Ventral tegmental area (VTA) dopamine neurons in the brain's reward circuit have a crucial role in mediating stress responses, including determining susceptibility versus resilience to social-stress-induced behavioural abnormalities. VTA dopamine neurons show two in vivo patterns of firing: low frequency tonic firing and high frequency phasic firing. Phasic firing of the neurons, which is well known to encode reward signals, is upregulated by repeated social-defeat stress, a highly validated mouse model of depression. Surprisingly, this pathophysiological effect is seen in susceptible mice only, with no apparent change in firing rate in resilient individuals. However, direct evidence--in real time--linking dopamine neuron phasic firing in promoting the susceptible (depression-like) phenotype is lacking. Here we took advantage of the temporal precision and cell-type and projection-pathway specificity of optogenetics to show that enhanced phasic firing of these neurons mediates susceptibility to social-defeat stress in freely behaving mice. We show that optogenetic induction of phasic, but not tonic, firing in VTA dopamine neurons of mice undergoing a subthreshold social-defeat paradigm rapidly induced a susceptible phenotype as measured by social avoidance and decreased sucrose preference. Optogenetic phasic stimulation of these neurons also quickly induced a susceptible phenotype in previously resilient mice that had been subjected to repeated social-defeat stress. Furthermore, we show differences in projection-pathway specificity in promoting stress susceptibility: phasic activation of VTA neurons projecting to the nucleus accumbens (NAc), but not to the medial prefrontal cortex (mPFC), induced susceptibility to social-defeat stress. Conversely, optogenetic inhibition of the VTA-NAc projection induced resilience, whereas inhibition of the VTA-mPFC projection promoted susceptibility. Overall, these studies reveal novel firing-pattern- and neural-circuit-specific mechanisms of depression.

Significance Depression and anxiety have been linked to increased inflammation. However, we do not know if inflammatory status predates onset of disease or whether it contributes to depression symptomatology. We report preexisting individual differences in the peripheral immune system that predict and promote stress susceptibility. Replacing a stress-naive animal’s peripheral immune system with that of a stressed animal increases susceptibility to social stress including repeated social defeat stress (RSDS) and witness defeat (a purely emotional form of social stress). Depleting the cytokine IL-6 from the whole body or just from leukocytes promotes resilience, as does sequestering IL-6 outside of the brain. These studies demonstrate that the emotional response to stress can be generated or blocked in the periphery, and offer a potential new form of treatment for stress disorders.

Depression and anxiety disorders are more prevalent in females, but the majority of research in animal models, the first step in finding new treatments, has focused predominantly on males. Here we report that exposure to subchronic variable stress (SCVS) induces depression-associated behaviors in female mice, whereas males are resilient as they do not develop these behavioral abnormalities. In concert with these different behavioral responses, transcriptional analysis of nucleus accumbens (NAc), a major brain reward region, by use of RNA sequencing (RNA-seq) revealed markedly different patterns of stress regulation of gene expression between the sexes. Among the genes displaying sex differences was DNA methyltransferase 3a ( Dnmt3a ), which shows a greater induction in females after SCVS. Interestingly, Dnmt3a expression levels were increased in the NAc of depressed humans, an effect seen in both males and females. Local overexpression of Dnmt3a in NAc rendered male mice more susceptible to SCVS, whereas Dnmt3a knock-out in this region rendered females more resilient, directly implicating this gene in stress responses. Associated with this enhanced resilience of female mice upon NAc knock-out of Dnmt3a was a partial shift of the NAc female transcriptome toward the male pattern after SCVS. These data indicate that males and females undergo different patterns of transcriptional regulation in response to stress and that a DNA methyltransferase in NAc contributes to sex differences in stress vulnerability. SIGNIFICANCE STATEMENT Women have a higher incidence of depression than men. However, preclinical models, the first step in developing new diagnostics and therapeutics, have been performed mainly on male subjects. Using a stress-based animal model of depression that causes behavioral effects in females but not males, we demonstrate a sex-specific transcriptional profile in brain reward circuitry. This transcriptional profile can be altered by removal of an epigenetic mechanism, which normally suppresses DNA transcription, creating a hybrid male/female transcriptional pattern. Removal of this epigenetic mechanism also induces behavioral resilience to stress in females. These findings shed new light onto molecular factors controlling sex differences in stress response.

The neurobiological underpinnings of mood and anxiety disorders have been linked to the nucleus accumbens (NAc), a region important in processing the rewarding and emotional salience of stimuli. Using chronic social defeat stress, an animal model of mood and anxiety disorders, we investigated whether alterations in synaptic plasticity are responsible for the long-lasting behavioral symptoms induced by this form of stress. We hypothesized that chronic social defeat stress alters synaptic strength or connectivity of medium spiny neurons (MSNs) in the NAc to induce social avoidance. To test this, we analyzed the synaptic profile of MSNs via confocal imaging of Lucifer-yellow-filled cells, ultrastructural analysis of the postsynaptic density, and electrophysiological recordings of miniature EPSCs (mEPSCs) in mice after social defeat. We found that NAc MSNs have more stubby spine structures with smaller postsynaptic densities and an increase in the frequency of mEPSCs after social defeat. In parallel to these structural changes, we observed significant increases in IκB kinase (IKK) in the NAc after social defeat, a molecular pathway that has been shown to regulate neuronal morphology. Indeed, we find using viral-mediated gene transfer of dominant-negative and constitutively active IKK mutants that activation of IKK signaling pathways during social defeat is both necessary and sufficient to induce synaptic alterations and behavioral effects of the stress. These studies establish a causal role for IKK in regulating stress-induced adaptive plasticity and may present a novel target for drug development in the treatment of mood and anxiety disorders in humans.