Neurons in the basolateral amygdala projecting to canonical fear or reward circuits undergo opposing changes in synaptic strength following fear or reward conditioning, and selectively activating these projection-target-defined neural populations causes either negative or positive reinforcement, respectively. The amygdala is part of the brain important for emotional processing, handling stimuli that have either positive or negative associations — the good and the bad. Little is known about how amygdala neurons differentiate or compartmentalize these distinctions. Here, Kay Tye and colleagues identify the basolateral amygdala (BLA) as a site of divergence for circuits mediating positive and negative emotional or motivational responses. In studies in mice they find that neurons in the BLA projecting to fear or reward circuits undergo opposing changes in synaptic strength following fear or reward conditioning. Selective activation of neural populations causes, respectively, either negative or positive reinforcement. Transcriptome analysis reveals candidate genes that may mediate these functional differences. The ability to differentiate stimuli predicting positive or negative outcomes is critical for survival, and perturbations of emotional processing underlie many psychiatric disease states. Synaptic plasticity in the basolateral amygdala complex (BLA) mediates the acquisition of associative memories, both positive1,2 and negative3,4,5,6,7. Different populations of BLA neurons may encode fearful or rewarding associations8,9,10, but the identifying features of these populations and the synaptic mechanisms of differentiating positive and negative emotional valence have remained unknown. Here we show that BLA neurons projecting to the nucleus accumbens (NAc projectors) or the centromedial amygdala (CeM projectors) undergo opposing synaptic changes following fear or reward conditioning. We find that photostimulation of NAc projectors supports positive reinforcement while photostimulation of CeM projectors mediates negative reinforcement. Photoinhibition of CeM projectors impairs fear conditioning and enhances reward conditioning. We characterize these functionally distinct neuronal populations by comparing their electrophysiological, morphological and genetic features. Overall, we provide a mechanistic explanation for the representation of positive and negative associations within the amygdala.

Although the basolateral amygdala (BLA) is known to play a critical role in the formation of memories of both positive and negative valence, the coding and routing of valence-related information is poorly understood. Here, we recorded BLA neurons during the retrieval of associative memories and used optogenetic-mediated phototagging to identify populations of neurons that synapse in the nucleus accumbens (NAc), the central amygdala (CeA), or ventral hippocampus (vHPC). We found that despite heterogeneous neural responses within each population, the proportions of BLA-NAc neurons excited by reward predictive cues and of BLA-CeA neurons excited by aversion predictive cues were higher than within the entire BLA. Although the BLA-vHPC projection is known to drive behaviors of innate negative valence, these neurons did not preferentially code for learned negative valence. Together, these findings suggest that valence encoding in the BLA is at least partially mediated via divergent activity of anatomically defined neural populations.

The basolateral amygdala (BLA) mediates associative learning for both fear and reward. Accumulating evidence supports the notion that different BLA projections distinctly alter motivated behavior, including projections to the nucleus accumbens (NAc), medial aspect of the central amygdala (CeM), and ventral hippocampus (vHPC). Although there is consensus regarding the existence of distinct subsets of BLA neurons encoding positive or negative valence, controversy remains regarding the anatomical arrangement of these populations. First, we map the location of more than 1,000 neurons distributed across the BLA and recorded during a Pavlovian discrimination task. Next, we determine the location of projection-defined neurons labeled with retrograde tracers and use CLARITY to reveal the axonal path in 3-dimensional space. Finally, we examine the local influence of each projection-defined populations within the BLA. Understanding the functional and topographical organization of circuits underlying valence assignment could reveal fundamental principles about emotional processing.

