Microglia, the brain’s resident macrophages, help to regulate brain function by removing dying neurons, pruning non-functional synapses, and producing ligands that support neuronal survival1. Here we show that microglia are also critical modulators of neuronal activity and associated behavioural responses in mice. Microglia respond to neuronal activation by suppressing neuronal activity, and ablation of microglia amplifies and synchronizes the activity of neurons, leading to seizures. Suppression of neuronal activation by microglia occurs in a highly region-specific fashion and depends on the ability of microglia to sense and catabolize extracellular ATP, which is released upon neuronal activation by neurons and astrocytes. ATP triggers the recruitment of microglial protrusions and is converted by the microglial ATP/ADP hydrolysing ectoenzyme CD39 into AMP; AMP is then converted into adenosine by CD73, which is expressed on microglia as well as other brain cells. Microglial sensing of ATP, the ensuing microglia-dependent production of adenosine, and the adenosine-mediated suppression of neuronal responses via the adenosine receptor A1R are essential for the regulation of neuronal activity and animal behaviour. Our findings suggest that this microglia-driven negative feedback mechanism operates similarly to inhibitory neurons and is essential for protecting the brain from excessive activation in health and disease. Microglia, the brain’s immune cells, suppress neuronal activity in response to synaptic ATP release and alter behavioural responses in mice.

A large body of work has aimed to define the precise information encoded by dopaminergic projections innervating the nucleus accumbens (NAc). Prevailing models are based on reward prediction error (RPE) theory, in which dopamine updates associations between rewards and predictive cues by encoding perceived errors between predictions and outcomes. However, RPE cannot describe multiple phenomena to which dopamine is inextricably linked, such as behavior driven by aversive and neutral stimuli. We combined a series of behavioral tasks with direct, subsecond dopamine monitoring in the NAc of mice, machine learning, computational modeling, and optogenetic manipulations to describe behavior and related dopamine release patterns across multiple contingencies reinforced by differentially valenced outcomes. We show that dopamine release only conforms to RPE predictions in a subset of learning scenarios but fits valence-independent perceived saliency encoding across conditions. Here, we provide an extended, comprehensive framework for accumbal dopamine release in behavioral control.

Abstract Background The inability to predict when aversive stimuli will and will not occur in is a hallmark of anxiety and stress disorders. Dopamine release in the nucleus accumbens (NAc) is sufficient and necessary for aversive learning and has been linked to both anxiety and stress disorder symptomatology. Thus, understanding how dopamine controls associative learning in response to aversive stimuli is critical to understanding the role of dopamine in behavior in health and disease. Methods Using an optical dopamine sensor combined with in-vivo fiber photometry in the NAc core of male and female C57BL/6J mice (N=38), we recorded dopamine responses to expected and omitted aversive outcomes during learning. We derived predictions from a theory-driven model of associative learning (Kutlu-Calipari-Schmajuk, KCS model) and tested the causality of these predictions using optogenetics. Results Dopamine release was evoked by the predicted omission of aversive stimuli in a fashion that cannot be explained by dopamine as a reward-based prediction signal. The magnitude of the dopamine response during omissions scaled with predictions about the probability of their occurrence; however, dopamine did not track the associative value of predictive cues. Finally, we showed that the observed effects are causal to learned behavior and can only be explained by dopamine signaling the perceived saliency of predicted aversive events. Conclusions We elucidate the role of NAc core dopamine signaling in aversive learning in a theory-based and stimulus-specific fashion and offer potential avenues for understanding the neural mechanisms involved in anxiety and stress disorders.

Substance use disorder is a behavioral disorder characterized by volitional drug consumption, compulsive behavior, drug seeking, and relapse. Mouse models of substance use disorder allow for the use of molecular, genetic, and circuit level tools, which provide enormous potential for defining the underlying mechanisms of this disorder. However, the relevance of results depends entirely on the validity of the mouse models used. Self-administration models have long been considered the gold standard of preclinical addiction models, as they allow for volitional drug use, this providing strong face validity. In a series of experiments, we show that traditional mouse models of self-administration, where behavior is maintained on a fixed-ratio one schedule of reinforcement, show similar levels of responding in the presence and absence of drug delivery - demonstrating that it is impossible to determine when intake is and is not volitional. Further, when assessing inclusion criteria, we find a sex-bias in exclusion criteria where females that acquired food self-administration were eliminated when traditional criteria were applied. To address these issues, we have developed a novel mouse self-administration procedure where animals do not need to be pre-trained on food and behavior is maintained on a variable ratio schedule of reinforcement. This procedure increases rates of reinforcement behavior, increases levels of drug intake, and eliminates sex bias in inclusion criteria. Together, these data highlight a major issue with fixed-ratio models in mice that complicates subsequent analysis and provide a simple and novel approach to minimize these confounds with escalating variable-ratio schedules of reinforcement.

