Background: In the trunk of avian embryos, neural crest migration through the somites is segmental, with neural crest cells entering the rostral half of each somitic sclerotome but avoiding the caudal half. Little is known about the molecular nature of the cues – intrinsic to the somites – that are responsible for this segmental migration of neural crest cells.Results: We demonstrate that Eph-related receptor tyrosine kinases and their ligands are essential for the segmental migration of avian trunk neural crest cells through the somites. EphB3 localizes to the rostral half-sclerotome, including the neural crest, and the ligand ephrin-B1 has a complementary pattern of expression in the caudal half-sclerotome. To test the functional significance of this striking asymmetry, soluble ligand ephrin-B1 was added to interfere with receptor function in either whole trunk explants or neural crest cells cultured on alternating stripes of ephrin-B1 versus fibronection. Neural crest cells in vitro avoided migrating on lanes of immobilized ephrin-B1; the addition of soluble ephrin-B1 blocked this inhibition. Similarly, in whole trunk explants, the metameric pattern of neural crest migration was disrupted by addition of soluble ephrin-B1, allowing entry of neural crest cells into caudal portions of the sclerotome.Conclusions: Both in vivo and in vitro, the addition of soluble ephrin-B1 results in a loss of the metameric migratory pattern and a disorganization of neural crest cell movement. These results demonstrate that Eph-family receptor tyrosine kinases and their transmembrane ligands are involved in interactions between neural crest and sclerotomal cells, mediating an inhibitory activity necessary to constrain neural precursors to specific territories in the developing nervous system.

Chronic nicotine results in dependence with withdrawal symptoms upon discontinuation of use, through desensitization of nicotinic acetylcholine receptors and altered cholinergic neurotransmission. Nicotine withdrawal is associated with increased whole-brain functional connectivity and decreased network modularity, however, the role of cholinergic neurons in those changes is unknown. To identify the contribution of nicotinic receptors and cholinergic regions to changes in the functional network, we analyzed the contribution of the main cholinergic regions to brain-wide activation of the immediate early-gene FOS during withdrawal in male mice and correlated these changes with the expression of nicotinic receptor mRNA throughout the brain. We show that the main functional connectivity modules included the main long-range cholinergic regions, which were highly synchronized with the rest of the brain. However, despite this hyperconnectivity they were organized into two anticorrelated networks that were separated into basal forebrain projecting and brainstem-thalamic projecting cholinergic regions, validating a long-standing hypothesis of the organization of the brain cholinergic systems. Moreover, baseline (without nicotine) expression of Chrna2 , Chrna3 , Chrna10 , and Chrnd mRNA of each brain region correlated with withdrawal-induced changes in FOS expression. Finally, by mining the Allen Brain mRNA expression database, we were able to identify 1755 gene candidates and three pathways (Sox2-Oct4-Nanog, JAK-STAT, and MeCP2-GABA) that may contribute to nicotine withdrawal-induced FOS expression. These results identify the dual contribution of the basal forebrain and brainstem-thalamic cholinergic systems to whole-brain functional connectivity during withdrawal; and identify nicotinic receptors and novel cellular pathways that may be critical for the transition to nicotine dependence.Discontinuation of nicotine use in dependent users is associated with increased whole-brain activation and functional connectivity and leads to withdrawal symptoms. Here we investigated the contribution of the nicotinic cholinergic receptors and main cholinergic projecting brain areas in the whole-brain changes associated with withdrawal. This not only allowed us to visualize and confirm the previously described duality of the cholinergic brain system using this novel methodology, but also identify nicotinic receptors together with 1751 other genes that contribute, and could thus be targets for treatments against, nicotine withdrawal and dependence.

Three main theories of the neurobiology of addiction have been proposed: (1) incentive salience mediated by a brainstem-striatal network, (2) habit mediated by a cortico-striato-thalamic network, and (3) hedonic allostasis mediated by an extended amygdala network. Efforts have been made to reconcile these theories within a three-stage model, but the relevance of each theory remains controversial. We tested the validity of each theory with a single dataset using unbiased single-cell whole-brain imaging and data-driven analyses of neuronal activity in a mouse model of alcohol use disorder. Abstinence in alcohol dependent mice decreased brain modularity and resulted in clustering of brain regions that correspond to each stage of the three- stage theory of addiction. Furthermore, we identified several brain regions whose activity highly predicted addiction-like behaviors and 'hub' regions that may drive neural activation during abstinence. These results validate the three-stage theory of addiction and identify potential target regions for future study.

Numerous brain regions have been identified as contributing to addiction-like behaviors, but unclear is the way in which these brain regions as a whole lead to addiction. The search for a final common brain pathway that is involved in addiction remains elusive. To address this question, we used male C57BL/6J mice and performed single-cell whole-brain imaging of neural activity during withdrawal from cocaine, methamphetamine, and nicotine. We used hierarchical clustering and graph theory to identify similarities and differences in brain functional architecture. Although methamphetamine and cocaine shared some network similarities, the main common neuroadaptation between these psychostimulant drugs was a dramatic decrease in modularity, with a shift from a cortical- to subcortical-driven network, including a decrease in total hub brain regions. These results demonstrate that psychostimulant withdrawal produces the drug-dependent remodeling of functional architecture of the brain and suggest that the decreased modularity of brain functional networks and not a specific set of brain regions may represent the final common pathway that leads to addiction.

Chronic alcohol consumption leads to dependence and withdrawal symptoms upon cessation, contributing to persistent use. However, the brain network mechanisms by which the brain orchestrates alcohol withdrawal and how these networks are affected by pharmacological treatments remain elusive. Recent work revealed that alcohol withdrawal produces a widespread increase in coordinated brain activity and a decrease in modularity of the whole-brain functional network using single-cell whole-brain imaging of immediate early genes. This decreased modularity and functional hyperconnectivity are hypothesized to be novel biomarkers of alcohol withdrawal in alcohol dependence, which could potentially be used to evaluate the efficacy of new medications for alcohol use disorder. However, there is no evidence that current FDA-approved medications or experimental treatments known to reduce alcohol drinking in animal models can normalize the changes in whole-brain functional connectivity. In this report, we tested the effect of R121919, a CRF1 antagonist, and naltrexone, an FDA-approved treatment for alcohol use disorder, on whole-brain functional connectivity using the cellular marker FOS combined with graph theory and advanced network analyses. Results show that both R121919 and naltrexone restored the functional connectivity of the prefrontal cortex during alcohol withdrawal, but through divergent mechanisms. Specifically, R121919 increased FOS activation in the prefrontal cortex, partially restored modularity, and normalized connectivity, particularly in CRF1-rich regions, including the prefrontal, pallidum, and extended amygdala circuits. On the other hand, naltrexone decreased FOS activation throughout the brain, decreased modularity, and increased connectivity overall except for the Mu opioid receptor-rich regions, including the thalamus. These results identify the brain networks underlying the pharmacological effects of R121919 and naltrexone and demonstrate that these drugs restored different aspects of functional connectivity of the prefrontal cortex, pallidum, amygdala, and thalamus during alcohol withdrawal. Notably, these effects were particularly prominent in CRF1- and Mu opioid receptors-rich regions highlighting the potential of whole-brain functional connectivity using FOS as a tool for identifying neuronal network mechanisms underlying the pharmacological effects of existing and new medications for alcohol use disorder.