Abstract Mu-opioid peptide receptor (MOPR) stimulation alters respiration, analgesia, and reward behavior, and can induce addiction and drug overdose. Despite its evident importance, the endogenous mechanisms for MOPR regulation of appetitive behavior have remained unknown. Here we report that endogenous MOPR regulation of appetitive behavior in mice acts through a specific dorsal raphe to nucleus accumbens projection. MOPR-mediated inhibition of raphe terminals is necessary and sufficient to determine appetitive behavioral state while select enkephalin-containing NAc ensembles are engaged prior to reward consumption, suggesting that local enkephalin release is the source of endogenous MOPR ligand. Selective modulation of NAc enkephalin neurons and CRISPR-Cas9-mediated disruption of enkephalin substantiate this finding. These results isolate a fundamental endogenous opioid circuit for state-dependent appetitive behavior and suggest alternative mechanisms for opiate modulation of reward.

Abstract The basolateral amygdala (BLA) is essential for assigning positive or negative valence to sensory stimuli. Noxious stimuli that cause pain are encoded by an ensemble of noci ceptive BLA projection neurons (BLA noci ensemble). However, the role of the BLA noci ensemble in mediating behavior changes and the molecular signatures and downstream targets distinguishing this ensemble remain poorly understood. Here, we show that the same BLA noci ensemble neurons are required for both acute and chronic neuropathic pain behavior. Using single nucleus RNA-sequencing, we characterized the effect of acute and chronic pain on the BLA and identified enrichment for genes with known functions in axonal and synaptic organization and pain perception. We thus examined the brain-wide targets of the BLA noci ensemble and uncovered a previously undescribed noci ceptive hotspot of the nucleus accumbens shell (NAcSh) that mirrors the stability and specificity of the BLA noci ensemble and is recruited in chronic pain. Notably, BLA noci ensemble axons transmit acute and neuropathic noci ceptive information to the NAcSh, highlighting this noci ceptive amygdala-striatal circuit as a unique pathway for affective-motivational responses across pain states.

The anterior cingulate cortex plays a pivotal role in the cognitive and affective aspects of pain perception. Both endogenous and exogenous opioid signaling within the cingulate mitigate cortical nociception, reducing pain unpleasantness. However, the specific functional and molecular identities of cells mediating opioid analgesia in the cingulate remain elusive. Given the complexity of pain as a sensory and emotional experience, and the richness of ethological pain-related behaviors, we developed a standardized, deep-learning platform for deconstructing the behavior dynamics associated with the affective component of pain in mice, LUPE (Light aUtomated Pain Evaluator). LUPE removes human bias in behavior quantification and accelerated analysis from weeks to hours, which we leveraged to discover that morphine altered attentional and motivational pain behaviors akin to affective analgesia in humans. Through activity-dependent genetics and single-nuclei RNA sequencing, we identified specific ensembles of nociceptive cingulate neuron-types ex-pressing mu-opioid receptors. Tuning receptor expression in these cells bidirectionally modulated morphine analgesia. Moreover, we employed a synthetic opioid receptor promoter-driven approach for cell-type specific optical and chemical genetic viral therapies to mimic morphine's pain-relieving effects in the cingulate, without reinforcement. This approach offers a novel strategy for precision pain management by targeting a key nociceptive cortical circuit with on-demand, non-addictive, and effective analgesia.