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.

ABSTRACT Alcohol use disorder (AUD) is a life-threatening disease characterized by compulsive drinking, cognitive deficits, and social impairment that continue despite negative consequences. The inability of individuals with AUD to regulate drinking may involve functional deficits in cortical areas that normally balance actions that have aspects of both reward and risk. Among these, the orbitofrontal cortex (OFC) is critically involved in goal-directed behavior and is thought to maintain a representation of reward value that guides decision making. In the present study, we analyzed post-mortem OFC brain samples collected from age- and sex-matched control subjects and those with AUD using proteomics, bioinformatics, machine learning, and reverse genetics approaches. Of the 4,500+ total unique proteins identified in the proteomics screen, there were 47 proteins that differed significantly by sex that were enriched in processes regulating extracellular matrix and axonal structure. Gene ontology enrichment analysis revealed that proteins differentially expressed in AUD cases were involved in synaptic and mitochondrial function, as well as transmembrane transporter activity. Alcohol-sensitive OFC proteins also mapped to abnormal social behaviors and social interactions. Machine learning analysis of the post-mortem OFC proteome revealed dysregulation of presynaptic (e.g., AP2A1) and mitochondrial proteins that predicted the occurrence and severity of AUD. Using a reverse genetics approach to validate a target protein, we found that prefrontal Ap2a1 expression significantly correlated with voluntary alcohol drinking in male and female genetically diverse mouse strains. Moreover, recombinant inbred strains that inherited the C57BL/6J allele at the Ap2a1 interval consumed higher amounts of alcohol than those that inherited the DBA/2J allele. Together, these findings highlight the impact of excessive alcohol consumption on the human OFC proteome and identify important cross-species cortical mechanisms and proteins that control drinking in individuals with AUD.

With the advent of two-photon imaging as a tool for systems neuroscience, the mouse has become a preeminent model system for studying sensory processing. One notable difference that has been found however, between mice and traditional model species like cats and primates is the responsiveness of the cortex. In the primary visual cortex of cats and primates, nearly all neurons respond to simple visual stimuli like drifting gratings. In contrast, imaging studies in mice consistently find that only around half of the neurons respond to such stimuli. Here we show that visual responsiveness is strongly dependent on the cortical depth of neurons. Moving from superficial layer 2 down to layer 4, the percentage of responsive neurons increases dramatically, ultimately reaching levels similar to what is seen in other species. Over this span of cortical depth, neuronal response amplitude also increases and orientation selectivity moderately decreases. These depth dependent response properties may be explained by the distribution of thalamic inputs in mouse V1. Unlike in cats and primates where thalamic projections to the granular layer are constrained to layer 4, in mice they spread up into layer 2/3, qualitatively matching the distribution of response properties we see. These results show that the analysis of neural response properties must take into consideration not only the overall cortical lamina boundaries but also the depth of recorded neurons within each cortical layer. Furthermore, the inability to drive the majority of neurons in superficial layer 2/3 of mouse V1 with grating stimuli indicates that there may be fundamental differences in the role of V1 between rodents and other mammals.

Drugs of abuse are known to alter activity in areas of brain associated with reward, cognition and decision making. Changes in neural activity in these regions that follow repeated exposures to abused substances may underlie the development of addictive behaviors and contribute to the high rates of relapse associated with drug use. Measuring real-time changes in neural activity during drug seeking and taking is important for correlating changes in behavior with alterations in neuronal signaling typically measured using ex vivo electrophysiological recordings. In this study, C57BL/6J mice or Sprague-Dawley rats were injected in different brain areas with adeno-associated viruses (AAV) encoding the calcium sensor GCaMP6f along with an optical fiber. Calcium-dependent fluorescence was monitored in the nucleus accumbens core or mPFC during and following exposure to toluene vapor and in the medial prefrontal cortex (mPFC) and orbitofrontal cortex (OFC) during ethanol drinking. Toluene vapor, at concentrations previously shown to induce conditioned place preference, produced a rapid decrease in the frequency of calcium transients in the NAc core of rats that recovered following washout of the toluene vapor. In a probabilistic risk task, GCaMP6 signals in rat mPFC increased just prior to lever pressing and showed decreases during the reward phase that were proportional to reward size. Toluene pretreatment elevated the signal during the decision-making period while post-lever responses were independent of reward size. Using the drinking in the dark (DID) protocol in mice, we observed a consistent increase in GCaMP6 fluorescence during the period leading up to an ethanol drinking bout, a decrease during consumption and a rebound increase following the bout. The initial increase in signal prior to consumption was greater for ethanol and sucrose than water. GCaMP6 signals in the lateral OFC also decreased during ethanol consumption and increased following bout completion while no increase in activity was noted prior to bout initiation. Following repeated cycles of chronic intermittent ethanol (CIE) exposure that enhanced ethanol consumption, OFC calcium signals during and after ethanol drinking were similar to those in air-treated animals. Addition of quinine to the ethanol solution augmented the decrease in signal during consumption in both air and CIE mice while having no effect on the magnitude of the rebound in activity. Conversely, when sucrose was added to the ethanol solution, air exposed mice showed blunted changes in GCaMP6 signals while those in CIE mice were enhanced. Overall, the results from these experiments complement and extend data from prior behavioral and electrophysiological studies and support the use of in vivo fiber photometry in the study of effects of abused substances on brain function.

