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.

The ability to encode and retrieve meal-related information is critical to efficiently guide energy acquisition and consumption, yet the underlying neural processes remain elusive. Here we reveal that ventral hippocampus (HPCv) neuronal activity dynamically elevates during meal consumption and this response is highly predictive of subsequent performance in a foraging-related spatial memory task. Targeted recombination-mediated ablation of HPCv meal-responsive neurons impairs foraging-related spatial memory without influencing food motivation, anxiety-like behavior, or escape-mediated spatial memory. These HPCv meal-responsive neurons project to the lateral hypothalamic area (LHA) and single-nucleus RNA sequencing and in situ hybridization analyses indicate they are enriched in serotonin 2a receptors (5HT2aR). Either chemogenetic silencing of HPCv-to-LHA projections or intra-HPCv 5HT2aR antagonist yielded foraging-related spatial memory deficits, as well as alterations in caloric intake and the temporal sequence of spontaneous meal consumption. Collective results identify a population of HPCv neurons that dynamically respond to eating to encode meal-related memories.

Neural processing of rewarding stimuli involves several distinct regions, including the nucleus accumbens (NAc). The majority of NAc neurons are GABAergic projection neurons known as medium spiny neurons (MSNs). MSNs are broadly defined by dopamine receptor expression, but evidence suggests that a wider array of subtypes exist. To study MSN heterogeneity, we analyzed single-nucleus RNA sequencing data from the largest available rat NAc dataset. Analysis of 48,040 NAc MSN nuclei identified major populations belonging to the striosome and matrix compartments. Integration with mouse and human data indicated consistency across species and disease-relevance scoring using genome-wide association study results revealed potentially differential roles for MSN populations in substance use disorders. Additional high-resolution clustering identified 34 transcriptomically distinct subtypes of MSNs definable by a limited number of marker genes. Together, these data demonstrate the diversity of MSNs in the NAc and provide a basis for more targeted genetic manipulation of specific populations.