Mating and aggression are innate social behaviours that are controlled by subcortical circuits in the extended amygdala and hypothalamus1-4. The bed nucleus of the stria terminalis (BNSTpr) is a node that receives input encoding sex-specific olfactory cues from the medial amygdala5,6, and which in turn projects to hypothalamic nuclei that control mating7-9 (medial preoptic area (MPOA)) and aggression9-14 (ventromedial hypothalamus, ventrolateral subdivision (VMHvl)), respectively15. Previous studies have demonstrated that male aromatase-positive BNSTpr neurons are required for mounting and attack, and may identify conspecific sex according to their overall level of activity16. However, neural representations in BNSTpr, their function and their transformations in the hypothalamus have not been characterized. Here we performed calcium imaging17,18 of male BNSTprEsr1 neurons during social behaviours. We identify distinct populations of female- versus male-tuned neurons in BNSTpr, with the former outnumbering the latter by around two to one, similar to the medial amygdala and MPOA but opposite to VMHvl, in which male-tuned neurons predominate6,9,19. Chemogenetic silencing of BNSTprEsr1 neurons while imaging MPOAEsr1 or VMHvlEsr1 neurons in behaving animals showed, unexpectedly, that the male-dominant sex-tuning bias in VMHvl was inverted to female-dominant whereas a switch from sniff- to mount-selective neurons during mating was attenuated in MPOA. Our data also indicate that BNSTprEsr1 neurons are not essential for conspecific sex identification. Rather, they control the transition from appetitive to consummatory phases of male social behaviours by shaping sex- and behaviour-specific neural representations in the hypothalamus.

Summary Persistent neural activity has been described in cortical, hippocampal, and motor networks as mediating short-term working memory of transiently encountered stimuli 1–4 . Internal emotion states such as fear also exhibit persistence following exposure to an inciting stimulus 5,6 , but such persistence is typically attributed to circulating stress hormones 7–9 ; whether persistent neural activity also plays a role has not been established. SF1 + /Nr5a1 + neurons in the dorsomedial and central subdivision of the ventromedial hypothalamus (VMHdm/c) are necessary for innate and learned defensive responses to predators 10–13 . Optogenetic activation of VMHdm SF1 neurons elicits defensive behaviors that can outlast stimulation 11,14 , suggesting it induces a persistent internal state of fear or anxiety. Here we show that VMHdm SF1 neurons exhibit persistent activity lasting tens of seconds, in response to naturalistic threatening stimuli. This persistent activity was correlated with, and required for, persistent thigmotaxic (anxiety-like) behavior in an open-field assay. Microendoscopic imaging of VMHdm SF1 neurons revealed that persistence reflects dynamic temporal changes in population activity, rather than simply synchronous, slow decay of simultaneously activated neurons. Unexpectedly, distinct but overlapping VMHdm SF1 subpopulations were persistently activated by different classes of threatening stimuli. Computational modeling suggested that recurrent neural networks (RNNs) incorporating slow excitation and a modest degree of neurochemical or spatial bias can account for persistent activity that maintains stimulus identity, without invoking genetically determined “labeled lines” 15 . Our results provide causal evidence that persistent neural activity, in addition to well-established neuroendocrine mechanisms, can contribute to the ability of emotion states to outlast their inciting stimuli, and suggest a mechanism that could prevent over-generalization of defensive responses without the need to evolve hardwired circuits specific for each type of threat.

Abstract We present an organism-wide, transcriptomic cell atlas of the hydrozoan medusa Clytia hemisphaerica , and determine how its component cell types respond to starvation. Utilizing multiplexed scRNA-seq, in which individual animals were indexed and pooled from control and perturbation conditions into a single sequencing run, we avoid artifacts from batch effects and are able to discern shifts in cell state in response to organismal perturbations. This work serves as a foundation for future studies of development, function, and plasticity in a genetically tractable jellyfish species. Moreover, we introduce a powerful workflow for high-resolution, wh ole a nimal, m ultiplexed single-cell genomics (WHAM-seq) that is readily adaptable to other traditional or non-traditional model organisms.

Summary Jellyfish are free-swimming, radially symmetric organisms with complex behaviors that arise from coordinated interactions between distinct, autonomously functioning body parts. This behavioral complexity evolved without a corresponding cephalization of the nervous system. The systems-level neural mechanisms through which such decentralized control is achieved remain unclear. Here, we address this question using the jellyfish, Clytia, and present it as a new neuroscience model. We describe a coordinated, asymmetric behavior in which food is passed from the umbrellar margin to the central mouth via directed margin folding. Using newly developed transgenic jellyfish lines to ablate or image specific neuronal subpopulations, we find, unexpectedly, that margin folding reflects the local activation of neural subnetworks that tile the umbrella. Modeling suggests that this structured ensemble activity emerges from sparse, local connectivity rules. These findings reveal how an organismal behavior can emerge from local interactions between functional modules in the absence of a central brain.

