SUMMARY In order to respond appropriately to threats in the environment, the brain must rapidly determine whether a stimulus is important and whether it is positive or negative, and then use that information to direct behavioral responses. Neurons in the amygdala have long been implicated in valence encoding and in fear responses to threatening stimuli, but show transient firing responses in response to these stimuli that do not match the timescales of associated behavioral responses. For decades, there has been a logical gap in how behavioral responses could be mediated without an ensemble representation of the internal state of valence that has rapid onset, high signal-to-noise, and is sustained for the duration of the behavioral state. Here, we present the amygdalostriatal transition zone (ASt) as a missing piece of this highly conserved process that is of paramount importance for survival, which does exactly this: represents an internal state (e.g. fear) that can be expressed in multiple motor outputs (e.g. freezing or escape). The ASt is anatomically positioned as a “shortcut” to connect the corticolimbic system (important for evaluation) with the basal ganglia (important for action selection) with the inputs of the amygdala and the outputs of the striatum – ideally poised for evaluating and responding to environmental threats. From in vivo cellular resolution recordings that include both electrophysiology and calcium imaging, we find that ASt neurons are unique in that they are sparse coding, extremely high signal-to-noise, and also maintain a sustained response for negative valence stimuli for the duration of the defensive behavior – a rare but essential combination. We further show that photostimulation of the ASt is sufficient to drive freezing and avoidance behaviors. Using single-nucleus RNA sequencing and in situ RNA labelling we generate a comprehensive profile of cell types and gene expression in the ASt, and find the ASt is genetically distinct from adjacent striatal and amygdalar structures. We also find that the ASt has a greater proportion of neurons expressing Drd2 than neurons expressing Drd1a , a unique feature compared to other regions of the striatum. Using in vivo calcium imaging, we show that that this Drd2+ population robustly encodes stimuli of negative valence, and in loss-of-function experiments find that optogenetic inhibition of Drd2+ ASt neurons causes a striking reduction in cue-conditioned fear responses. Together, our findings identify the ASt as a previously-unappreciated critical missing link for encoding learned associations and directing ongoing behavior.

ABSTRACT Brain isoforms of voltage-gated sodium channels (VGSCs) have distinct cellular and subcellular expression patterns as well as functional roles that are critical for normal physiology as aberrations in their expression or activity lead to pathophysiological conditions. In this study, we asked how inhibition of select isoforms of VGSCs alters epileptiform activity to further parse out the roles of VGSCs in the brain. We first determined the relative selectivity of recently discovered small molecule, aryl sulfonamide, inhibitors (ICA-121431 and Compound 801) against Nav1.1, Nav1.2, and Nav1.6 activity using whole-cell patch clamp recordings obtained from HEK293 cells. To test the effects of these inhibitors on epileptiform activity, we obtained multielectrode array (MEA) recordings from mouse cortical slices in the presence of 4-aminopyridine (4-AP) to induce epileptiform activity. We found that the ICA-121431 and Compound 801 compounds are relatively selective for Nav1.1 and Nav1.6, respectively. From the MEA recordings, we found that inhibition of Nav1.6 and Nav1.2 with 500nM of the Compound 801 compound completely abolishes ictal local field potentials induced by 4-AP, whereas inhibition of Nav1.1 with 500nM of the ICA-121431 compound had minimal effect on epileptiform activity induced by 4-AP. Due to the prominent expression of Nav1.1 in inhibitory neurons, we asked whether inhibition of Nav1.1 alone alters activity. We found that, indeed, inhibition of Nav1.1 with the ICA-121431 compound increased basal activity in the absence of 4-AP. These findings expand our current understanding of the roles of VGSC isoforms in the brain and suggest that selective targeting of Nav1.6 may be a more efficacious treatment strategy for epileptic syndromes.

