Abstract Use of addictive substances creates powerful drug-cue associations that often trigger relapse. Drug seeking is gated in the nucleus accumbens (NAc) by competing activation of D1 dopamine receptor-expressing medium spiny neurons (D1-MSNs) that promote, and D2 dopamine receptor-expressing neurons (D2-MSNs) that oppose, drug seeking. We show here that the ensemble of neurons in the NAc that induce the neuronal activity-regulated transcription factor, Neuronal PAS Domain Protein 4 (NPAS4), is required for cocaine-context associations. In addition, NPAS4 functions within NAc D2-MSNs to govern the activation balance of NAc D1-MSNs and D2-MSNs necessary for drug-context memories and cue-induced cocaine, but not sucrose, seeking. NPAS4 regulates drug-cue associations and preponderant D1-MSN activation by influencing a program of gene expression that blocks cocaine-induced potentiation of prefrontal cortical excitatory drive onto D2-MSNs. Together our findings reveal that NPAS4 is a key player governing NAc MSN cell-type activation balance and promoting drug-cue associations and relapse vulnerability.

Powerful associations that link drugs of abuse with cues in the drug-paired environment often serve as prepotent relapse triggers. Drug-associated contexts and cues activate ensembles of nucleus accumbens (NAc) neurons, including D1-class medium spiny neurons (MSNs) that typically promote, and D2-class MSNs that typically oppose, drug seeking. We found that in mice, cocaine conditioning upregulated transiently the activity-regulated transcription factor, Neuronal PAS Domain Protein 4 (NPAS4), in a small subset of NAc neurons. The NPAS4+ NAc ensemble was required for cocaine conditioned place preference. We also observed that NPAS4 functions within NAc D2-, but not D1-, MSNs to support cocaine-context associations and cue-induced cocaine, but not sucrose, seeking. Together, our data show that the NPAS4+ ensemble of NAc neurons is essential for cocaine-context associations in mice, and that NPAS4 itself functions in NAc D2-MSNs to support cocaine-context associations by suppressing drug-induced counteradaptations that oppose relapse-related behaviour.

Microdeletions of the MEF2C gene are linked to a syndromic form of autism termed MEF2C haploinsufficiency syndrome (MCHS). Here, we show that MCHS-associated missense mutations cluster in the conserved DNA binding domain and disrupt MEF2C DNA binding. DNA binding-deficient global Mef2c heterozygous mice (Mef2c-Het) display numerous MCHS-like behaviors, including autism-related behaviors, as well as deficits in cortical excitatory synaptic transmission. We find that hundreds of genes are dysregulated in Mef2c-Het cortex, including significant enrichments of autism risk and excitatory neuron genes. In addition, we observe an enrichment of upregulated microglial genes, but not due to neuroinflammation in the Mef2c-Het cortex. Importantly, conditional Mef2c heterozygosity in forebrain excitatory neurons reproduces a subset of the Mef2c-Het phenotypes, while conditional Mef2c heterozygosity in microglia reproduces social deficits and repetitive behavior. Together our findings suggest that MEF2C regulates typical brain development and function through multiple cell types, including excitatory neuronal and neuroimmune populations.

Abstract BACKGROUND Chronic methamphetamine (METH) abuse is associated with the emergence of cognitive deficits and hypofrontality, a pathophysiological marker of many neuropsychiatric disorders that is produced by altered balance of local excitatory and inhibitory synaptic transmission. However, there is a dearth of information regarding the cellular and synaptic mechanisms underlying METH-induced cognitive deficits and associated hypofrontal states. METHODS Rats went through a METH sensitization regime or saline (SAL) consisting of 14 days of METH treatment (day 1 and 14, 1 mg/kg; days 2-13, 5 mg /kg) followed by 7-10 days of home cage abstinence. Temporal Order Memory and Working Memory tests, chemogenetic experiments as well as whole-cell patch recordings on prelimbic PFC ex vivo slices were performed during abstinence. RESULTS We find here that repeated METH administration in rats produces deficits in working memory and increases in inhibitory synaptic transmission onto pyramidal neurons in the prefrontal cortex (PFC). The increased PFC inhibition is detected by an increase in spontaneous and evoked inhibitory postsynaptic synaptic currents (IPSCs), an increase in GABAergic presynaptic function, and a shift in the excitatory-inhibitory balance onto PFC deep-layer pyramidal neurons. We find that pharmacological blockade of D1 dopamine receptor function reduces the METH-induced augmentation of IPSCs, suggesting a critical role for D1 dopamine signaling in METH-induced hypofrontality. In addition, chronic METH administration increases the intrinsic excitability of parvalbumin-positive interneurons, a key local interneuron population in PFC that controls inhibitory tone. Using a cell type-specific chemogenetic approach, we show that increasing PV+FSI activity in the PFC is necessary and sufficient to cause deficits in temporal order memory similar to those induced by METH. CONCLUSION Together, our findings reveal that chronic METH exposure increases PFC inhibitory tone through a D1 dopamine signaling-dependent potentiation of inhibitory synaptic transmission, and that reduction of PV+FSI activity can rescue METH-induced cognitive deficits, suggesting a potential therapeutic approach to treating cognitive symptoms in patients suffering from methamphetamine use disorder.