The function of the ventral hippocampus (vHC) supports many behaviors, including those related to reward seeking behaviors and drug addiction. We used a mouse model of alcohol dependence and relapse to investigate the role of the vHC in alcohol (ethanol) drinking. One experiment used a chemogenetic approach to inhibit vHC function while ethanol dependent and non-dependent mice had access to ethanol. Interestingly, the non-dependent mice expressing an inhibitory DREADD in the VHC showed a significant increase in ethanol drinking (~30%) after hM4Di DREADD activation with clozapine-n-oxide (CNO; 3 mg/kg, ip.) compared to vehicle. On the other hand, ethanol dependent mice, which were already drinking significantly more ethanol than non-dependent mice, only had a slight, non-significant increase in drinking after CNO challenge. In a separate group of dependent and non-dependent mice, GCaMP6f calcium-dependent activity was recorded in the vHC while mice were actively drinking ethanol. These data showed that once mice were rendered ethanol dependent and were drinking more ethanol than the non-dependent mice, calcium signaling in the ventral hippocampus decreased (~45%) in the ethanol dependent mice compared to the non-dependent mice. Together, these findings suggest that ethanol dependence reduces activity of the ventral hippocampus and that reduced function of this brain region contributes to increased ethanol drinking.

Dopamine neurons in the ventral tegmental area (VTA) influence learned behaviors and neuropsychiatric diseases including addiction. The stress peptide corticotrophin-releasing factor (CRF) contributes to relapse to drug and alcohol seeking following withdrawal, although the cellular actions are poorly understood. In this study, we show that presynaptic CRF type 1 receptors (CRF-R1) potentiate GABA release onto mouse VTA dopamine neurons via a PKC Ca2+ signaling mechanism. In naive animals, activation of CRF-R1 by bath application of CRF or ethanol enhanced GABAA inhibitory postsynaptic currents (IPSCs). Following three days of withdrawal from four weekly cycles of chronic intermittent ethanol (CIE) vapor exposure, spontaneous IPSC frequency was enhanced while CRF- and ethanol-potentiation of IPSCs was intact. However, withdrawal for 3 weeks or more was associated with reduced spontaneous IPSC frequency and diminished CRF and ethanol responses. Long-term withdrawal was also accompanied by decreased sensitivity to the CB1 receptor agonist WIN55212 as well as greatly enhanced sensitivity to the CB1 antagonist AM-251. Inclusion of BAPTA in the internal recording solution restored the responsiveness to CRF or ethanol and reduced the potentiating actions of AM251. Together, these data suggest that GABAA inhibition of VTA dopamine neurons is regulated by presynaptic actions of CRF and endocannabinoids and that long-term withdrawal from CIE treatment enhances endocannabinoid mediated inhibition, thereby suppressing CRF facilitation of GABA release. Such findings have implications for understanding the impact of chronic alcohol on stress-related, dopamine-mediated alcohol seeking behaviors.

The effects of ethanol on brain function have been extensively studied using a variety of in vitro and in vivo techniques. For example, electrophysiological studies using brain slices from rodents and non-human primates have demonstrated that acute and chronic exposure to ethanol alters the intrinsic excitability and synaptic signaling of neurons within cortical and sub-cortical areas of the brain. In humans, neuroimaging studies reveal alterations in measures of brain activation and connectivity in subjects with alcohol use disorders. While complementary, these methods are inherently limited due to issues related to either disruption of normal sensory input (in vitro slice studies) or resolution (whole brain imaging). In the present study, we used 2-photon laser scanning microscopy in intact animals to assess the impact of chronic ethanol exposure on sensory evoked neuronal and vascular responses. Adult male C57BL/6J mice were exposed to 4 weekly cycles of chronic intermittent ethanol (CIE) exposure while control mice were exposed to air. After withdrawal (> 72 hr), a cranial window was placed over the primary visual cortex (V1) and sensory evoked responses were monitored using the calcium indicator OGB-1. CIE exposure produced small but significant changes in response amplitude (decrease) and orientation selectivity of V1 neurons (increase). While arteriole diameter did not differ between control and CIE mice under baseline conditions, sensory-evoked dilation was enhanced in vessels from CIE exposed mice as compared to controls. This was accompanied by a reduced latency in response to stimulation. In separate experiments, pial arteriole diameter was measured in the barrel cortex of control and CIE exposed mice. Baseline diameter of barrel cortex arterioles was similar between control and CIE exposed mice but unlike vessels in V1, sensory-evoked dilation of barrel cortex arterioles was similar between the two groups. Together the results of these studies suggest that chronic exposure to alcohol induces changes in neurovascular coupling that are region dependent.

A bstract The rostromedial tegmental nucleus (RMTg) encodes negative reward prediction error (RPE) and plays an important role in guiding behavioral responding to aversive stimuli. While initial studies describing the RMTg revealed the presence of cortical afferents, the density and distribution of this input has not been explored in detail. In addition, the functional consequences of cortical modulation of RMTg signaling are only just beginning to be investigated. The current study anatomically and functionally characterizes cortical input to the RMTg in rats. Findings from this work reveal dense input spanning the entire medial prefrontal cortex (PFC) as well as the orbitofrontal cortex and anterior insular cortex. Afferents were most dense in the dorsomedial subregion of the PFC (dmPFC), an area which has also been implicated in both RPE signaling and aversive responding. RMTg-projecting dmPFC neurons originate in layer V and collateralize extensively throughout the brain. In-situ mRNA hybridization further revealed that neurons in this circuit are predominantly D1 receptor-expressing with a high degree of D2 receptor colocalization. Optogenetic stimulation of dmPFC terminals in the RMTg drives avoidance, and cFos expression is enhanced in this neural circuit during exposure to aversive stimuli. Exposure to such aversive stimuli results in significant physiological and structural plasticity suggestive of a loss of top-down modulation of RMTg-mediated signaling. Altogether, these data reveal the presence of a prominent cortico-subcortical projection involved in adaptive behavioral responding and provide a foundation for future work aimed at exploring alterations in circuit function in diseases characterized by deficits in cognitive control over the balance between reward and aversion.