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 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 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 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 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 Family and twin studies demonstrate that genetic factors determine 20-60% of the vulnerability to opioid use disorder. However, the genes/alleles that mediate the risk of developing addiction-related behaviors, including the sensitivity to the analgesic efficacy of opioids, the development of tolerance, dependence, and escalation of oxycodone taking and seeking, have been ill-defined, thus hindering efforts to design pharmacological interventions to enable precision medicine strategies. Here we characterized oxycodone addiction-like behaviors in heterogeneous stock (HS) rats, that show high genetic diversity that mimics the high genetic variability in humans. HS rats were allowed to self-administer oxycodone for two h/daily for four days (ShA) and then moved to 12h/daily (LgA) for 14 days. Animals were screened for motivation to self-administer oxycodone using a progressive-ratio (PR) schedule of reinforcement and for the development of withdrawal-induced hyperalgesia and tolerance to the analgesic effects of oxycodone using the von-Frey and tail immersion tests, respectively. To reduce cohort-specific effects, we used cohorts of 46-60 rats and normalized the response level within cohorts using a Z-score. To take advantage of the four opioid-related behaviors and further identify subjects that are consistently vulnerable vs . resilient to compulsive oxycodone use, we computed an Addiction Index by averaging normalized responding (Z-scores) for the four behavioral tests. Results showed high individual variability between vulnerable and resilient rats, likely to facilitate the detection of gene variants associated with vulnerable vs . resilient individuals. Such data will have considerable translational value for designing follow-up studies in humans.

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.

Background: Cocaine addiction is a major public health problem. Despite decades of intense research, no effective treatments are available. Both preclinical and clinical studies of drug addiction strongly suggest that the nucleus accumbens (NAcc) is a viable target for deep brain stimulation (DBS). Objective: Although previous studies have shown that DBS of the NAcc decreases cocaine seeking and reinstatement, the effects of DBS on cocaine intake in cocaine-dependent animals have not yet been investigated. Methods: Rats were made cocaine-dependent by allowing them to self-administer cocaine in long-access sessions (6 h, 0.5 mg/kg/infusion). The effects of high-frequency DBS of the NAcc shell on cocaine intake was then studied. Furthermore, cocaine-induced locomotor activity, irritability-like behavior during cocaine abstinence and the levels of the α-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazolepropionic acid (AMPA) receptor subunits 1 and 2 (GluR1/GluA1 and GluR2/GluA2) after DBS were investigated. Results: Contrary to our expectations, DBS of the NAcc shell induced a slight increase in both cocaine self-administration and cocaine-induced locomotor activity. In addition, 18 h into cocaine withdrawal, we found that DBS decreased irritability-like behavior. We also found that DBS-induced a robust increase in both cytosolic and synaptosomal levels of GluR1, but not GluR2, specifically in the central nucleus of the amygdala but not in other brain regions. Conclusions: These preclinical results with cocaine-dependent animals do not support high-frequency DBS of the NAcc shell as a therapeutic approach for the treatment of cocaine addiction in active cocaine users. However, the decrease in irritability-like behavior during cocaine abstinence, together with previous findings showing that DBS of the NAcc shell reduces the reinstatement of cocaine seeking in abstinent animals, warrants future investigations of DBS as a treatment for negative emotional states and craving during abstinence.

Abstract Rationale Current medications for opioid use disorder include buprenorphine, methadone, and naltrexone. While these medications show significant efficacy in reducing craving and opioid use, there are substantial individual differences in response to these treatments in humans. The reason for such difference is poorly known. Objectives Here, we tested the hypothesis that similar individual differences may be observed in a large population of heterogenous stock rats, that have been bred to maximize genetic diversity, using a behavioral paradigm relevant to opioid use disorder. Methods Over 500 rats were given intermittent (4d/week) and extended access (12h/day) to oxycodone self-administration for 14 sessions to establish oxycodone dependence and escalation of intake. We then measured the effect of buprenorphine (0.5mg/kg), methadone (3mg/kg) and naltrexone (3mg/kg) on the motivation to self-administer oxycodone by using a progressive ratio schedule of reinforcement. Results We found that naltrexone and buprenorphine significantly decreased motivation to oxycodone rewards. While naltrexone reduced oxycodone intake in both males and females, systemic administration with buprenorphine reduced progressive ratio responses only in males. Methadone reduced motivation to oxycodone self-administration in nearly 25% of the population, without reaching statical significance. Our results showed that the efficacy of these medications depends on the severity of addiction like behaviors, indicated by the addiction index. Conclusions These results demonstrate individual differences in response to medications to treat opioid use disorder in a genetically diverse population of rats.

Abstract A major limitation of the most widely used current animal models of alcohol dependence is that they use forced exposure to ethanol including ethanol-containing liquid diet and chronic intermittent ethanol (CIE) vapor to produce clinically relevant blood alcohol levels (BAL) and addiction-like behaviors. We recently developed a novel animal model of voluntary induction of alcohol dependence using ethanol vapor self-administration (EVSA). In this model, naive outbred rats given intermittent access to alcohol vapor self-administration exhibit BAL in the 150-300 mg% range and develop somatic signs of withdrawal during acute abstinence. However, it is unknown whether EVSA leads to an escalation of alcohol drinking per se , and whether such escalation is associated with neuroadaptations in brain regions related to stress, reward, and habit. To address these issues, we compared the levels of alcohol drinking during withdrawal between rats passively exposed to alcohol (CIE) or voluntarily exposed to EVSA and measured the number of Fos+ neurons during acute withdrawal (16 h) in the central nucleus of the amygdala (CeA), dorsomedial striatum (DMS), dorsolateral striatum (DLS), nucleus accumbens core (Nacc), periaqueducal grey area (PAG), lateral Habenula (HbL), and the paraventricular nucleus of the thalamus (PVT). The rats were first trained to orally self-administer alcohol in standard operant chambers and then divided in 4 groups (CIE, CI-Air, EVSA and Air-SA) and exposed to intermittent ethanol vapor (passive or active) or intermittent air (passive or active) for 8 h/day, 3 days a week. CIE and EVSA rats exhibited similar BAL (150-300 mg% range) and similar escalation of alcohol drinking during withdrawal, while no changes in terms of drinking were observed in the air exposed rats. CIE and EVSA also increased the motivation for alcohol compared to their respective air control groups under a progressive ratio schedule of reinforcement. Acute withdrawal from EVSA and CIE recruited a similar number of Fos+ neurons in the CeA, however, acute withdrawal from EVSA recruited a higher number of Fos+ neurons in every other brain region analyzed compared to acute withdrawal from CIE. Moreover, acute withdrawal from EVSA specifically recruited the DMS and PVT, a pattern not observed in CIE rats. In summary, these results demonstrate that EVSA produces similar escalation of alcohol drinking, motivation to drink, and blood-alcohol levels than the CIE model, while letting animals voluntary initiate alcohol exposure and maintain alcohol dependence. Moreover, while the behavioral measures of alcohol dependence between the voluntary (EVSA) and passive (CIE) model was similar, the recruitment of neuronal ensembles during acute withdrawal was very different with a higher recruitment of Fos+ neurons in key brain regions important for stress, reward and habit-related processes. The EVSA model may be particularly useful to unveil the neuronal networks and pharmacology responsible for the voluntary induction and maintenance of alcohol dependence and may improve translational studies by providing preclinical researchers with an animal model with better face validity for alcohol use disorder.