In vivo calcium imaging through microendoscopic lenses enables imaging of previously inaccessible neuronal populations deep within the brains of freely moving animals. However, it is computationally challenging to extract single-neuronal activity from microendoscopic data, because of the very large background fluctuations and high spatial overlaps intrinsic to this recording modality. Here, we describe a new constrained matrix factorization approach to accurately separate the background and then demix and denoise the neuronal signals of interest. We compared the proposed method against previous independent components analysis and constrained nonnegative matrix factorization approaches. On both simulated and experimental data recorded from mice, our method substantially improved the quality of extracted cellular signals and detected more well-isolated neural signals, especially in noisy data regimes. These advances can in turn significantly enhance the statistical power of downstream analyses, and ultimately improve scientific conclusions derived from microendoscopic data.

Medial prefrontal cortical areas have been hypothesized to underlie altered contextual processing in posttraumatic stress disorder (PTSD). We investigated brain signaling of contextual information in this disorder. Eighteen PTSD subjects and 16 healthy trauma-exposed subjects underwent a two-day fear conditioning and extinction paradigm. On day 1, within visual context A, a conditioned stimulus (CS) was followed 60% of the time by an electric shock (conditioning). The conditioned response was then extinguished (extinction learning) in context B. On day 2, recall of the extinction memory was tested in context B. Skin conductance response (SCR) and functional magnetic resonance imaging (fMRI) data were collected during context presentations. There were no SCR group differences in any context presentation. Concerning fMRI data, during late conditioning, when context A signaled danger, PTSD subjects showed dorsal anterior cingulate cortical (dACC) hyperactivation. During early extinction, when context B had not yet fully acquired signal value for safety, PTSD subjects still showed dACC hyperactivation. During late extinction, when context B had come to signal safety, they showed ventromedial prefrontal cortex (vmPFC) hypoactivation. During early extinction recall, when context B signaled safety, they showed both vmPFC hypoactivation and dACC hyperactivation. These findings suggest that PTSD subjects show alterations in the processing of contextual information related to danger and safety. This impairment is manifest even prior to a physiologically-measured, cue-elicited fear response, and characterized by hypoactivation in vmPFC and hyperactivation in dACC.

Abstract Traumatic social experiences redefine socially motivated behaviors to enhance safety and survival. Although many brain regions have been implicated in signaling a social threat, the mechanisms by which global neural networks regulate such motivated behaviors remain unclear. To address this issue, we first combined traditional and modern behavioral tracking techniques in mice to assess both approach and avoidance, as well as sub-second behavioral changes, during a social threat learning task. We were able to identify previously undescribed body and tail movements during social threat learning and recognition that demonstrate unique alterations into the behavioral structure of social motivation. We then utilized inter-regional correlation analysis of brain activity after a mouse recognizes a social threat to explore functional communication amongst brain regions implicated in social motivation. Broad brain activity changes were observed within the nucleus accumbens, the paraventricular thalamus, the ventromedial hypothalamus, and the nucleus of reuniens. Inter-regional correlation analysis revealed a reshaping of the functional connectivity across the brain when mice recognize a social threat. Altogether, these findings suggest that reshaping of functional brain connectivity may be necessary to alter the behavioral structure of social motivation when a social threat is encountered.