How do social factors impact the brain and contribute to increased alcohol drinking? We found that social rank predicts alcohol drinking, where subordinates drink more than dominants. Furthermore, social isolation escalates alcohol drinking, particularly impacting subordinates who display a greater increase in alcohol drinking compared to dominants. Using cellular resolution calcium imaging, we show that the basolateral amygdala-medial prefrontal cortex (BLA-mPFC) circuit predicts alcohol drinking in a rank-dependent manner, unlike non-specific BLA activity. The BLA-mPFC circuit becomes hyperexcitable during social isolation, detecting social isolation states. Mimicking the observed increases in BLA-mPFC activity using optogenetics was sufficient to increase alcohol drinking, suggesting the BLA-mPFC circuit may be a neural substrate for the negative impact of social isolation. To test the hypothesis that the BLA-mPFC circuit conveys a signal induced by social isolation to motivate alcohol consumption, we first determined if this circuit detects social information. Leveraging optogenetics in combination with calcium imaging and SLEAP automated pose tracking, we found that BLA-mPFC circuitry governs social behavior and neural representation of social contact. We further show that BLA-mPFC stimulation mimics social isolation-induced mPFC encoding of sucrose and alcohol, and inhibition of the BLA-mPFC circuit decreases alcohol drinking following social isolation. Collectively, these data suggest the amygdala-cortical circuit mirrors a neural encoding state similar to social isolation and underlies social isolation-associated alcohol drinking.

Background: Prescription opioid addiction is a significant health problem characterized by compulsive drug seeking, withdrawal and chronic relapse. We investigated the neurobiological consequences of escalation of prescription opioid use using extended access to intravenous oxycodone self-administration in rats. Methods: Male Wistar rats acquired oxycodone self-administration (0.15 mg/kg/infusion, i.v.) in 1h or 12h access sessions. Electrophysiological and immunohistochemical studies investigated the effects of oxycodone self-administration on kappa opioid receptor (KOR) regulation of GABAergic signaling and dynorphin expression in the central nucleus of the amygdala (CeA). Results: Rats given 12h access to oxycodone for 5 sessions/week (LgA) escalated their responding more than rats given 1h oxycodone (ShA) or 12h saline access. Slowed escalation of responding was found in rats given 12h access for 7 sessions/week (LgA-7day) or rats pretreated with the KOR antagonist nor-binaltorphamine dihydrochloride (norBNI) before LgA (norBNI+LgA). The KOR agonist U-50488 decreased GABA release in CeA neurons of all groups except LgA. norBNI increased GABA release in control group neurons, suggesting tonic KOR activity. This activity was abolished in ShA, norBNI+LgA, and LgA-7day rat neurons, consistent with decreased CeA dynorphin immunoreactivity observed in LgA-7day rats. However, norBNI effects were reversed (decreased CeA GABA release) in LgA rat neurons. Conclusions: The experience of intermittent extended withdrawal periods accelerates the escalation of oxycodone self-administration and causes greater dysregulation of CeA KOR-mediated GABAergic signaling. A KOR agonist/antagonist switch effect seen with other drugs of abuse was absent, which suggests that oxycodone-induced neuroadaptations may be distinct from those resulting from other drugs of abuse.

Abstract Alcohol use disorder (AUD) is a chronic relapsing disorder characterized by an impaired ability to stop or control alcohol use despite adverse social, occupational, or health consequences. AUD is associated with a variety of physiological changes and is a substantial risk factor for numerous diseases. We aimed to characterize systemic alterations in immune responses using a mouse model of chronic intermittent alcohol exposure to induce alcohol dependence. We exposed mice to chronic intermittent ethanol vapor for 4 weeks and used multiparametric flow cytometry to analyze the expression of cytokines IFN-γ, IL-4, IL-10, IL-12 and IL-17 by different immune cells in the blood, spleen and liver of alcohol dependent and non-dependent control mice. We found increases in IFN-γ and IL-17 expression in a cell type- and organ-specific manner. Often, B cells and neutrophils are primary contributors to increased IFN-γ and IL-17 levels while other cell types play a secondary role. We conclude that chronic alcohol exposure promotes systemic pro-inflammatory IFN-γ and IL-17 responses in mice. These responses are likely important in the development of alcohol-related diseases, but further characterization is necessary to understand the initiation and effects of systemic inflammatory responses to chronic alcohol exposure.