Ventral tegmental area (VTA) dopamine neurons in the brain's reward circuit have a crucial role in mediating stress responses, including determining susceptibility versus resilience to social-stress-induced behavioural abnormalities. VTA dopamine neurons show two in vivo patterns of firing: low frequency tonic firing and high frequency phasic firing. Phasic firing of the neurons, which is well known to encode reward signals, is upregulated by repeated social-defeat stress, a highly validated mouse model of depression. Surprisingly, this pathophysiological effect is seen in susceptible mice only, with no apparent change in firing rate in resilient individuals. However, direct evidence--in real time--linking dopamine neuron phasic firing in promoting the susceptible (depression-like) phenotype is lacking. Here we took advantage of the temporal precision and cell-type and projection-pathway specificity of optogenetics to show that enhanced phasic firing of these neurons mediates susceptibility to social-defeat stress in freely behaving mice. We show that optogenetic induction of phasic, but not tonic, firing in VTA dopamine neurons of mice undergoing a subthreshold social-defeat paradigm rapidly induced a susceptible phenotype as measured by social avoidance and decreased sucrose preference. Optogenetic phasic stimulation of these neurons also quickly induced a susceptible phenotype in previously resilient mice that had been subjected to repeated social-defeat stress. Furthermore, we show differences in projection-pathway specificity in promoting stress susceptibility: phasic activation of VTA neurons projecting to the nucleus accumbens (NAc), but not to the medial prefrontal cortex (mPFC), induced susceptibility to social-defeat stress. Conversely, optogenetic inhibition of the VTA-NAc projection induced resilience, whereas inhibition of the VTA-mPFC projection promoted susceptibility. Overall, these studies reveal novel firing-pattern- and neural-circuit-specific mechanisms of depression.

BDNF, Dopamine, and Cocaine Reward The nucleus accumbens plays a crucial role in mediating the rewarding effects of drugs of abuse. Different subpopulations of nucleus accumbens projection neurons exhibit balanced but antagonistic influences on their downstream outputs and behaviors. However, their roles in regulating reward behaviors remains unclear. Lobo et al. (p. 385 ) evaluated the roles of the two subtypes of nucleus accumbens projection neurons, those expressing dopamine D1 versus D2 receptors, in cocaine reward. Deleting TrkB, the receptor for brain-derived neurotrophic factor, selectively in each cell type, and selectively controlling the firing of each cell type using optogenetic techniques allowed for confirmation that D1- and D2-containing neurons produced opposite effects on cocaine reward.

In this study, the authors show that subjecting adult animals to prolonged social isolation results in impaired heterochromatin formation in oligodendrocytes and decreased myelin thickness, specifically in the prefrontal cortex. This suggests that social experience can regulate myelin plasticity in the adult via an epigenetic program. Protracted social isolation of adult mice induced behavioral, transcriptional and ultrastructural changes in oligodendrocytes of the prefrontal cortex (PFC) and impaired adult myelination. Social re-integration was sufficient to normalize behavioral and transcriptional changes. Short periods of isolation affected chromatin and myelin, but did not induce behavioral changes. Thus, myelinating oligodendrocytes in the adult PFC respond to social interaction with chromatin changes, suggesting that myelination acts as a form of adult plasticity.

Brain stimulation and imaging studies in humans have highlighted a key role for the prefrontal cortex in clinical depression; however, it remains unknown whether excitation or inhibition of prefrontal cortical neuronal activity is associated with antidepressant responses. Here, we examined cellular indicators of functional activity, including the immediate early genes (IEGs) zif268 ( egr1 ), c-fos , and arc , in the prefrontal cortex of clinically depressed humans obtained postmortem. We also examined these genes in the ventral portion of the medial prefrontal cortex (mPFC) of mice after chronic social defeat stress, a mouse model of depression. In addition, we used viral vectors to overexpress channel rhodopsin 2 (a light-activated cation channel) in mouse mPFC to optogenetically drive “burst” patterns of cortical firing in vivo and examine the behavioral consequences. Prefrontal cortical tissue derived from clinically depressed humans displayed significant reductions in IEG expression, consistent with a deficit in neuronal activity within this brain region. Mice subjected to chronic social defeat stress exhibited similar reductions in levels of IEG expression in mPFC. Interestingly, some of these changes were not observed in defeated mice that escape the deleterious consequences of the stress, i.e., resilient animals. In those mice that expressed a strong depressive-like phenotype, i.e., susceptible animals, optogenetic stimulation of mPFC exerted potent antidepressant-like effects, without affecting general locomotor activity, anxiety-like behaviors, or social memory. These results indicate that the activity of the mPFC is a key determinant of depression-like behavior, as well as antidepressant responses.

