Abstract How does the prefrontal cortex (PFC) regulate motivated behavior? Our experiments characterize the circuits of the PFC regulating motivation, reinforcement and dopamine activity, revealing a novel cortico-thalamic loop. The stimulation of medial PFC (mPFC) neurons activated many downstream regions, as shown by functional MRI. Axonal terminal stimulation of mPFC neurons in downstream regions, including the anteromedial thalamic nucleus (AM), reinforced behavior and activated midbrain dopaminergic neurons. The stimulation of AM neurons projecting to the mPFC also reinforced behavior and activated dopamine neurons, and mPFC and AM showed a positive-feedback loop organization. Reciprocal excitatory functional connectivity, as well as co-activation of the two regions, was found in human participants who watched reinforcing videos. Our results suggest that this cortico-thalamic loop regulates motivation, reinforcement and dopaminergic neuron activity.

Abstract The supramammillary region (SuM) is a posterior hypothalamic structure, known to regulate hippocampal theta oscillations and arousal. However, recent studies reported that the stimulation of SuM neurons with neuroactive chemicals, including substances of abuse, is reinforcing. We conducted experiments to illuminate how SuM neurons mediate such effects. The excitation of SuM glutamatergic (GLU) neurons was reinforcing in mice; this effect was relayed by the projections to septal GLU neurons. SuM neurons were active during exploration and approach behavior and diminished activity during sucrose consumption. Consistently, inhibition of SuM neurons disrupted approach responses, but not sucrose consumption. Such functions are similar to those of mesolimbic dopamine neurons. Indeed, the stimulation of SuM-to-septum GLU neurons and septum-to-ventral tegmental area (VTA) GLU neurons activated mesolimbic dopamine neurons. We propose that the supramammillo-septo-VTA pathway is important in reinforcement and approach motivation and may play an important role in mood and substance-use disorders.

Abstract Withdrawal symptoms are observed upon cessation of cannabis use in humans. Although animal studies have examined withdrawal symptoms following exposure to delta-9-tetrahydrocannabinol (THC), difficulties in obtaining objective measures of spontaneous withdrawal using paradigms that mimic cessation of use in humans have slowed research. The neuromodulator dopamine (DA) is known to be affected by chronic THC treatment and plays a role in many behaviors related to human THC withdrawal symptoms. These symptoms include sleep disturbances that often drive relapse, and emotional behaviors, e.g., irritability and anhedonia. We examined THC withdrawal-induced changes in striatal DA release and the extent to which sleep disruption and behavioral maladaptation manifest during withdrawal in a mouse chronic cannabis exposure model. Using a THC treatment regimen known to produce tolerance we measured electrically elicited DA release in acute brain slices from different striatal subregions during early and late THC abstinence. Long-term polysomnographic recordings from mice were used to assess vigilance state and sleep architecture before, during, and after THC treatment. We additionally assessed how behaviors that model human withdrawal symptoms are altered by chronic THC treatment in early and late abstinence. We detected altered striatal DA release, sleep disturbances that mimic clinical observations, and behavioral maladaptation in mice following tolerance inducing THC treatment. Sex differences were observed in nearly all metrics. Altered striatal DA release, sleep and affect-related behaviors associated with spontaneous THC abstinence were more consistently observed in male mice. To our knowledge these findings provide the first model of directly translatable non-precipitated cannabis withdrawal symptoms, in particular, sleep disruption.

Head-fixation of awake rodents is a method that allows for sophisticated investigation and manipulation of neural circuits in vivo, that would otherwise be impossible in completely freely moving animals. However, while it is known that head-fixation induces stress, its scale and habituation dynamics remain unclear. Thus, interpretation of physiological and behavioral experiments would greatly benefit from the characterization of the stress response. In our study, we used the Mobile HomeCage system (Neurotar, Finland) where animals are head-fixed to an aluminum frame, but otherwise freely moving in an ultralight carbon container floating above an air-dispensing base. To better understand this experimental environment, we analyzed locomotion and stress during an extended habituation protocol. For 25 consecutive days, mice were prepared as they would be for recording experiments, i.e. head-fixed while standing on the air-lifted platform for 2 hours per day. Throughout 25 days, blood samples were taken periodically from the tail vein to measure variation in the stress-related hormone, corticosterone. These data were compared and contrasted with behavioral data including locomotion during the 2-hours head-fixed habituation sessions and several classical behavioral measurements known to be affected by chronic mild stress.