Abstract Studies of individual neurons in the Drosophila nervous system are facilitated by transgenic lines that sparsely and repeatably label respective neurons of interest. Sparsity can be enhanced by means of intersectional approaches like the split-GAL4 system, which labels the positive intersection of the expression patterns of two (denser) GAL4 lines. To this end, two GAL4 lines have to be identified as labelling a neuron of interest. Current approaches to tackling this task include visual inspection, as well as automated search in 2d projection images, of single cell multi-color flip-out (MCFO) acquisitions of GAL4 expression patterns. There is to date no automated method available that performs full 3d search in MCFO imagery of GAL4 lines, nor one that leverages automated reconstructions of the labelled neuron morphologies. To close this gap, we propose PatchPerPixMatch, a fully automated approach for finding a given neuron morphology in MCFO acquisitions of Gen1 GAL4 lines. PatchPerPixMatch performs automated instance segmentation of MCFO acquisitions, and subsequently searches for a target neuron morphology by minimizing an objective that aims at covering the target with a set of well-fitting segmentation fragments. Patch-PerPixMatch is computationally efficient albeit being full 3d, while also highly robust to inaccuracies in the automated neuron instance segmentation. We are releasing PatchPerPixMatch search results for ~30,000 neuron morphologies from the Drosophila hemibrain in ~20,000 MCFO acquisitions of ~3,500 Gen1 GAL4 lines. Code https://github.com/Kainmueller-Lab/PatchPerPixMatch Results https://pppm.janelia.org

Whereas progress has been made in the identification of neural signals related to rapid, cued decisions1-3, less is known about how brains guide and terminate more ethologically relevant decisions in which an animal's own behaviour governs the options experienced over minutes4-6. Drosophila search for many seconds to minutes for egg-laying sites with high relative value7,8 and have neurons, called oviDNs, whose activity fulfills necessity and sufficiency criteria for initiating the egg-deposition motor programme9. Here we show that oviDNs express a calcium signal that (1) dips when an egg is internally prepared (ovulated), (2) drifts up and down over seconds to minutes-in a manner influenced by the relative value of substrates-as a fly determines whether to lay an egg and (3) reaches a consistent peak level just before the abdomen bend for egg deposition. This signal is apparent in the cell bodies of oviDNs in the brain and it probably reflects a behaviourally relevant rise-to-threshold process in the ventral nerve cord, where the synaptic terminals of oviDNs are located and where their output can influence behaviour. We provide perturbational evidence that the egg-deposition motor programme is initiated once this process hits a threshold and that subthreshold variation in this process regulates the time spent considering options and, ultimately, the choice taken. Finally, we identify a small recurrent circuit that feeds into oviDNs and show that activity in each of its constituent cell types is required for laying an egg. These results argue that a rise-to-threshold process regulates a relative-value, self-paced decision and provide initial insight into the underlying circuit mechanism for building this process.

Abstract Whereas progress has been made in identifying neural signals related to rapid, cued decisions 1–4 , less is known about how brains guide and terminate more ethologically relevant deliberations, where an animal’s own behavior governs the options experienced over minutes 5–8 . Drosophila search for many seconds to minutes for egg-laying sites with high relative value 9, 10 and neurons, called oviDNs , exist whose activity fulfills necessity and sufficiency criteria for initiating the egg-deposition motor program 11 . Here we show that oviDNs express a calcium signal that rises over seconds to minutes as a fly deliberates whether to lay an egg. The calcium signal dips when an egg is internally prepared (ovulated), rises at a rate related to the relative value of the current substrate being experienced, and reaches a consistent peak just prior to the abdomen bend for egg deposition. We provide perturbational evidence that the egg-deposition motor program is initiated once this signal hits a threshold and that sub-threshold variation in the signal regulates the time spent deliberating and, ultimately, the option chosen. These results argue that a rise-to-threshold signal guides Drosophila to lay eggs on substrate options with high relative value, with each egg-laying event representing a self-paced decision similar to real-world decisions made by humans and other mammals.

Summary Motor systems flexibly implement diverse motor programs to pattern behavioral sequences, yet their neural underpinnings remain unclear. Here, we investigated the neural circuit mechanisms of flexible courtship behavior in Drosophila . Courting males alternately produce two types of courtship song. By recording calcium signals in the ventral nerve cord (VNC) in behaving flies, we found that different songs are produced by activating overlapping neural populations with distinct motor functions in a combinatorial manner. Recordings from the brain suggest that song is driven by two descending pathways – one defines when to sing and the other specifies what song to sing. Connectomic analysis reveals that these “when” and “what” descending pathways provide structured input to VNC neurons with different motor functions. These results suggest that dynamic changes in the activation patterns of descending pathways drive different combinations of motor modules, thereby flexibly switching between different motor actions.

Abstract Electron microscopy (EM) allows for the reconstruction of dense neuronal connectomes but suffers from low throughput, limiting its application to small numbers of reference specimens. We developed a protocol and analysis pipeline using tissue expansion and lattice light-sheet microscopy (ExLLSM) to rapidly reconstruct selected circuits across many samples with single synapse resolution and molecular contrast. We validate this approach in Drosophila , demonstrating that it yields synaptic counts similar to those obtained by EM, can be used to compare counts across sex and experience, and to correlate structural connectivity with functional connectivity. This approach fills a critical methodological gap in studying variability in the structure and function of neural circuits across individuals within and between species.

Many motor control systems generate multiple movements using a common set of muscles. How are premotor circuits able to flexibly generate diverse movement patterns? Here, we characterize the neuronal circuits that drive the distinct courtship songs of Drosophila melanogaster. Male flies vibrate their wings towards females to produce two different song modes - pulse and sine song - which signal species identity and male quality. Using cell-type specific genetic reagents and the connectome, we provide a cellular and synaptic map of the circuits in the male ventral nerve cord that generate these songs and examine how activating or inhibiting each cell type within these circuits affects the song. Our data reveal that the song circuit is organized into two nested feed-forward pathways, with extensive reciprocal and feed-back connections. The larger network produces pulse song, the more complex and ancestral song form. A subset of this network produces sine song, the simpler and more recent form. Such nested organization may be a common feature of motor control circuits in which evolution has layered increasing flexibility on to a basic movement pattern.

Techniques that enable precise manipulations of subsets of neurons in the fly central nervous system have greatly facilitated our understanding of the neural basis of behavior. Split-GAL4 driver lines allow specific targeting of cell types in Drosophila melanogaster and other species. We describe here a collection of 3063 lines targeting a range of cell types in the adult Drosophila central nervous system and 1020 lines characterized in third-instar larvae. These tools enable functional, transcriptomic, and proteomic studies based on precise anatomical targeting. NeuronBridge and other search tools relate light microscopy images of these split-GAL4 lines to connectomes reconstructed from electron microscopy images. The collections are the result of screening over 77,000 split hemidriver combinations. In addition to images and fly stocks for these well-characterized lines, we make available 300,000 new 3D images of other split-GAL4 lines.