Chronic intermittent access to alcohol leads to the escalation of alcohol intake, similar to binge drinking in humans. Converging lines of evidence suggest that impairment of medial prefrontal cortex (mPFC) cognitive function and overactivation of the central nucleus of the amygdala (CeA) are key factors that lead to excessive drinking in dependence. However, the role of the mPFC and CeA in the escalation of alcohol intake in rats with a history of binge drinking without dependence is currently unknown. To address this issue, we examined FBJ murine osteosarcoma viral oncogene homolog (Fos) expression in the mPFC, CeA, hippocampus, and nucleus accumbens and evaluated working memory and anxiety-like behavior in rats given continuous (24 h/d for 7 d/wk) or intermittent (3 d/wk) access to alcohol (20% vol/vol) using a two-bottle choice paradigm. The results showed that abstinence from alcohol in rats with a history of escalation of alcohol intake specifically recruited GABA and corticotropin-releasing factor (CRF) neurons in the mPFC and produced working memory impairments associated with excessive alcohol drinking during acute (24-72 h) but not protracted (16 -68 d) abstinence. Moreover, abstinence from alcohol was associated with a functional disconnection of the mPFC and CeA but not mPFC and nucleus accumbens. These results show that recruitment of a subset of GABA and CRF neurons in the mPFC during withdrawal and disconnection of the PFC-CeA pathway may be critical for impaired executive control over motivated behavior, suggesting that dysregulation of mPFC interneurons may be an early index of neuroadaptation in alcohol dependence.

Alcoholism, or alcohol use disorder, is a major public health concern that is a considerable risk factor for morbidity and disability; therefore, effective treatments are urgently needed. Here, we demonstrated that the glucocorticoid receptor (GR) antagonist mifepristone reduces alcohol intake in alcohol-dependent rats but not in nondependent animals. Both systemic delivery and direct administration into the central nucleus of the amygdala, a critical stress-related brain region, were sufficient to reduce alcohol consumption in dependent animals. We also tested the use of mifepristone in 56 alcohol-dependent human subjects as part of a double-blind clinical and laboratory-based study. Relative to placebo, individuals who received mifepristone (600 mg daily taken orally for 1 week) exhibited a substantial reduction in alcohol-cued craving in the laboratory, and naturalistic measures revealed reduced alcohol consumption during the 1-week treatment phase and 1-week post-treatment phase in mifepristone-treated individuals. Mifepristone was well tolerated and improved liver-function markers. Together, these results support further exploration of GR antagonism via mifepristone as a therapeutic strategy for alcoholism.

Abstract The gut brain axis is thought to play a role in behavior and physiological responses through chemical, immunological, and metabolite signaling. Antibiotics, diet, and drugs can alter the transit time of gut contents as well as the makeup of the microbiome. Heterogeneity in genetics and environment are also well-known factors involved in the initiation and perpetuation of substance use disorders. Few viable genetic or biological markers are available to identify individuals who are at risk of escalating opioid intake. Primarily, the addiction field has focused on the nervous system, limiting the discovery of peripheral factors that contribute to addiction. To address this gap, we characterized the microbiome before and after drug exposure, and after antibiotics depletion in male and female heterogenous stock rats to determine if microbiome constituents are protective of escalation. We hypothesized that individuals that are prone to escalation of opioid self-administration will have distinct microbial and metabolic profiles. The fecal microbiome and behavioral responses were measured over several weeks of oxycodone self-administration and after antibiotic treatment. Antibiotic treatment reduces circulating short-chain fatty acids (SCFA) by depleting microbes that ferment fiber into these essential signaling molecules for the gut-brain axis. Depletion of the microbiome increased oxycodone self-administration in a subpopulation of animals (Responders). Supplementation of SCFAs in antibiotic depleted animals decreased elevated oxycodone self-administration. Phylogenetic functional analysis reveals distinct metabolic differences in the subpopulations of animals that are sensitive to antibiotic depletion and animals rescued by SCFA supplementation. In conclusion, this study identifies pre-existing microbiome and metabolic vulnerabilities to escalation of oxycodone self-administration, demonstrates that escalation of oxycodone self-administration dysregulates the microbiome and metabolic landscape, and identifies a causal role of short-chain fatty acids in addiction-like behaviors.

