Neurocircuitry underlying goal-directed and habitual behavior: implications for substance use disorder

Mclean Hospital, Belmont MA

Investigators

Linked publications & trials

Abstract

PROJECT SUMMARY/ABSTRACT        Imbalance between goal-­directed (GD) and habitual (H) behavior plays a central role in the etiology of  substance use disorder (SUD)1,2. These behaviors are regulated by distinct frontostriatal regions3,4: orbitofrontal  cortex (OFC)5, ventromedial prefrontal cortex (vmPFC)6, dorsolateral prefrontal cortex (dlPFC)7, and the rostral  medial striatum (rMS) for GD behavior;? premotor cortex (PM)6, supplementary motor area (SMA)8, and the caudal  lateral striatum (cLS) for H behavior. Furthermore, recent work demonstrates a central role for the ventrolateral  prefrontal cortex (vlPFC) in arbitrating whether behavior is under the control of the GD or H system in a given  situation  and  facilitating  transitions  between  the  two  behaviors9,10.  Elucidating  the  anatomy  underlying  this  circuitry is critical to furthering insights about the neural basis of maladaptive habit formation in addiction. The  first goal of these studies is to identify the corticostriatal anatomical substrates that are in a position to a) integrate  the multiple functional inputs needed for GD and H behavior, respectively, and b) facilitate transitions between  the  two  behaviors.  The  second  goal  of  these  studies  is  to  examine  how  these  substrates  may  be  aberrant  in  SUD  patients.  Aim  1  will  use  anterograde  anatomical  tract-­tracing  in  non-­human  primates  (NHPs)  to  identify  candidate substrates, by locating areas of the striatum where the cortical projections for each behavior converge;?  Aim 2 will use retrograde anatomical tract-­tracing in NHPs to corroborate the frontostriatal connections found in  Aim 1 and will quantify their strength. Aim 3 will then a) use anatomy-­guided functional connectivity MRI (fcMRI)  to localize these anatomical substrates in humans and b) assess how functional connectivity amongst these key  anatomical substrates is unbalanced in SUD patients.  Recent  work  from  our  lab  has  identified  loci  in  the  striatum  that  receive  disproportionately  numerous  inputs  from  functionally  diverse  prefrontal  regions11,12,  referred  to  as  hubs.  Hubs  are  areas  of  unusually  high  connectivity to other brain regions and are thought to be central for integrating and distributing information across  multiple, diverse regions13,14. We hypothesize that H1. OFC, vmPFC, dlPFC and vlPFC projections form a hub  in the rMS, and that PM, SMA and vlPFC projections form a hub in the cLS, representing potential anatomical  substrates to integrate the inputs needed for GD and H behavior, respectively. As a corollary, we hypothesize  that H2. the vlPFC has projections to both the GD and H striatal hubs, representing anatomical substrates that  could  allow  vlPFC  arbitration  of  transitions  between  the  two  behaviors.  Finally,  we  hypothesize  that  H3.  SUD  patients  -­  who  exhibit  an  overreliance  on  H  behavior2,15  -­  will  have  an  abnormal  ratio  of  vlPFC-­rMS  functional  connectivity to vlPFC-­cLS functional connectivity compared to healthy matched controls. Overall, this research  will  provide  new  insights  about  the  location  and  nature  of  key  circuitry  components  that  may  contribute  to  maladaptive  habit  formation  in  addiction,  and  which  may  also  be  applicable  to  disorders  such  as  obsessive-­ compulsive disorder and Tourette's syndrome.