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 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 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.

Abstract An emerging element in psychiatry is the gut-brain-axis, the bi-directional communication pathways between the gut microbiome and the brain. A prominent hypothesis, mostly based on preclinical studies, is that individual differences in the gut microbiome composition and drug-induced dysbiosis may be associated with vulnerability to psychiatric disorders including substance use disorder. However, most studies used small sample size, ignored individual differences, or used animal models with limited relevance to addiction. Here, we test the hypothesis that pre-existing microbiome composition and drug-induced changes in microbiome composition can predict addiction-like behaviors using an advanced animal model of extended access to cocaine self-administration in a large cohort of heterogenous stock (HS) rats. Adult male and female HS rats were allowed to self-administer cocaine under short (2h/day) and long access (6h/day) for ~7 weeks under various schedule of reinforcement to identify individuals that are resistant or vulnerable to addiction-like behaviors and fecal samples were collected before the first session and after the last session to assess differences in the microbiome composition. Linear discriminant analysis (LDA) identified sex-dependent and sex-independent differences at the phylum, order, and species level that are differentially abundant in resistant vs. vulnerable individuals, including high level of actinobacteria both before the first exposure to cocaine and after 7 weeks of cocaine self-administration in resistant animals. Predictions of functional gene content using PICRUSt revealed differential regulation of short-chain fatty acid processing in the vulnerable group after self-administration. These results identify microbiome constituents as well as metabolic pathways that are associated with resistance or vulnerability to addiction-like behaviors in rats. Identification of microbes and tangential metabolic pathways involved in cocaine resilience/vulnerability may represent an innovative strategy for the development of novel biomarkers and medication for the treatment of cocaine use disorder.

Abstract In addition to its pleasurable effects, weight control is a significant contributor to initiation, maintenance and relapse of cocaine use. This suggests that individual differences in bodyweight control and feeding hormones, such as leptin may contribute to the vulnerability to cocaine use disorder. While pre-clinical studies have shown a mutually inhibitory relationship between leptin and cocaine, they have used small sample sizes and did not investigate individual differences in a large heterogeneous population. Here, we tested if individual differences in bodyweight and blood leptin level is associated with high or low vulnerability to addiction-like behaviors using data from 500 heterogenous stock rats and 160 blood samples from the Cocaine Biobank, using a model of extended access to intravenous self-administration of cocaine. Finally, we tested a separate cohort to evaluate the causal effect of exogenous leptin administration on cocaine seeking. Bodyweight, while changing due to cocaine self-administration in males, was not related to the vulnerability to addiction-like behavior. Blood leptin levels after ~6 weeks of cocaine self-administration did not correlate with addiction-like behaviors, however, baseline blood leptin levels before any access to cocaine negatively predicted addiction-like behavior. Finally, administration of leptin reduced cocaine intake after acute withdrawal and cocaine seeking after 6 weeks of protracted abstinence. These results demonstrate that high blood leptin level before access to cocaine may be a protective factor against the development of cocaine addiction-like behavior, that exogenous leptin reduces the motivation to take and seek cocaine, but that blood leptin level and bodyweight changes in current users are not good biomarkers for addiction-like behaviors.

Abstract Rationale and objectives Recent studies reported that when given a mutually exclusive choice between cocaine and palatable food, most rats prefer the non-drug reward over cocaine. However, these studies used rat strains with limited genetic and behavioral diversity. Here, we used a unique outbred strain of rats (Heterogeneous Stock, HS) that mimic the genetic variability of humans. Methods We first identified individual differences in addiction-like behaviors (low and high). Next, we tested choice between cocaine and palatable food using a discrete choice procedure. We characterized the individual differences using an Addiction score that incorporates key features of addiction: escalated intake, highly motivated responding (progressive ratio), and responding despite adverse consequences (footshock punishment). We assessed food vs. cocaine choice at different drug-free days (without pre-trial cocaine self administration) during acquisition of cocaine self-administration or after escalation of cocaine self-administration. We also assessed drug vs. food choice immediately after 1-, 2-, or 6-h cocaine self-administration. Results Independent of the addiction score, without pre-trial coccaine (1 or more abstinence days) HS rats strongly preferred the palatable food over cocaine, even if the food reward was delayed or its size was reduced. However, rats with high but not low addiction score modestly increased cocaine choice immediately after 1-, 2- or 6-h cocaine self-administration. Conclusions Like other strains, HS rats strongly prefer palatable food over cocaine. Individual differences in addiction score were associated with increased drug choice in the presence but not absence (abstinence) of cocaine. The HS strain may be useful in studies on mechanisms of addiction vulnerability.

Abstract Substance abuse and addiction represent a significant public health problem that impacts multiple dimensions of society, including healthcare, the economy, and the workforce. In 2021, over 100,000 drug overdose deaths were reported in the US, with an alarming increase in fatalities related to opioids and psychostimulants. Understanding the fundamental gene regulatory mechanisms underlying addiction and related behaviors could facilitate more effective treatments. To explore how repeated drug exposure alters gene regulatory networks in the brain, we combined capped small (cs)RNA-seq, which accurately captures nascent-like initiating transcripts from total RNA, with Hi-C and single nuclei (sn)ATAC-seq. We profiled initiating transcripts in two addiction-related brain regions, the prefrontal cortex (PFC) and the nucleus accumbens (NAc), from rats that were never exposed to drugs or were subjected to prolonged abstinence after oxycodone or cocaine intravenous self-administration (IVSA). Interrogating over 100,000 active transcription start regions (TSRs) revealed that most TSRs had hallmarks of bonafide enhancers and highlighted the KLF/SP1, RFX, and AP1 transcription factors families as central to establishing brain-specific gene regulatory programs. Analysis of rats with addiction-like behaviors versus controls identified addiction-associated repression of transcription at regulatory enhancers recognized by nuclear receptor subfamily 3 group C (NR3C) factors, which include glucocorticoid receptors. Cell-type deconvolution analysis using snATAC-seq uncovered a potential role of glial cells in driving the gene regulatory programs associated with addiction-related phenotypes. These findings highlight the power of advanced transcriptomics methods to provide insight into how addiction perturbs gene regulatory programs in the brain.