The chemogenetic technology, Designer Receptors Exclusively Activated by Designer Drugs (DREADDs), affords reversible and remote control of cellular signaling, neuronal activity and behavior. Although the combination of muscarinic-based DREADDs with clozapine-N-oxide (CNO) has been widely used, the sluggish kinetics, metabolic liabilities, and potential for off-target effects of CNO represent areas for improvement. Here we provide a new agonist deschloroclozapine (DCZ), which displays high affinity and selectivity for muscarinic-based DREADDs. Positron emission tomography revealed that DCZ selectively bound to and occupied DREADDs in both mice and monkeys. Systemic delivery of low doses of DCZ (1 or 3 µg/kg) enhanced neuronal activity via hM3Dq within minutes in mice and monkeys. Intramuscular injection of DCZ (100 µg/kg) reversibly induced behavioral deficits in hM4Di-expressing monkeys. DCZ represents the most potent, selective, metabolically stable and fast-acting DREADD agonist reported with utility in both mice and non-human primates for a variety of applications.

We trained two monkeys implanted with multi-electrode arrays to categorize natural images of cats and dogs, in order to observe changes in neural activity related to category learning. We recorded neural activity from area TE, which is required for normal learning of visual categories based on perceptual similarity. Neural activity during a passive viewing task was compared pre- and post-training. After the category training, the accuracy of abstract category decoding improved. Specifically, the proportion of single units with category selectivity increased, and units sustained their category-specific responses for longer. Visual category learning thus appears to enhance category separability in area TE by driving changes in the stimulus selectivity of individual neurons and by recruiting more units to the active network.

To be the most successful, primates must adapt to changing environments and optimize their behavior by making the most beneficial choices. At the core of adaptive behavior is the orbitofrontal cortex (OFC) of the brain, which updates choice value through direct experience or knowledge-based inference. Here, we identify distinct neural circuitry underlying these two separate abilities. We designed two behavioral tasks in which macaque monkeys updated the values of certain items, either by directly experiencing changes in stimulus-reward associations, or by inferring the value of unexperienced items based on the task9s rules. Chemogenetic silencing of bilateral OFC combined with mathematical model-fitting analysis revealed that monkey OFC is involved in updating item value based on both experience and inference. In vivo imaging of chemogenetic receptors by positron emission tomography allowed us to map projections from the OFC to the rostromedial caudate nucleus (rmCD) and the medial part of the mediodorsal thalamus (MDm). Chemogenetic silencing of the OFC-rmCD pathway impaired experience- based value updating, while silencing the OFC-MDm pathway impaired inference-based value updating. Our results thus demonstrate a dissociable contribution of distinct OFC projections to different behavioral strategies, and provide new insights into the neural basis of value-based adaptive decision-making in primates.

The primate prefrontal cortex (PFC) is situated at the core of higher brain functions by linking and cooperating with the caudate nucleus (CD) and mediodorsal thalamus (MD) via neural circuits. However, the distinctive roles of these prefronto-subcortical pathways remain elusive. Combining in vivo neuronal projection mapping with chemogenetic synaptic silencing, we reversibly dissected key pathways from PFC to the CD and MD individually in single monkeys. We found that silencing the bilateral PFC-MD projections, but not the PFC-CD projections, impaired performance in a spatial working memory task. Conversely, silencing the unilateral PFC-CD projection, but not the PFC-MD projection, altered preference in a free-choice task. These results revealed dissociable roles of the prefronto-subcortical pathways in working memory and decision-making, representing the technical advantage of imaging-guided pathway-selective chemogenetic manipulation for dissecting neural circuits underlying cognitive functions in primates.

Abstract The chemogenetic technology referred to as designer receptors exclusively activated by designer drugs (DREADDs) offers reversible means to control neuronal activity for investigating its functional correlation with behavioral action. Deschloroclozapine (DCZ), a recently-developed highly potent and selective DREADDs actuator, displays a capacity to expand the utility of DREADDs for chronic manipulation without side-effects in nonhuman primates, which has not yet been validated. Here we investigated the pharmacokinetics and behavioral effects of orally administered DCZ in macaque monkeys. Pharmacokinetic analysis and positron emission tomography (PET) occupancy examination demonstrated that oral administration of DCZ yielded slower and prolonged kinetics, and that its bioavailability was 10-20% of that in the case of systemic injection. Oral DCZ (300-1000 μg/kg) induced significant working memory impairments for at least 4 h in monkeys with hM4Di expressed in the prefrontal cortex. Repeated daily oral doses of DCZ consistently caused similar impairments over two weeks without discernible desensitization. Our results indicate that orally delivered DCZ affords a less invasive strategy for chronic but reversible chemogenetic manipulation of neuronal activity in nonhuman primates, and this has potential for clinical application.

Abstract The orbitofrontal cortex (OFC) and its major downstream target within the basal ganglia—the rostromedial caudate nucleus (rmCD)—are involved in reward-value processing and goal-directed behavior. However, a causal contribution of the pathway linking these two structures to goal-directed behavior has not been established. Using the chemogenetic technology of Designer Receptors Exclusively Activated by Designer Drugs with a crossed inactivation design, we functionally and reversibly disrupted interactions between the OFC and rmCD in two male macaque monkeys. We injected an adeno-associated virus vector expressing an inhibitory designer receptor (hM4Di) into the OFC and contralateral rmCD, the expression of which was visualized in vivo by positron emission tomography (PET) and confirmed by post-mortem immunohistochemistry. Functional disconnection of the OFC and rmCD resulted in a significant and reproducible loss of sensitivity to the cued reward value for goal-directed action. This decreased sensitivity was most prominent when monkeys had accumulated a certain amount of reward. These results provide causal evidence that the interaction between the OFC and the rmCD is needed for motivational control of action on the basis of the relative reward value and internal drive. This finding extends current understanding of the physiological basis of psychiatric disorders in which goal-directed behavior is affected, such as obsessive-compulsive disorder. Significance Statement In daily life, we routinely adjust the speed and accuracy of our actions on the basis of the value of expected reward. Abnormalities in these kinds of motivational adjustments might be related to behaviors seen in psychiatric disorders such as obsessive-compulsive disorder. In the current study, we show that the connection from the orbitofrontal cortex to the rostromedial caudate nucleus is essential formotivational control of action in monkeys. This finding expands our knowledge about how the primate brain controls motivation and behavior and provides a particular insight into disorders like obsessive-compulsive disorder, in which altered connectivity between the orbitofrontal cortex and the striatum has been implicated.