Summary Glucose is the mandatory fuel for the brain, yet the relative contribution of glucose and lactate for neuronal energy metabolism is unclear. We found that increased lactate, but not glucose concentration, enhances the spiking activity of neurons of the cerebral cortex. Enhanced spiking was dependent on ATP-sensitive potassium (K ATP ) channels formed with Kir6.2 and SUR1 subunits, which we show are functionally expressed in most neocortical neuronal types. We also demonstrate the ability of cortical neurons to take-up and metabolize lactate. We further reveal that ATP is produced by cortical neurons largely via oxidative phosphorylation and only modestly by glycolysis. Our data demonstrate that in active neurons, lactate is preferred to glucose as an energy substrate, and that lactate metabolism shapes neuronal activity in the neocortex through K ATP channels. Our results highlight the importance of metabolic crosstalk between neurons and astrocytes for brain function. Highlights Most cortical neurons subtypes express pancreatic beta-cell like K ATP channels. Lactate enhances spiking activity via its uptake and closure of K ATP channels. Cortical neurons take up and oxidize lactate. Cortical neurons produce ATP mainly by oxidative phosphorylation.

Dopamine neurons from the Ventral Tegmental Area (VTA) switch from tonic to phasic burst firing in response to reward-predictive cues and actions. Bursting is influenced by nicotinic acetylcholine receptors (nAChRs), which are not implicated in reinforcement learning, but rather in exploration and uncertainty-seeking. The leading model assigns these functions to tonic dopamine firing. To investigate this paradox, we recorded the activity of VTA dopamine neurons during a spatial decision-making task. When reward was certain, mice adopted a stereotyped behavior, and dopamine neurons signaled reward. When confronted with uncertain rewards or a novel environment, mice exhibited exploration. Modulation of phasic, but not tonic, dopamine activity predicted uncertainty-seeking and locomotor exploration. Deletion of nAChRs disrupted the influence of uncertainty and novelty on dopamine firing and behavior, sparing reward signaling and learning. Hence, nAChR modulation of dopamine neurons can influence cognitive functions on a short timescale, through the modulation of phasic, synchronous bursting.

Individuality is a ubiquitous and well-conserved feature among animal species. The behavioral patterns of individual animals affect their respective role in the ecosystem and their prospects for survival. Even though some of the factors shaping individuality have been identified, the mechanisms underlying individuation are poorly understood and are generally considered to be genetics-based. Here we devised a large environment where mice live continuously, and observed that individuality, measured by both social and individual traits, emerged and settled within the group. Midbrain dopamine neurons underwent neurophysiological adaptations that mirrored this phenotypic divergence in individual behaviors. Strikingly, modifying the social environment resulted in a fast re-adaptation of both the animal's personality and its dopaminergic signature. These results indicate that individuality can rapidly evolve upon social challenges, and does not just depend on the genetic or epigenetic initial status of the animal.

Dopamine (DA) neurons of the ventral tegmental area (VTA) integrate cholinergic inputs to regulate key functions such as motivation and goal-directed behaviors. Yet the temporal dynamic range and mechanism of action of acetylcholine (ACh) on the modulation of VTA circuits and reward-related behaviors are not known. Here we used a chemical-genetic approach for rapid and precise optical manipulation of nicotinic neurotransmission in VTA neurons in vivo. We provide direct evidence that the ACh tone fine-tunes the firing properties of VTA DA neurons through somatic β2-containing (β2*) nicotinic ACh receptors (nAChRs). Furthermore, locally photo-antagonizing these receptors in the VTA was sufficient to reversibly switch nicotine reinforcement on and off. By enabling control of nicotinic transmission in targeted brain circuits, this technology will help unravel the various physiological functions of nAChRs and may assist in the design of novel therapies relevant to neuropsychiatric disorders.

ABSTRACT Striatum constitutes one of the key nodes of the decision-making circuit, with differing roles depending on the striatal localization and both direct and indirect pathway Striatal Projecting Neurons (d- and i-SPNs) populations. In a gambling task adapted to mice, we leveraged a computational characterization of the diversity in cognitive profiles to delve further into the striatal roles in decision-making. Individual decision-making profiles could be described as a combination between archetypal strategies (Optimizers, Risk-averse, Explorers). Such strategies reflected stable differences in the parameters generating decisions (sensitivity to reward magnitude, to risk or to punishment) derived from a reinforcement-learning fit of animal choices. Using a chemogenetic method, we found that dorsomedial striatum (DMS) neurons had the most significant impact on decision-making, while Nucleus accumbens (NAc) had a minor effect and dorsolateral striatum (DLS) had none. Specifically, d- SPNs reduce risk aversion by enhancing the perceived value of a risky choice in mice. On the other hand, i-SPNs amplified the importance of large gains, exerting opposite effects on mice depending on their decision-making profiles. Hence, we propose that striatal manipulations exert profile- dependent effects on choices because striatal subpopulations affect distinct parameters that interact to generate decisions.