ABSTRACT Dysregulation in the neural circuitry that encodes physiological arousal responses is thought to contribute to the manifestation of the maladaptive behaviors observed in neuropsychiatric disorders. We previously found that prepronociceptin -expressing neurons in the bed nucleus of the stria terminalis ( Pnoc BNST neurons) modulate rapid changes in physiological arousal upon presentation of motivationally salient stimuli (Rodriguez-Romaguera et al., 2020). However, whether Pnoc BNST neurons are necessary to regulate behavioral actions to motivationally salient stimuli is still unknown. Here, we investigated the role of Pnoc BNST neurons in encoding behavioral responses to motivationally salient stimuli using in vivo calcium imaging and optogenetic approaches in freely behaving mice. We find that the bulk activity of Pnoc BNST neurons increases when mice are near an aversive odor in comparison to a rewarding odor. However, optogenetic inhibition of Pnoc BNST neurons does not affect the amount of time mice spend near an aversive odor. Further analysis revealed that a subgroup of Pnoc BNST neurons that correlate with proximity to the aversive odor also correlate to darting away from the same aversive odor. Since these two behaviors are opposite to each other and since we previously found Pnoc BNST neurons correlate with arousal responses, we believe these results may be due in part to the encoding of arousal responses that occur when mice approach and dart away from aversive stimuli.

Motivational states are complex and consist of cognitive, emotional, and physiological components controlled by a network across multiple brain regions. An integral component of this neural circuitry is the bed nucleus of the stria terminalis (BNST). Here, we identified a subpopulation of neurons within BNST expressing the gene prepronociceptin (PnocBNST), that can modulate the rapid changes in physiological arousal that occur upon exposure to stimuli with motivational salience. Using in vivo two-photon calcium imaging we found that excitatory responses from individual PnocBNST neurons directly corresponded with rapid increases in pupillary size and occurred upon exposure to both aversive and rewarding odors. Furthermore, optogenetic activation of these neurons increased pupillary size, but did not alter approach/avoidance or locomotor behaviors. These findings suggest that excitatory responses in PnocBNST neurons encode rapid arousal responses irrespective of tested behaviors. Further histological, electrophysiological, and single-cell RNA sequencing data revealed that PnocBNST neurons are composed of genetically and anatomically identifiable subpopulations that can be further investigated. Taken together, our findings demonstrate a key role for a PnocBNST neuronal ensemble in encoding the rapid arousal responses that are triggered by motivational stimuli.

Much is known about the neural circuits of conditioned fear and its relevance to understanding anxiety disorders, but less is known about other anxiety-related behaviors such as active avoidance. Using a tone-signaled, platform-mediated active avoidance task, we observed that pharmacological inactivation of the prelimbic prefrontal cortex (PL) delayed initiation of avoidance. However, optogenetic silencing of PL neurons did not delay avoidance. Consistent with this finding, inhibitory, but not excitatory, responses of rostral PL neurons to the tone were correlated with initiation of avoidance. To oppose inhibitory responses, we photoactivated rostral PL neurons during the tone to maintain pre-tone firing rate. Photoactivation of rostral PL (but not caudal PL) neurons at 4 Hz (but not 2 Hz) delayed or prevented avoidance. These findings suggest that the initiation of active avoidance requires inhibitory neuronal responses in rostral PL, and underscores the importance of designing behavioral optogenetic studies based on neuronal firing patterns.

Abstract Social phobia is highly detrimental for social behavior, mental health, and productivity. Despite much previous research, the behavioral and neurobiological mechanisms associated with the development of social phobia remain elusive. To investigate these issues, the present study implemented a mouse model of social threat conditioning in which mice received electric shock punishment upon interactions with unfamiliar conspecifics. This resulted in immediate reductions in social behavior and robust increases in defensive mechanisms such as avoidance, freezing, darting, and ambivalent stretched posture. Furthermore, social deficits lasted for prolonged periods and were independent of contextual settings, sex variables, or particular identity of the social stimuli. Shedding new light into the neurobiological factors contributing to this phenomenon, we found that optogenetic silencing of the prelimbic (PL), but not the infralimbic (IL), subregion of the medial prefrontal cortex (mPFC) during training led to subsequent forgetting and development of lasting social phobia. Similarly, pharmacological inhibition of NMDARs in PL also impaired the development of social phobia. These findings are consistent with the notion that social-related trauma is a prominent risk factor for the development of social phobia, and that this phenomenon engages learning-related mechanisms within the prelimbic prefrontal cortex to promote prolonged representations of social threat. Abstract Figure