Many drugs of abuse exert their addictive effects by increasing extracellular dopamine in the nucleus accumbens, where they likely alter the plasticity of corticostriatal glutamatergic transmission. This mechanism implies key molecular alterations in neurons in which both dopamine and glutamate inputs are activated. Extracellular signal-regulated kinase (ERK), an enzyme important for long-term synaptic plasticity, is a good candidate for playing such a role. Here, we show in mouse that d -amphetamine activates ERK in a subset of medium-size spiny neurons of the dorsal striatum and nucleus accumbens, through the combined action of glutamate NMDA and D1-dopamine receptors. Activation of ERK by d -amphetamine or by widely abused drugs, including cocaine, nicotine, morphine, and Δ 9 -tetrahydrocannabinol was absent in mice lacking dopamine- and cAMP-regulated phosphoprotein of M r 32,000 (DARPP-32). The effects of d -amphetamine or cocaine on ERK activation in the striatum, but not in the prefrontal cortex, were prevented by point mutation of Thr-34, a DARPP-32 residue specifically involved in protein phosphatase-1 inhibition. Regulation by DARPP-32 occurred both upstream of ERK and at the level of striatal-enriched tyrosine phosphatase (STEP). Blockade of the ERK pathway or mutation of DARPP-32 altered locomotor sensitization induced by a single injection of psychostimulants, demonstrating the functional relevance of this regulation. Thus, activation of ERK, by a multilevel protein phosphatase-controlled mechanism, functions as a detector of coincidence of dopamine and glutamate signals converging on medium-size striatal neurons and is critical for long-lasting effects of drugs of abuse.

Drug-evoked synaptic plasticity is observed at many synapses and may underlie behavioural adaptations in addiction. Mechanistic investigations start with the identification of the molecular drug targets. Cocaine, for example, exerts its reinforcing and early neuroadaptive effects by inhibiting the dopamine transporter, thus causing a strong increase in mesolimbic dopamine. Among the many signalling pathways subsequently engaged, phosphorylation of the extracellular signal-regulated kinase (ERK) in the nucleus accumbens is of particular interest because it has been implicated in NMDA-receptor and type 1 dopamine (D1)-receptor-dependent synaptic potentiation as well as in several behavioural adaptations. A causal link between drug-evoked plasticity at identified synapses and behavioural adaptations, however, is missing, and the benefits of restoring baseline transmission have yet to be demonstrated. Here we find that cocaine potentiates excitatory transmission in D1-receptor-expressing medium-sized spiny neurons (D1R-MSNs) in mice via ERK signalling with a time course that parallels locomotor sensitization. Depotentiation of cortical nucleus accumbens inputs by optogenetic stimulation in vivo efficiently restored normal transmission and abolished cocaine-induced locomotor sensitization. These findings establish synaptic potentiation selectively in D1R-MSNs as a mechanism underlying a core component of addiction, probably by creating an imbalance between distinct populations of MSNs in the nucleus accumbens. Our data also provide proof of principle that reversal of cocaine-evoked synaptic plasticity can treat behavioural alterations caused by addictive drugs and may inspire novel therapeutic approaches involving deep brain stimulation or transcranial magnetic stimulation.

Nucleus accumbens neurons serve to integrate information from cortical and limbic regions to direct behaviour. Addictive drugs are proposed to hijack this system, enabling drug-associated cues to trigger relapse to drug seeking. However, the connections affected and proof of causality remain to be established. Here we use a mouse model of delayed cue-associated cocaine seeking with ex vivo electrophysiology in optogenetically delineated circuits. We find that seeking correlates with rectifying AMPA (α-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazole propionic acid) receptor transmission and a reduced AMPA/NMDA (N-methyl-d-aspartate) ratio at medial prefrontal cortex (mPFC) to nucleus accumbens shell D1-receptor medium-sized spiny neurons (D1R-MSNs). In contrast, the AMPA/NMDA ratio increases at ventral hippocampus to D1R-MSNs. Optogenetic reversal of cocaine-evoked plasticity at both inputs abolishes seeking, whereas selective reversal at mPFC or ventral hippocampus synapses impairs response discrimination or reduces response vigour during seeking, respectively. Taken together, we describe how information integration in the nucleus accumbens is commandeered by cocaine at discrete synapses to allow relapse. Our approach holds promise for identifying synaptic causalities in other behavioural disorders. Information integration in the nucleus accumbens is commandeered by cocaine at discrete synapses to allow relapse. Addictive drugs are thought to hijack the neural circuits in integrative brain centres, such as the nucleus accumbens, that send signals to various brain regions to control behavioural responses. Drug-associated cues can become powerful triggers of drug-seeking behaviour because of such manipulations, increasing the chance of relapse after the cessation of drug-taking. Here Christian Lüscher and colleagues identify cocaine-evoked alterations to specific neural pathways in projections from the prefrontal cortex or ventral hippocampus that interact with separate dopaminergic populations in the nucleus accumbens of mice. Manipulation of drug-induced plasticity within both these pathways abolishes drug-seeking behaviour, whereas disrupting plasticity in just one pathway impairs drug-response discrimination or the vigour of cue responses. These findings reveal the plasticity mechanisms underlying information integration at the nucleus accumbens and show how drugs like cocaine can alter this plasticity to permit relapse.

