Dopaminergic neurons are thought to drive learning by signaling changes in the expectations of salient events, such as rewards or punishments. Olfactory conditioning in Drosophila requires direct dopamine action on intrinsic mushroom body neurons, the likely storage sites of olfactory memories. Neither the cellular sources of the conditioning dopamine nor its precise postsynaptic targets are known. By optically controlling genetically circumscribed subsets of dopaminergic neurons in the behaving fly, we have mapped the origin of aversive reinforcement signals to the PPL1 cluster of 12 dopaminergic cells. PPL1 projections target restricted domains in the vertical lobes and heel of the mushroom body. Artificially evoked activity in a small number of identifiable cells thus suffices for programming behaviorally meaningful memories. The delineation of core reinforcement circuitry is an essential first step in dissecting the neural mechanisms that compute and represent valuations, store associations, and guide actions.

Abstract

 Mechanisms composing Drosophila's clock are conserved within the animal kingdom. To learn how such clocks influence behavioral and physiological rhythms, we determined the complement of circadian transcripts in adult Drosophila heads. High-density oligonucleotide arrays were used to collect data in the form of three 12-point time course experiments spanning a total of 6 days. Analyses of 24 hr Fourier components of the expression patterns revealed significant oscillations for ∼400 transcripts. Based on secondary filters and experimental verifications, a subset of 158 genes showed particularly robust cycling and many oscillatory phases. Circadian expression was associated with genes involved in diverse biological processes, including learning and memory/synapse function, vision, olfaction, locomotion, detoxification, and areas of metabolism. Data collected from three different clock mutants (per₀, tim₀₁, and Clk_Jrk), are consistent with both known and novel regulatory mechanisms controlling circadian transcription.

Conflicting views exist of how circuits of the antennal lobe, the insect equivalent of the olfactory bulb, translate input from olfactory receptor neurons (ORNs) into projection-neuron (PN) output. Synaptic connections between ORNs and PNs are one-to-one, yet PNs are more broadly tuned to odors than ORNs. The basis for this difference in receptive range remains unknown. Analyzing a Drosophila mutant lacking ORN input to one glomerulus, we show that some of the apparent complexity in the antennal lobe's output arises from lateral, interglomerular excitation of PNs. We describe a previously unidentified population of cholinergic local neurons (LNs) with multiglomerular processes. These excitatory LNs respond broadly to odors but exhibit little glomerular specificity in their synaptic output, suggesting that PNs are driven by a combination of glomerulus-specific ORN afferents and diffuse LN excitation. Lateral excitation may boost PN signals and enhance their transmission to third-order neurons in a mechanism akin to stochastic resonance.

Abstract Alcohol use disorders are complex, multifactorial phenomena with a large footprint within the global burden of diseases. Here, we report the development of an accessible, two-choice self-administration zebrafish assay (SAZA) to study the neurobiology of addiction. Using this assay, we first demonstrated that, while zebrafish avoid higher concentrations of alcohol, they are attracted to low concentrations. Pre-exposure to alcohol did not change this relative preference, but acute exposure to an alcohol deterrent approved for human use decreased alcohol self-administration. A pigment mutant used in whole-brain imaging studies displayed a similar relative alcohol preference profile, however, mutants in CCSER1 , a gene associated with alcohol dependence in human genetic studies, showed a reversal in relative preference. The presence of a biphasic response (hormesis) in zebrafish validated a key aspect of vertebrate responses to alcohol. SAZA adds a new dimension for discovering novel alcohol deterrents, and studying the neurogenetics of addiction using the zebrafish.

SUMMARY Innate behaviors involve both reflexive motor programs and internal states. In Drosophila , optogenetic activation of male-specific P1 interneurons triggers courtship song, as well as a persistent behavioral state that prolongs courtship and enhances aggressiveness. Here we identify pCd neurons as persistently activated by repeated P1 stimulation. pCd neurons are required for P1-evoked persistent courtship and aggression, as well as for normal social behavior. Activation of pCd neurons alone is inefficacious, but enhances and prolongs courtship or aggression promoted by female cues. Transient female exposure induced persistent increases in male aggressiveness, an effect suppressed by transiently silencing pCd neurons. Transient silencing of pCd also disrupted P1-induced persistent physiological activity, implying a requisite role in persistence. Finally, P1 activation of pCd neurons enhanced their responsiveness to cVA, an aggression-promoting pheromone. Thus, pCd neurons function within a circuit that integrates P1 input, to promote a persistent internal state that enhances multiple social behaviors.

The number of newly discovered peptides from the transcriptomes and proteomes of animal venom arsenals is rapidly increasing, resulting in an abundance of uncharacterized peptides. There is a pressing need for a systematic, cost effective, and scalable approach to identify physiological effects of venom peptides. To address this discovery-to-function gap, we developed a sequence driven:activity-based hybrid approach for screening venom peptides that is amenable to large-venom peptide libraries with minimal amounts of peptide. Using this approach, we characterized the physiological and behavioral phenotypes of two peptides from the venom of predatory terebrid marine snails, teretoxins Tv1 from Terebra variegata and Tsu1.1 from Terebra subulata. Our results indicate that Tv1 and Tsu1.1 have distinct bioactivity. Tv1 (100 μM) had an antinociceptive effect in adult Drosophila using a thermal nociception assay to measure heat avoidance. Alternatively, Tsu1.1 (100 μM) increased food intake. These findings describe the first functional bioactivity of terebrid venom peptides in relation to pain and diet and indicate that Tv1 and Tsu1.1 may, respectively, act as antinociceptive and orexigenic agents. Tv1 and Tsu1.1 are distinct from previously identified venom peptides, expanding the toolkit of peptides that can potentially be used to investigate the physiological mechanisms of pain and diet.