Summary Goal-directed choices that are not triggered by external cues arise from internal representations of the outcomes. The use of a stimulus to specify when to act, which option to take, or whether to explore, has led to consider the reward circuit as a feedforward set of modules carrying independent computations. Here, we develop an uncued task in which mice self-determine the initiation, direction, vigor and pace of their actions based on their knowledge of the outcomes. Using electrophysiological recordings, pharmacology and optogenetics, we identify a sequence of oscillations and firing in the ventral tegmental area (VTA), orbitofrontal (OFC) and prefrontal cortices (PFC) that co-encodes and co-determines self-initiation and choices. This sequence appeared with learning as an unguided realignment of spontaneous dynamics. The interactions between the structures depended on the reward context, in particular regarding the uncertainty associated with the different options. We suggest that self-generated choices arise from a distributed circuit based on an OFC-VTA core setting whether to wait or to initiate actions, while the PFC is specifically engaged by reward uncertainty to participate in both the selection and pace of actions. Highlights Self-paced actions arise from contextual reorganization of mesocortical dynamics. VTA, PFC and OFC complementarily encode predictions and errors about outcomes. Distributed firing-then-oscillations dynamics set the goal, initiation and pace of actions. VTA and PFC antagonistically promote and inhibit motivation by reward uncertainty.

ABSTRACT Phasic variations in dopamine levels are interpreted as a teaching signal reinforcing rewarded behaviors. However, behavior also depends on the online, neuromodulatory effect of phasic dopamine signaling. Here, we unravel a new neurodynamical principle that reconciles these roles. In a biophysical recurrent network-based decision architecture, we showed that dopamine-mediated synaptic plasticity stabilized neural assemblies representing rewarded locations as latent, local attractors. Dopamine-modulated synaptic excitability activated these attractors online, and they became accessible as internal goals, even from remote animal positions. We experimentally validated these predictions in mice, using optogenetics, by demonstrating that online dopamine signaling specifically attracts animals toward rewarded locations, without off-target motor effects. We therefore propose that online dopamine signaling reveals potential goals by widening and deepening the basin of dopamine-built attractors representing rewards.

Abstract Neural trajectories constitute propagating sequences of activity that are essential to cognitive representations. Understanding how neural trajectories overcome the disorganizing influence of neural noise in the awake state remains challenging. Theoretical and artificial network models have focused on optimizing the synaptic pathways underlying trajectory propagation. However, in a biophysical network with synaptic plasticity, solely altering synaptic connectivity induces a tight tradeoff between spurious trajectory interruptions and inductions by noise. Formal analysis predicts that separating the inhibitory fluctuations-driven spontaneous activity from the excitatory-driven trajectory propagation is key to reliable triggering and propagation. Amongst biophysical solutions, calcium-activated suprathreshold intrinsic conductances provided the best trajectory reliability by mitigating the reliance of propagation on connectivity. These mechanisms display parametric robustness and generalize to a variety of static and dynamic attractors with uni- and bidirectional propagation. Thus, we provide a unified framework for cognitive-associated neural trajectories robust to neural noise in the awake state.

Classical Conditioning is a fundamental learning mechanism where the Ventral Striatum is generally thought to be the source of inhibition to Ventral Tegmental Area (VTA) Dopamine neurons when a reward is expected. However, recent evidences point to a new candidate in VTA GABA encoding expectation for computing the reward prediction error in the VTA. In this system-level computational model, the VTA GABA signal is hypothesised to be a combination of magnitude and timing computed in the Peduncolopontine and Ventral Striatum respectively. This dissociation enables the model to explain recent results wherein Ventral Striatum lesions affected the temporal expectation of the reward but the magnitude of the reward was intact. This model also exhibits other features in classical conditioning namely, progressively decreasing firing for early rewards closer to the actual reward, twin peaks of VTA dopamine during training and cancellation of US dopamine after training.

Summary Long-term exposure to nicotine alters brain circuits and induces profound changes in decision-making strategies, affecting behaviors both related and unrelated to drug seeking and consumption. Using an intracranial self-stimulation reward-based foraging task, we investigated the impact of chronic nicotine on the trade-off between exploitation and exploration, and the role of ventral tegmental area (VTA) dopamine (DA) neuron activity in decision-making unrelated to nicotine-seeking. Model-based and archetypal analysis revealed a substantial inter-individual variability in decision-making strategies, with mice passively exposed to chronic nicotine visiting more frequently options associated with higher reward probability and therefore shifting toward a more exploitative profile compared to non-exposed animals. We then mimicked the effect of chronic nicotine on the tonic activity of VTA DA neurons using optogenetics, and found that photo-stimulated mice had a behavioral phenotype very close to that of mice exposed to nicotine, suggesting that the dopaminergic control of the exploration/exploitation balance is altered under nicotine exposure. Our results thus reveal a key role of tonic midbrain DA in the exploration/exploitation trade-off and highlight a potential mechanism by which nicotine affects decision-making.