Drugs, Dopamine, and Disinhibition Drugs often change the neuronal circuitry in the brain and thereby cause a long-lasting change in behavior. Using a wide range of in vivo and in vitro techniques in mice, Bocklisch et al. (p. 1521 ) observed that cocaine profoundly altered dopamine neuron function and that drug-evoked synaptic plasticity in a specific set of neurons represents a crucial step in circuit remodeling.

Reversing cocaine-evoked behavior in mice Therapeutic optogenetic protocols are highly effective at reversing symptoms in animal models of neuropsychiatric disease. However, translating these protocols into the clinic is challenging because we have not yet made the technical leap required to perform effective optogenetic stimulation in primates. Creed et al. tested whether it would be possible to circumvent these challenges by avoiding the problem altogether. They adjusted an existing therapeutic approach—deep brain stimulation—to mimic an effective optogenetic stimulation protocol to treat a mouse model of cocaine addiction. Science , this issue p. 659

Compulsive drug use despite adverse consequences defines addiction. While mesolimbic dopamine signaling is sufficient to drive compulsion, psychostimulants such as cocaine also boost extracellular serotonin (5-HT) by inhibiting reuptake. We used SERT Met172 knockin (SertKI) mice carrying a transporter that no longer binds cocaine to abolish 5-HT transients during drug self-administration. SertKI mice showed an enhanced transition to compulsion. Conversely, pharmacologically elevating 5-HT reversed the inherently high rate of compulsion transition with optogenetic dopamine self-stimulation. The bidirectional effect on behavior is explained by presynaptic depression of orbitofrontal cortex–to–dorsal striatum synapses induced by 5-HT via 5-HT1B receptors. Consequently, in projection-specific 5-HT1B receptor knockout mice, the fraction of individuals compulsively self-administering cocaine was elevated.

Abstract Addicted individuals compulsively seek drugs. Cortico-striatal projections have been implicated in persevering to seek rewards even when punished. The temporo-spatial determinants of the activity underlying the compulsive reward seeking however remains elusive. Here we trained mice in a seek-take chain, rewarded by optogenetic dopamine neuron self-stimulation (oDASS). Mice that persevered when seeking was punished, exhibited an increased AMPA/NMDA ratio selectively at orbitofrontal cortex (OFC) to dorsal striatum (DS) synapses. In addition, an activity peak of spiny projection neurons (SPNs) in the DS at the moment of signalled reward availability was detected. Chemogenetic inhibition of OFC neurons curbed the activity peak and reduced punished reward seeking, as did optogenetic hyperpolarization of SPNs time locked to the cue predicting reward availability, establishing a causal link. Taken together, we conclude that the strengthening of OFC-DS synapses drives SPNs activity when a reward predictive cue is delivered, thus encouraging reward seeking in subsequent trials.

Abstract Prescription stimulants, such as d-amphetamine or methylphenidate, are potent dopamine (DA) and norepinephrine (NE) releasers used to treat children and adults diagnosed for attention-deficit/hyperactivity disorder (ADHD). Although increased phosphorylation of the AMPA receptor subunit GluA1 at Ser845 (pS845-GluA1) in the striatum has been identified as an important cellular effector for the actions of these drugs, regulation of this posttranslational modification in the cerebellum has never been recognized. Here, we demonstrate that d-amphetamine and methylphenidate increase pS845-GluA1 in the membrane fraction in both vermis and lateral hemispheres of the mouse cerebellum. This regulation occurs selectively in Bergmann Glia Cells and requires intact norepinephrine release since the effects were abolished in mice lacking the vesicular monoamine transporter-2 selectively in NE neurons. Moreover, d-amphetamine-induced pS845-GluA1 was prevented by β1-adenoreceptor antagonist, whereas the blockade of dopamine D1 receptor had no effect. Additionally, we identified transcriptional alterations of several regulators of the cAMP/PKA pathway, which might account for the absence of pS845-GluA1 desensitization in mice repeatedly exposed to d-amphetamine or methylphenidate. Together, these results point to norepinephrine transmission as a key regulator of GluA1 phosphorylation in Bergmann Glial Cells, which may represent a new target for the treatment of ADHD.