate excitability. Fasting decreases while estradiol increases the M-current through regulation of subunit mRNA expression of Kcnq 2, 3, & 5 . KCNQ2/3 heteromers are thought to mediate the majority of the M-current. Here we used a recently developed single adeno-associated viral (AAV) vector containing a recombinase-dependent Staphylococcus aureus Cas9 (SaCas9) and a single guide RNA against Kcnq3 to selectively delete Kcnq3 in NPY/AgRP neurons to produce a loss of function in the M-current. We found that this virus was effective at knocking down Kcnq3 but not Kcnq2 expression. With the reduced KCNQ3 channel expression NPY/AgRP neurons were more depolarized, exhibited a higher input resistance, and the rheobase current needed to induce firing was significantly reduced, indicative of increased excitability. Although the resulting decrease in the M-current did not overtly alter ingestive behavior, it did significantly reduce the locomotor activity as measured in open field testing. Therefore, the SaCas9-sgKcnq3 is efficient to knock down Kcnq3 expression thereby reducing the M-current and increasing the excitability of NPY/AgRP neurons.