Abstract The gut-brain axis is a bi-directional communication system through which microbial communities in the gut interact with the nervous system, perhaps influencing neuropsychiatric disorders such as drug abuse. This study used behavioral data and biological samples from the Cocaine Biobank to test the hypothesis that the gut microbiota can predict and reflect susceptibility to cocaine reinforcement. Adult male heterogenous rats were catheterized and allowed to self-administer cocaine in short-access sessions (2 hr/day, 10 days, 0.5 mg/kg per intravenous infusion), followed by progressive ratio (PR) tests, long-access sessions (6 hr/day, 14 days), and alternating blocks of PR, long-access, and footshock testing. Fecal samples were collected at three time points and bacterial 16s rRNA genes were sequenced to profile the microbiota. As expected, cocaine-related behavior varied among subjects, such that a quartile split identified low and high responders on each measure, as well as an overall addiction index. Although beta diversity in the microbiota at baseline and after short access did not predict membership in high or low addiction quartiles, linear discriminant analysis (LDA) identified taxa that were more robustly represented in low or high responders. Beta diversity after long access was different among quartiles, as were several specific taxa. Investigation of baseline differences revealed that high relative abundance of Akkermansia muciniphila predicted future low response rates, whereas Ruminococcaceae predicted high response. This study is the first to report that microbiota variability reflects levels of cocaine intake and that microbial profiles might facilitate diagnosis and identify risk factors predictive of drug vulnerability. Significance Statement Microbial organisms inhabiting the gut of animals appear to influence organismal function through various signaling pathways, ultimately affecting behavior and disease vulnerability. This experiment investigates links between gut bacteria and vulnerability to addiction-related behaviors in adult male rats. Not only did gut bacterial profiles change as a result of cocaine intake but also gut bacterial profiles before any exposure to cocaine predicted which animals would be high or low addiction-prone individuals. These results suggest that microbial profiles might facilitate diagnosis and identify risk factors predictive of drug addiction.

Abstract Alcohol withdrawal activates a neuronal ensemble in the central nucleus of the amygdala (CeA) that is responsible for high levels of uncontrolled alcohol drinking. However, the neuronal phenotypes and circuits controlled by these neurons are unknown. We investigated the cellular identity of this CeA neuronal ensemble and found that most neurons expressed corticotropin-releasing factor (CRF). Using Crh -Cre transgenic rats combined with in vivo optogenetics, we tested the role of CeA CRF neurons and their projections in excessive alcohol self-administration during withdrawal. Rats were injected with AAV-DIO-NpHR-eYFP or AAV-DIO-eYFP and implanted with optical fibers over the CeA. Animals were then exposed to chronic intermittent ethanol vapor to induce alcohol dependence. Inactivation of CeA CRF neurons decreased alcohol drinking in dependent rats to non-dependent levels and completely suppressed activation of the CeA neuronal ensemble (Fos + neurons) during withdrawal. No effects were observed on water or saccharin self-administration. In a second experiment, CeA CRF neurons were infected with AAV-DIO-NpHR-eYFP and optical fibers were implanted into downstream projection regions, including the bed nucleus of the stria terminalis (BNST), lateral hypothalamus (LH), parasubthalamic nucleus (pSTN), substantia innominata (SI), and parabrachial nuclei (PBN). Optogenetic inactivation of CRF terminals in the BNST reduced alcohol drinking and withdrawal signs, whereas inactivation of all other projections had no effect. These results demonstrate that CeA CRF neurons and their projections to the BNST drive excessive alcohol drinking and withdrawal in dependent rats.

Abstract Background In humans, emotional and physical signs of withdrawal from ethanol are commonly seen. Many of these symptoms, including anxiety-like and depression-like behavior, have been characterized in animal models of ethanol dependence. One issue with several current behavioral tests measuring withdrawal in animal models is they are often not repeatable within subjects over time. Additionally, irritability, one of the most common symptoms of ethanol withdrawal in humans, has not been well characterized in animal models. The corticotropinreleasing factor (CRF)-CRF 1 receptor system has been suggested to be critical for the emergence of anxiety-like behavior in ethanol dependence, but the role of this system in irritability-like behavior has not been characterized. Methods The present study compared the effects of chronic intermittent ethanol vapor exposure (CIE)-induced ethanol dependence on irritabilitylike behavior in rats using the bottle-brush test during acute withdrawal and protracted abstinence. Rats were trained to self-administer ethanol in operant chambers and then either left in a nondependent state or made dependent via CIE. Naive, nondependent, and dependent rats were tested for irritability-like behavior in the bottle-brush test 8 h and 2 weeks into abstinence from ethanol. A separate cohort of dependent rats was used to examine the effect of the specific CRF 1 receptor antagonist R121919 on irritability-like behavior. Results Dependent rats exhibited escalated ethanol intake compared with their own pre-CIE baseline and nondependent rats. At both time-points of abstinence, ethanol-dependent rats exhibited increased aggressive-like responses compared with naive and nondependent rats. R121919 blocked the increased irritability-like behavior in dependent rats. Conclusions The effect of R121919 to block increased irritability-like behavior suggests that CRF plays an important role in this behavior, similar to other negative emotional withdrawal symptoms. Quantifying and understanding the molecular basis of irritability-like behavior may yield new insights into withdrawal from ethanol and other drugs of abuse.