Genetic models in Drosophila have made invaluable contributions to our understanding of the molecular mechanisms underlying neurodegeneration. In human patients, some neurodegenerative diseases lead to characteristic movement dysfunctions, such as abnormal gait and tremors. However, it is currently unknown whether similar movement defects occur in the respective fly models, which could be used to model and better understand the pathophysiology of movement disorders. To address this question, we developed a machine-learning image-analysis programme - Feature Learning-based LImb segmentation and Tracking (FLLIT) - that automatically tracks leg claw positions of freely moving flies recorded on high-speed video, generating a series of body and leg movement parameters. Of note, FLLIT requires no user input for learning. We used FLLIT to characterise fly models of Parkinson's Disease (PD) and Spinocerebellar ataxia 3 (SCA3). Between these models, walking gait and tremor characteristics differed markedly, and recapitulated signatures of the respective human diseases. Selective expression of mutant SCA3 in dopaminergic neurons led to phenotypes resembling that of PD flies, suggesting that the behavioural phenotype may depend on the circuits affected, rather than the specific nature of the mutation. Different mutations produced tremors in distinct leg pairs, indicating that different motor circuits are affected. Almost 190,000 video frames were tracked in this study, allowing, for the first time, high-throughput analysis of gait and tremor features in Drosophila mutants. As an efficient assay of mutant gait and tremor features in an important model system, FLLIT will enable the analysis of the neurogenetic mechanisms that underlie movement disorders.

The roles of epitranscriptomic modifications in mRNA regulation have recently received substantial attention, with appreciation growing for their phenotypically selective impacts within the animal. We adopted Drosophila melanogaster as a model system to study m6A, the most abundant internal modification of mRNA. Here, we report proteomic and functional analyses of fly m6A-binding proteins, confirming nuclear (YTHDC) and cytoplasmic (YTHDF) YTH domain proteins as the major m6A binders. Since all core m6A pathway mutants are viable, we assessed in vivo requirements of the m6A pathway in cognitive processes. Assays of short term memory revealed an age-dependent requirement of m6A writers working via YTHDF, but not YTHDC, comprising the first phenotypes assigned to Drosophila mutants of the cytoplasmic m6A reader. These factors promote memory via neural-autonomous activities, and are required in the mushroom body, the center for associative learning. To inform their basis, we mapped m6A from wild-type and mettl3 null mutant heads, allowing robust discrimination of Mettl3-dependent m6A sites. In contrast to mammalian m6A, which is predominant in 3' UTRs, Drosophila m6A is highly enriched in 5' UTRs and occurs in an adenosine-rich context. Genomic analyses demonstrate that Drosophila m6A does not directionally affect RNA stability, but is preferentially deposited on genes with low translational efficiency. However, functional tests indicate a role for m6A in translational activation, since we observe reduced nascent protein synthesis in mettl3-KO cells. Finally, we show that ectopic YTHDF can increase m6A target reporter output in an m6A-binding dependent manner, and that this activity is required for in vivo neural function of YTHDF in memory. Altogether, we provide the first tissue-specific m6A maps in this model organism and reveal selective behavioral and translational defects for m6A/YTHDF mutants.

Over the past 75 years, a number of statisticians have advised that the data-analysis method known as null-hypothesis significance testing (NHST) should be deprecated (Berkson, 1942; Halsey et al., 2015; Wasserstein et al., 2019). The limitations of NHST have been extensively discussed, with a broad consensus that current statistical practice in the biological sciences needs reform. However, there is less agreement on reform’s specific nature, with vigorous debate surrounding what would constitute a suitable alternative (Altman et al., 2000; Benjamin et al., 2017; Cumming and Calin-Jageman, 2016). An emerging view is that a more complete analytic technique would use statistical graphics to estimate effect sizes and evaluate their uncertainty (Cohen, 1994; Cumming and Calin-Jageman, 2016). As these estimation methods require only minimal statistical retraining, they have great potential to shift the current data-analysis culture away from dichotomous thinking towards quantitative reasoning (Claridge-Chang and Assam, 2016). The evolution of statistics has been inextricably linked to the development of quantitative displays that support complex visual reasoning (Tufte, 2001). We consider that the graphic we describe here as estimation plot is the most intuitive way to display the complete statistical information about experimental data sets. However, a major obstacle to adopting estimation plots is accessibility to suitable software. To lower this hurdle, we have developed free software that makes high-quality estimation plotting available to all. Here, we explain the rationale for estimation plots by contrasting them with conventional charts used to display data with NHST results, and describe how the use of these graphs affords five major analytical advantages.