EDITORIAL article Front. Behav. Neurosci., 20 January 2015Sec. Learning and Memory https://doi.org/10.3389/fnbeh.2015.00001

It is widely assumed that D1 and D2 dopamine receptor-expressing striatal neurons code for discrete pathways in the basal ganglia. Combining optogenetics and electrophysiology, the authors show that this output architecture does not apply to nucleus accumbens neurons. Current thinking attributing D1/D2 selectivity to accumbens projections thus should be reconsidered. It is widely accepted that D1 dopamine receptor–expressing striatal neurons convey their information directly to the output nuclei of the basal ganglia, whereas D2-expressing neurons do so indirectly via pallidal neurons. Combining optogenetics and electrophysiology, we found that this architecture does not apply to mouse nucleus accumbens projections to the ventral pallidum. Thus, current thinking attributing D1 and D2 selectivity to accumbens projections akin to dorsal striatal pathways needs to be reconsidered.

The striatum plays a key role in mediating the acute and chronic effects of addictive drugs, with drugs of abuse causing long-lasting molecular and cellular alterations in both dorsal striatum and nucleus accumbens (ventral striatum). Despite the wealth of research on the biological actions of abused drugs in striatum, until recently, the distinct roles of the striatum's two major subtypes of medium spiny neurons (MSNs) in drug addiction remained elusive. Recent advances in cell-type-specific technologies, including fluorescent reporter mice, transgenic, or knockout mice, and viral-mediated gene transfer, have advanced the field toward a more comprehensive understanding of the two MSN subtypes in the long-term actions of drugs of abuse. Here we review progress in defining the distinct molecular and functional contributions of the two MSN subtypes in mediating addiction.

The nucleus accumbens is a critical mediator of depression-related outcomes to social defeat stress. Previous studies demonstrate distinct neuroplasticity adaptations in the two medium spiny neuron (MSN) subtypes, those enriched in dopamine receptor D1 versus dopamine receptor D2, in reward and reinforcement leading to opposing roles for these MSNs in these behaviors. However, the distinct roles of nucleus accumbens MSN subtypes, in depression, remain poorly understood.Using whole-cell patch clamp electrophysiology, we examined excitatory input to MSN subtypes and intrinsic excitability measures in D1-green fluorescent protein and D2-green fluorescent protein bacterial artificial chromosome transgenic mice that underwent chronic social defeat stress (CSDS). Optogenetic and pharmacogenetic approaches were used to bidirectionally alter firing of D1-MSNs or D2-MSNs after CSDS or before a subthreshold social defeat stress in D1-Cre or D2-Cre bacterial artificial chromosome transgenic mice.We demonstrate that the frequency of excitatory synaptic input is decreased in D1-MSNs and increased in D2-MSNs in mice displaying depression-like behaviors after CSDS. Enhancing activity in D1-MSNs results in resilient behavioral outcomes, while inhibition of these MSNs induces depression-like outcomes after CSDS. Bidirectional modulation of D2-MSNs does not alter behavioral responses to CSDS; however, repeated activation of D2-MSNs in stress naïve mice induces social avoidance following subthreshold social defeat stress.Our studies uncover novel functions of MSN subtypes in depression-like outcomes. Notably, bidirectional alteration of D1-MSN activity promotes opposite behavioral outcomes to chronic social stress. Therefore, targeting D1-MSN activity may provide novel treatment strategies for depression or other affective disorders.