Abstract The amygdala processes positive and negative valence and contributes to the development of addiction, but the underlying cell type-specific gene regulatory programs are unknown. We generated an atlas of single nucleus gene expression and chromatin accessibility in the amygdala of outbred rats with low and high cocaine addiction-like behaviors following prolonged abstinence. Between rats with different addiction indexes, we identified thousands of cell type-specific differentially expressed genes enriched for energy metabolism-related pathways that are known to affect synaptic transmission and action potentials. Rats with high addiction-like behaviors showed enhanced GABAergic transmission in the amygdala, which, along with relapse-like behaviors, were reversed by inhibition of Glyoxalase 1, which metabolizes the GABA A receptor agonist methylglyoxal. Finally, we identified thousands of cell type-specific chromatin accessible sites and transcription factor (TF) motifs where accessibility was associated with addiction index, most notably at motifs for pioneer TFs in the Fox, Sox, helix-loop-helix, and AP1 families.

Abstract Addiction is commonly defined as a chronic, relapsing disorder characterized by taking drugs in excess, compulsive drug seeking, and continued use despite harmful consequences. A key unanswered question for addiction research remains why moderate levels of drug consumption escalate to problematic patterns associated with high motivation and a compulsive-like pattern of drug use in some individuals, but not others, and how sex may affect this trajectory. However, most studies to date have had low statistical power due to low sample size and used animal models with limited genetic diversity and limited access to the drug that are often not associated with significant levels of intoxication or dependence, making it difficult to draw definitive conclusions and translate the results to human. Here we characterized addiction-like behaviors in >500 outbred heterogeneous stock (HS) rats using extended access to cocaine self-administration (6h/daily) and analyzed individual differences in escalation of intake, progressive-ratio (PR) responding, continued use despite adverse consequences (contingent foot shocks), and irritability-like behavior during withdrawal. Principal component analysis showed that escalation of intake, progressive ratio responding, and continued use despite adverse consequence loaded onto a single factor that was orthogonal to irritability-like behaviors. Characterization of rats in four categories of resilient, mild, moderate, and severe addiction-like phenotypes showed that females showed higher addiction-like behaviors, particularly due to a lower number of resilient individuals. These results demonstrate that escalation of intake, continued use despite adverse consequence, and progressive ratio responding are highly correlated measures of the same psychological construct when tested in heterogeneous rats with a history of extended access to the drug, and suggest that a significant proportion of males, but not females may be resilient to addiction-like behaviors.

Abstract In addition to its pleasurable effects, weight control is a significant contributor to initiation, maintenance and relapse of cocaine use. This suggests that individual differences in bodyweight control and feeding hormones, such as leptin may contribute to the vulnerability to cocaine use disorder. While pre-clinical studies have shown a mutually inhibitory relationship between leptin and cocaine, they have used small sample sizes and did not investigate individual differences in a large heterogeneous population. Here, we tested if individual differences in bodyweight and blood leptin level is associated with high or low vulnerability to addiction-like behaviors using data from 500 heterogenous stock rats and 160 blood samples from the Cocaine Biobank, using a model of extended access to intravenous self-administration of cocaine. Finally, we tested a separate cohort to evaluate the causal effect of exogenous leptin administration on cocaine seeking. Bodyweight, while changing due to cocaine self-administration in males, was not related to the vulnerability to addiction-like behavior. Blood leptin levels after ~6 weeks of cocaine self-administration did not correlate with addiction-like behaviors, however, baseline blood leptin levels before any access to cocaine negatively predicted addiction-like behavior. Finally, administration of leptin reduced cocaine intake after acute withdrawal and cocaine seeking after 6 weeks of protracted abstinence. These results demonstrate that high blood leptin level before access to cocaine may be a protective factor against the development of cocaine addiction-like behavior, that exogenous leptin reduces the motivation to take and seek cocaine, but that blood leptin level and bodyweight changes in current users are not good biomarkers for addiction-like behaviors.

Abstract Rationale and objectives Recent studies reported that when given a mutually exclusive choice between cocaine and palatable food, most rats prefer the non-drug reward over cocaine. However, these studies used rat strains with limited genetic and behavioral diversity. Here, we used a unique outbred strain of rats (Heterogeneous Stock, HS) that mimic the genetic variability of humans. Methods We first identified individual differences in addiction-like behaviors (low and high). Next, we tested choice between cocaine and palatable food using a discrete choice procedure. We characterized the individual differences using an Addiction score that incorporates key features of addiction: escalated intake, highly motivated responding (progressive ratio), and responding despite adverse consequences (footshock punishment). We assessed food vs. cocaine choice at different drug-free days (without pre-trial cocaine self administration) during acquisition of cocaine self-administration or after escalation of cocaine self-administration. We also assessed drug vs. food choice immediately after 1-, 2-, or 6-h cocaine self-administration. Results Independent of the addiction score, without pre-trial coccaine (1 or more abstinence days) HS rats strongly preferred the palatable food over cocaine, even if the food reward was delayed or its size was reduced. However, rats with high but not low addiction score modestly increased cocaine choice immediately after 1-, 2- or 6-h cocaine self-administration. Conclusions Like other strains, HS rats strongly prefer palatable food over cocaine. Individual differences in addiction score were associated with increased drug choice in the presence but not absence (abstinence) of cocaine. The HS strain may be useful in studies on mechanisms of addiction vulnerability.