Summary In the quest for food, we may expend effort and increase our vulnerability to potential threats. Motivation to seek food is dynamic, varying with homeostatic need. What mechanisms underlie these changes? Basolateral amygdala neurons projecting to the nucleus accumbens (BLA→NAc) preferentially encode positive valence, whereas those targeting the centromedial amygdala (BLA→CeM) preferentially encode negative valence. Longitudinal in vivo two-photon calcium imaging revealed that BLA→NAc neurons were more active, while BLA→CeM neurons were less active, following just 1 day of food deprivation. Photostimulating BLA→CeM neurons inhibited BLA→NAc neurons at baseline, but food deprivation rapidly converted this inhibition into facilitation, supporting a model wherein BLA→NAc excitability mediates invigorated food-seeking behavior after deprivation. Indeed, inhibiting BLA→NAc reduced motivation for a caloric reinforcer in food deprived animals. Taken together, negative valence overrides positive valence processing in satiety, but changing homeostatic needs alter reward value via a rapid shift in the balance between projection-defined populations of BLA neurons.

Abstract Rationale The basolateral amygdala (BLA) and medial geniculate nucleus of the thalamus (MGN) have both been shown to be necessary for the formation of associative learning. While the role that the BLA plays in this process has long been emphasized, the MGN has been less well-studied and surrounded by debate regarding whether the relay of sensory information is active or passive. Objectives We seek to understand the role the MGN has within the thalamoamgydala circuit in the formation of associative learning. Methods Here, we use optogenetics to dissect the MGN-BLA circuit and explore the specific subpopulations for evidence of learning and synthesis of information that could impact downstream BLA encoding. We employ various machine learning techniques to investigate function within neural subpopulations. We introduce a novel method to investigate tonic changes across trial-by-trial structure, which offers an alternative approach to traditional trial-averaging techniques. Results We find that the MGN appears to encode arousal but not valence, unlike the BLA which encodes for both. We find that the MGN and the BLA appear to react differently to expected and unexpected outcomes; the BLA biased responses toward reward prediction error and the MGN focused on anticipated punishment. We uncover evidence of tonic changes by visualizing changes across trials during inter-trial intervals (baseline epochs) for a subset of cells. Conclusion We conclude that the MGN-BLA projector population acts as both filter and transferer of information by relaying information about the salience of cues to the amygdala, but these signals are not valence-specified. Preface In tribute to Nadia Chaudhri, and her discoveries regarding how contexts can modulate the representation of cues in the amygdala (Sciascia et al., 2015), and other mesolimbic circuit components (Chaudhri et al., 2009, 2008; Valyear et al., 2020), here we explore what information processing precedes entry into the basolateral amygdala (BLA) from the thalamus and develop visualization approaches for exploring across-trial temporal dynamics in addition to within-trial population activity.

BACKGROUND: One major hallmark of alcohol use disorder (AUD) is the persistence of alcohol drinking despite negative consequences. Among the indicators of AUD vulnerability, binge drinking is a strong risk factor. Although the lifetime prevalence of binge and AUD has been historically higher in men than women, this gap dramatically narrowed in the last decade. Additionally, sex differences in AUD and binge drinking have been shown in clinical and preclinical studies, respectively. The insular cortex plays an important role in AUD, and the anterior (aIC) and posterior (pIC) divisions have dimorphic functions. However, the contributions of the aIC and pIC sections in alcohol binge drinking and alcohol persistent drinking despite aversion, as well as the sexual dimorphism of these contributions, remained to be uncovered. METHODS: First, by combining the drinking in the dark model with chemogenetics, we studied the causal role of aIC and pIC excitatory neurons in binge and persistent ethanol drinking in C57BL6/J male (n=49) and female (n=49) mice. Second, using calcium fiber photometry, we investigated pIC neuronal activity in both sexes (male n=14, female n=11) during both binge and persistent ethanol drinking. RESULTS: We identified a higher binge and persistent ethanol consumption in females compared to males. Chemogenetic inhibition of aIC glutamatergic neurons reduced bitter solutions intake independently of the solvent (ethanol or water), in both sexes. In contrast, inhibition of pIC glutamatergic neurons exclusively reduced persistent ethanol drinking in female mice. Finally, using fiber photometry recordings, we uncovered that pIC glutamatergic neuron activity was selectivity increased during ethanol persistent drinking in female mice. CONCLUSIONS: These findings suggest a sex-dependent function of the pIC in persistent ethanol drinking, providing a starting point in our understanding of the insular cortex function in the neurobiology of AUD in both sexes.