During auditory fear conditioning, it is well established that lateral amygdala (LA) neurons potentiate their response to the tone conditioned stimulus, and that this potentiation is required for conditioned fear behavior. Conditioned tone responses in LA, however, last only a few hundred milliseconds and cannot be responsible for sustained fear responses to a tone lasting tens of seconds. Recent evidence from inactivation and stimulation studies suggests that the prelimbic (PL) prefrontal cortex is necessary for expression of learned fears, but the timing of PL tone responses and correlations with fear behavior have not been studied. Using multichannel unit recording techniques in behaving rats, we observed sustained conditioned tone responses in PL that were correlated with freezing behavior on a second-to-second basis during the presentation of a 30 s tone. PL tone responses were also correlated with conditioned freezing across different experimental phases (habituation, conditioning, extinction). Moreover, the persistence of PL responses after extinction training was associated with failure to express extinction memory. Together with previous inactivation findings, the present results suggest that PL transforms transient amygdala inputs to a sustained output that drives conditioned fear responses and gates the expression of extinction. Given the relatively long latency of conditioned responses we observed in PL (approximately 100 ms after tone onset), we propose that PL integrates inputs from the amygdala, hippocampus, and other cortical sources to regulate the expression of fear memories.

Extinction of conditioned fear is an active learning process requiring N-methyl-D-aspartate receptors (NMDARs), but the timing, location, and neural mechanisms of NMDAR-mediated processing in extinction are a matter of debate. Here we show that infusion of the NMDAR antagonist CPP into the ventromedial prefrontal cortex (vmPFC) prior to, or immediately after, extinction training impaired 24 hr recall of extinction. These findings indicate that consolidation of extinction requires posttraining activation of NMDARs within the vmPFC. Using multichannel unit recording, we observed that CPP selectively reduced burst firing in vmPFC neurons, suggesting that bursting in vmPFC is necessary for consolidation of extinction. In support of this, we found that the degree of bursting in infralimbic vmPFC neurons shortly after extinction predicted subsequent recall of extinction. We suggest that NMDAR-dependent bursting in the infralimbic vmPFC initiates calcium-dependent molecular cascades that stabilize extinction memory, thereby allowing for successful recall of extinction.

The basolateral amygdala (BLA) and the medial prefrontal cortex (mPFC) modulate anxiety and social behaviors. It remains to be elucidated, however, whether direct projections from the BLA to the mPFC play a functional role in these behaviors. We used optogenetic approaches in behaving mice to either activate or inhibit BLA inputs to the mPFC during behavioral assays that assess anxiety-like behavior and social interaction. Channelrhodopsin-2 (ChR2)-mediated activation of BLA inputs to the mPFC produced anxiogenic effects in the elevated plus maze and open field test, whereas halorhodopsin (NpHR)-mediated inhibition produced anxiolytic effects. Furthermore, activation of the BLA-mPFC pathway reduced social interaction in the resident-intruder test, whereas inhibition facilitated social interaction. These results establish a causal relationship between activity in the BLA-mPFC pathway and the bidirectional modulation of anxiety-related and social behaviors.

Abstract Basal forebrain cholinergic neurons modulate how organisms process and respond to environmental stimuli through impacts on arousal, attention, and memory. It is unknown, however, whether basal forebrain cholinergic neurons are directly involved in conditioned behavior, independent of secondary roles in the processing of external stimuli. Using fluorescent imaging, we found that cholinergic neurons are active during behavioral responding for a reward – even in prior to reward delivery and in the absence of discrete stimuli. Photostimulation of basal forebrain cholinergic neurons, or their terminals in the basolateral amygdala (BLA), selectively promoted conditioned responding (licking), but not unconditioned behavior nor innate motor outputs. In vivo electrophysiological recordings during cholinergic photostimulation revealed reward-contingency-dependent suppression of BLA neural activity, but not prefrontal cortex (PFC). Finally, ex vivo experiments demonstrated that photostimulation of cholinergic terminals suppressed BLA projection neuron activity via monosynaptic muscarinic-receptor-signaling, while also facilitating firing in GABAergic interneurons. Taken together, we show that the neural and behavioral effects of basal forebrain cholinergic activation are modulated by reward contingency in a target-specific manner.

Abstract Social phobia is highly detrimental for social behavior, mental health, and productivity. Despite much previous research, the behavioral and neurobiological mechanisms associated with the development of social phobia remain elusive. To investigate these issues, the present study implemented a mouse model of social threat conditioning in which mice received electric shock punishment upon interactions with unfamiliar conspecifics. This resulted in immediate reductions in social behavior and robust increases in defensive mechanisms such as avoidance, freezing, darting, and ambivalent stretched posture. Furthermore, social deficits lasted for prolonged periods and were independent of contextual settings, sex variables, or particular identity of the social stimuli. Shedding new light into the neurobiological factors contributing to this phenomenon, we found that optogenetic silencing of the prelimbic (PL), but not the infralimbic (IL), subregion of the medial prefrontal cortex (mPFC) during training led to subsequent forgetting and development of lasting social phobia. Similarly, pharmacological inhibition of NMDARs in PL also impaired the development of social phobia. These findings are consistent with the notion that social-related trauma is a prominent risk factor for the development of social phobia, and that this phenomenon engages learning-related mechanisms within the prelimbic prefrontal cortex to promote prolonged representations of social threat. Abstract Figure

Safety learning during threat and adversity is critical for behavioral adaptation, resiliency, and survival. Using a novel mouse paradigm involving thermal threat, we recently demonstrated that safety learning is highly susceptible to social isolation stress. Yet, our previous study primarily considered male mice and did not thoroughly scrutinize the relative impacts of stress on potentially distinct defensive mechanisms implemented by males and females during the thermal safety task. The present study assessed these issues while considering a variety of defensive behaviors related to safety-seeking, escape, coping, protection, ambivalence, and risk-taking. After a two-week social isolation stress period, mice were required to explore a box arena that had thermal threat and safety zones (5 vs. 30°C, respectively). Since visuospatial cues clearly differentiated the threat and safety zones, the majority of the no-stress controls (69–75%) in both sexes exhibited optimal memory formation for the safety zone. In contrast, the majority of the stress-exposed mice in both sexes (69–75%) exhibited robust impairment in memory formation for the safety zone. Furthermore, while the control groups exhibited many robust correlations among various defensive behaviors, the stress-exposed mice in both sexes exhibited disorganized behaviors. Thus, stress severely impaired the proper establishment of safety memory and the structure of defensive behavior, effects that primarily occurred in a sex-independent manner.

Much is known about the neural circuits of conditioned fear and its relevance to understanding anxiety disorders, but less is known about other anxiety-related behaviors such as active avoidance. Using a tone-signaled, platform-mediated active avoidance task, we observed that pharmacological inactivation of the prelimbic prefrontal cortex (PL) delayed initiation of avoidance. However, optogenetic silencing of PL neurons did not delay avoidance. Consistent with this finding, inhibitory, but not excitatory, responses of rostral PL neurons to the tone were correlated with initiation of avoidance. To oppose inhibitory responses, we photoactivated rostral PL neurons during the tone to maintain pre-tone firing rate. Photoactivation of rostral PL (but not caudal PL) neurons at 4 Hz (but not 2 Hz) delayed or prevented avoidance. These findings suggest that the initiation of active avoidance requires inhibitory neuronal responses in rostral PL, and underscores the importance of designing behavioral optogenetic studies based on neuronal firing patterns.