Abstract The medial prefrontal cortex (mPFC) is part of the mesocorticolimbic reward circuitry and integrates information about both salience and valence of stimuli, including drugs and alcohol. While the mPFC has been implicated in regulating aspects of alcohol seeking and consumption, our understanding of how cortical outputs encode motivation to consume is still limited. Here we used fiber photometry to measure calcium activity in putative pyramidal glutamatergic projection neurons in the prelimbic (PrL) mPFC in response to consumption of solutions with varying reinforcing value, i.e., water (nondeprived), ethanol (20% v/v) or sucrose (1% w/v). A similar but distinct pattern of activity emerged across the three solutions during the peri-consummatory phase, such that PrL calcium activity ramped immediately preceding bouts for water, ethanol and sucrose, and scaled with presumed reinforcing value, i.e., water<ethanol<sucrose. Thus, PrL neurons modulate their activity in response to anticipation of drinking bouts, and the population GCaMP6f signal appears to track the hedonic value of different drinking solutions. Further, machine learning of population activity of PrL neurons in anticipation of fluid consumption was sufficient to predict both fluid consumption and distinguish between type of reinforcer consumed. To determine if this signal was indeed encoding valence, we adulterated the ethanol solution with quinine and in non-dependent mice, the calcium signal surrounding drinking bouts was reduced, paralleling the decrease in voluntary quinine-adulterated ethanol drinking. This effect was not present in dependent mice, suggestive of reduced sensitivity to the aversive qualities of quinine or increased sensitivity of reinforcing value of the ethanol solution. Using fiber photometry, we also show that the global population of PrL glutamatergic neurons display sustained GCaMP6f “up-states” that last tens to hundreds of seconds. Drinking bouts frequently occurred during these sustained up-states. Although the PrL→NAcore projection is thought to drive reward-guided behavior, the GCaMP6f signal surrounding ethanol drinking bouts was similar to the signal for water. Overall, our results demonstrate a functional signature in PrL neurons that aligns with the valence of different rewarding solutions compared to home cage water drinking. In summary, these results suggest that PrL neurons encode the hedonic value of rewarding solutions, and population activity in anticipation of ethanol drinking is disrupted by induction of ethanol dependence. Significance statement The PrL mPFC has been implicated in mediating aspects of alcohol consumption and seeking, but how and whether the PrL encodes aspects of reward differentially is not clear. Here we show that the PrL shows similar but distinguishable glutamatergic population level calcium activity patterns in response to anticipation of solutions with presumed variance in hedonic value (water, ethanol and sucrose). Contrary to our presumption, PrL→NAcore did not differently encode ethanol drinking compared to water, but ethanol dependence was sufficient to disrupt normal modulation of calcium activity in response to reward devaluation. We present evidence of PrL signatures that track presumed hedonic value, that is disrupted by ethanol dependence.

Background Sex is a critical biological variable in the neuropathology of psychiatric disease, and in many cases, women represent a vulnerable population. It has been hypothesized that sex differences in neuropsychiatric disorders are manifestations of differences in basic reward processing. However, preclinical models often present rewards in isolation, ignoring that ethologically, reward seeking requires the consideration of potential aversive outcomes.Methods We developed a Multidimensional Cue Outcome Action Task (MCOAT) to dissociate motivated action from cue learning and valence. Mice are trained in a series of operant tasks. In phase 1, mice acquire positive and negative reinforcement in the presence of discrete discriminative stimuli. In phase 2, both discriminative stimuli are presented concurrently allowing us to parse innate behavioral strategies based on reward seeking and shock avoidance. Phase 3 is punished responding where a discriminative stimulus predicts that nose-poking for sucrose occurs concurrently with footshock, allowing for the assessment of how positive and negative outcomes are relatively valued.Results Females prioritize avoidance of negative outcomes over seeking positive, while males have the opposite strategy. In cases where rules are uncertain, males and females employ different strategies, with females demonstrating bias for shock avoidance.Conclusions The MCOAT has broad utility for neuroscience research where pairing this task with recording and manipulation techniques will allow for the definition of the discrete information encoded within cellular populations. Ultimately, we show that making conclusions from unidimensional data leads to inaccurate generalizations about sex-specific behaviors that do not accurately represent ground truth.

Summary Empathy is the ability to adopt others’ sensory and emotional states and is an evolutionarily conserved trait among mammals. In rodents, empathy manifests itself as social modulation of aversive stimuli such as acknowledging and acting on conspecifics’ distress. The neuronal network underlying social transmission of information is known to overlap with the brain regions that mediate behavioral responses to aversive and rewarding stimuli. In this study, we recorded single cell activity patterns of nucleus accumbens (NAc) core neurons using in vivo optical imaging of calcium transients via miniature scopes. This cutting-edge imaging methodology not only allows us to record activity patterns of individual neurons but also lets us longitudinally follow these individual neurons across time and different behavioral states. Using this approach, we identified NAc core single cell ensembles that respond to experienced and/or observed aversive stimuli. Our results showed that experienced and observed aversive stimuli evoke NAc core ensemble activity that is largely positive, with a smaller subset of negative responses. The size of the NAc single cell ensemble response was greater for experienced aversive stimuli compared to observed aversive events. Our results also revealed a subpopulation within the NAc core single cell ensembles that show a bidirectional response to experienced aversive stimuli versus observed aversive stimuli (i.e., negative response to experienced and positive response to observed). These results suggest that the NAc plays a role in differentiating somatosensory experience from social observation of aversion at a single cell level. This has important implications for psychopathologies where social information processing is maladaptive, such as autism spectrum disorders.