The dorsal raphe nucleus (DRN) is involved in organizing reward-related behaviours; however, it remains unclear how genetically defined neurons in the DRN of a freely behaving animal respond to various natural rewards. Here we addressed this question using fibre photometry and single-unit recording from serotonin (5-HT) neurons and GABA neurons in the DRN of behaving mice. Rewards including sucrose, food, sex and social interaction rapidly activate 5-HT neurons, but aversive stimuli including quinine and footshock do not. Both expected and unexpected rewards activate 5-HT neurons. After mice learn to wait for sucrose delivery, most 5-HT neurons fire tonically during waiting and then phasically on reward acquisition. Finally, GABA neurons are activated by aversive stimuli but inhibited when mice seek rewards. Thus, DRN 5-HT neurons positively encode a wide range of reward signals during anticipatory and consummatory phases of reward responses. Moreover, GABA neurons play a complementary role in reward processing.

Abstract The orbitofrontal cortex (OFC) has been proposed to encode expected outcomes, which is thought to be important for outcome-directed behavior. However, such neural encoding can also often be explained by the recall of information about the recent past. To dissociate the retrospective and prospective aspects of encoding in the OFC, we designed a non-spatial, continuous, alternating odor-sequence task that mimicked a continuous T-maze. The task consisted of two alternating sequences of four odor-guided trials (2 sequences × 4 positions). In each trial, rats were asked to make a “go” or “no-go” action based on a fixed odor-reward contingency. Odors at both the first and last positions were distinct across the two sequences, such that they resembled unique paths in the past and future, respectively; odors at positions in between were the same and thus resembled a common path. We trained classifiers using neural activity to distinguish between either sequences or positions and asked whether the neural activity patterns in the common path were more like the ones in the past or the future. We found a proximal prospective code for sequence information as well as a distal prospective code for positional information, the latter of which was closely associated with rats’ ability to predict future outcomes. This study demonstrates a prospective behaviorally-relevant predictive code in rat OFC.