Abstract Dopamine neurons respond to cues to reflect the value of associated outcomes. These cue-evoked dopamine responses can encode the relative rate of reward in rats with extensive Pavlovian training. Specifically, a cue that always follows the previous reward by a short delay (high reward rate) evokes a larger dopamine response in the nucleus accumbens (NAc) core relative to a distinct cue that always follows the prior reward by a long delay (low reward rate). However, it was unclear if these reward rate dopamine signals are evident during early Pavlovian training sessions and across NAc subregions. To address this, we performed fast-scan cyclic voltammetry recordings of dopamine levels to track the pattern of cue- and reward-evoked dopamine signals in the NAc core and medial NAc shell. We identified regional differences in the progression of cue-evoked dopamine signals across training. However, the dopamine response to cues did not reflect the reward rate in either the NAc core or the medial NAc shell during early training sessions. Pharmacological experiments found that dopamine-sensitive conditioned responding emerged in the NAc core before the medial NAc shell. Together, these findings illustrate regional differences in NAc dopamine release and its control over behavior during early Pavlovian learning.

Survival requires the selection of appropriate behaviour in response to threats, and dysregulated defensive reactions are associated with psychiatric illnesses such as posttraumatic stress and panic disorder. 1 Threat-induced behaviours, including freezing and flight, are controlled by neuronal circuits in the central amygdala (CeA) 2 ; however, the source of neuronal excitation to the CeA that contributes to high-intensity defensive responses is unknown. Here we used a combination of neuroanatomical mapping, in-vivo calcium imaging, functional manipulations, and electrophysiology to characterize a previously unknown projection from the dorsal peduncular (DP) prefrontal cortex to the CeA. DP-to-CeA neurons are glutamatergic and specifically target the medial CeA, the main amygdalar output nucleus. Using a behavioural paradigm that elicits both freezing and flight, we found that CeA-projecting DP neurons are activated by high-intensity threats in a context-dependent manner. Functional manipulations revealed that the DP-to-CeA pathway is necessary and sufficient for both avoidance behaviour and flight. Furthermore, we found that DP projections target distinct medial CeA neuronal populations projecting to midbrain flight centres. These results elucidate a non-canonical top-down pathway regulating defensive responses.

To survive, animals must meet their biological needs while simultaneously avoiding danger. However, the neurobiological basis of appetitive and aversive survival behaviors has historically been studied using separate behavioral tasks. While recent studies in mice have quantified appetitive and aversive conditioned responses simultaneously (Heinz et al., 2017; Jikomes et al., 2016), these tasks required different behavioral responses to each stimulus. As many brain regions involved in survival behavior process stimuli of opposite valence, we developed a paradigm in which mice perform the same response (nosepoke) to distinct auditory cues to obtain a rewarding outcome (palatable food) or avoid an aversive outcome (mild footshoock). This design allows for both within- and between-subject comparisons as animals respond to appetitive and aversive cues. The central nucleus of the amygdala (CeA) is implicated in the regulation of responses to stimuli of either valence. Considering its role in threat processing (Haubensak et al., 2010; Wilensky et al., 2006) and regulation of incentive salience (Warlow and Berridge, 2021), it is important to examine the contribution of the CeA to mechanisms potentially underlying comorbid dysregulation of avoidance and reward (Bolton et al., 2009; Sinha, 2008). Using this paradigm, we tested the role of two molecularly defined CeA subtypes previously linked to consummatory and defensive behaviors. Significant strain differences in the acquisition and performance of the task were observed. Bidirectional chemogenetic manipulation of CeA somatostatin (SOM) neurons altered motivation for reward and perseveration of reward-seeking responses on avoidance trials. Manipulation of corticotropin-releasing factor neurons (CRF) had no significant effect on food reward consumption, motivation, or task performance. This paradigm will facilitate investigations into the neuronal mechanisms controlling motivated behavior across valences.It is unclear how different neuronal populations contribute to reward- and aversion-driven behaviors within a subject. To address this question, we developed a novel behavioral paradigm in which mice obtain food and avoid footshocks via the same operant response. We then use this paradigm to test how the central amygdala coordinates appetitive and aversive behavioral responses. By testing somatostatin-IRES-Cre and CRF-IRES-Cre transgenic lines, we found significant differences between strains on task acquisition and performance. Using chemogenetics, we demonstrate that CeA SOM+ neurons regulate motivation for reward, while manipulation of CeA CRF+ neurons had no effect on task performance. Future studies investigating the interaction between positive and negative motivation circuits should benefit from the use of this dual valence paradigm.

Acute stress transiently increases vigilance, whereby enhancing the detection of salient stimuli. This increased perceptual sensitivity is thought to promote associating rewarding outcomes with relevant cues. The mesolimbic dopamine system is critical for learning cue-reward associations. Dopamine levels in the ventral striatum are elevated following exposure to stress. Together, this suggests the mesolimbic dopamine system could mediate the influence of acute stress on cue-reward learning. To address this possibility, we examined how a single stressful experience influenced learning in an appetitive Pavlovian conditioning task. Male rats underwent an episode of restraint prior to the first conditioning session. This acute stress treatment augmented conditioned responding in subsequent sessions. Voltammetry recordings of mesolimbic dopamine levels demonstrated that acute stress selectively increased reward-evoked dopamine release in the ventral lateral striatum (VLS), but not in the ventral medial striatum (VMS). Antagonizing dopamine receptors in the VLS blocked the stress-induced enhancement of conditioned responding. Collectively, these findings illustrate that stress engages dopamine signaling in the VLS to facilitate appetitive learning.

Abstract Rationale Learning the association between rewards and predictive cues is critical for appetitive behavioral responding. The mesolimbic dopamine system is thought to play an integral role in establishing these cue-reward associations. The dopamine response to cues can signal differences in reward value, though this emerges only after significant training. This suggests that the dopamine system may differentially regulate behavioral responding depending on the phase of training. Objectives The purpose of this study was to determine whether antagonizing dopamine receptors elicited different effects on behavior depending on the phase of training or the type of Pavlovian task. Methods Separate groups of male rats were trained on Pavlovian tasks in which distinct audio cues signaled either differences in reward size or differences in reward rate. The dopamine receptor antagonist flupenthixol was systemically administered prior to either the first ten sessions of training (acquisition phase) or the second ten sessions of training (expression phase) and we monitored the effect of these manipulations for an additional ten training sessions. Results We identified acute effects of dopamine receptor antagonism on conditioned responding, the latency to respond, and post-reward head entries in both Pavlovian tasks. Interestingly, dopamine receptor antagonism during the expression phase produced persistent deficits in behavioral responding only in rats trained on the reward size Pavlovian task. Conclusions Together, our results illustrate that dopamine’s control over behavior in Pavlovian tasks depends upon one’s prior training experience and the information signaled by the cues.