Summary The hypothalamus plays a key role in regulating innate behaviors. It is widely believed to function as a system of ‘labeled lines’, containing behavior-specific neurons with characteristic transcriptomic and connectomic profiles. This view however fails to explain why, although activation of estrogen receptor-1 (Esr1) expressing neurons in the ventromedial hypothalamus (VMHvl) promotes aggression, few VMHvl neurons are tuned to attack. To address this paradox, we adopted an unsupervised dynamical systems framework to analyze population activity among VMHvl Esr1 neurons during aggression. We discovered that this activity contains an “integration” dimension exhibiting slow-ramping dynamics and persistent activity that correlates with escalating aggressiveness. These dynamics are implemented as an approximate line attractor in state space. Our analysis suggests a function for VMHvl to encode the intensity of behavior-relevant motive states using line attractors. This view reconciles observational and perturbational studies of VMHvl, and reveals a new mode of neural computation in the hypothalamus.

Abstract All animals can perform certain survival behaviors without prior experience, suggesting a “hard wiring” of underlying neural circuits. Experience, however, can alter the expression of innate behaviors. Where in the brain and how such plasticity occurs remains largely unknown. Previous studies have established the phenomenon of “aggression training,” in which the repeated experience of winning successive aggressive encounters across multiple days leads to increased aggressiveness. Here we show that this procedure also leads to long-term potentiation (LTP) at an excitatory synapse, derived from the Anterior Hippocampus/Posterior Medial amygdala (AHiPM), onto estrogen receptor 1-expressing (Esr1 + ) neurons in the ventrolateral subdivision of the ventromedial hypothalamus (VMHvl). We demonstrate further that the optogenetic induction of such LTP in vivo facilitates, while optogenetic long-term depression (LTD) diminishes, the behavioral effect of aggression training, implying a causal role for potentiation at AHiPM➔VMHvl Esr1 synapses in mediating the effect of this training. Interestingly, ∼25% of inbred C57BL/6 mice fail to respond to aggression training. We show that these individual differences are correlated both with lower levels of testosterone, relative to mice that respond to such training, and with a failure to exhibit LTP in vivo after aggression training. Administration of exogenous testosterone to such non-aggressive mice restores both behavioral and physiological plasticity in vivo . Together, these findings reveal that LTP at a hypothalamic circuit node mediates a form of experience-dependent plasticity in an innate social behavior, and a potential hormone-dependent basis for individual differences in such plasticity among genetically identical mice. Significance Statement Modification of instinctive behaviors occurs through experience, yet the mechanisms through which this happens have remained largely unknown. Recent studies have shown that potentiation of aggression, an innate behavior, can occur through repeated winning of aggressive encounters. Here we show that synaptic plasticity at a specific excitatory input to a hypothalamic cell population is correlated with, and required for, the expression of increasingly higher levels of aggressive behavior following successful aggressive experience. We additionally show that the amplitude and persistence of long-term potentiation at this synapse are influenced by serum testosterone, administration of which can normalize individual differences among genetically identical inbred mice, in the expression of intermale aggression.

Internal states drive survival behaviors, but their neural implementation is not well understood. Recently we identified a line attractor in the ventromedial hypothalamus (VMH) that represents an internal state of aggressiveness. Line attractors can be implemented by recurrent connectivity and/or neuromodulatory signaling, but evidence for the latter is scant. Here we show that neuropeptidergic signaling is necessary for line attractor dynamics in this system, using a novel approach that integrates cell type-specific, anatomically restricted CRISPR/Cas9-based gene editing with microendoscopic calcium imaging. Co-disruption of receptors for oxytocin and vasopressin in adult VMH Esr1 + neurons that control aggression suppressed attack, reduced persistent neural activity and eliminated line attractor dynamics, while only modestly impacting neural activity and sex- or behavior-tuning. These data identify a requisite role for neuropeptidergic signaling in implementing a behaviorally relevant line attractor. Our approach should facilitate mechanistic studies in neuroscience that bridge different levels of biological function and abstraction.

Cyclic changes in hormonal state are well-known to regulate mating behavior during the female reproductive cycle, but whether and how these changes affect the dynamics of neural activity in the female brain is largely unknown. The ventromedial hypothalamus, ventro-lateral subdivision (VMHvl) contains a subpopulation of VMHvl Esr1+,Npy2r- neurons that controls female sexual receptivity. Longitudinal single cell calcium imaging of these neurons across the estrus cycle revealed that overlapping but distinct subpopulations were active during proestrus (mating-accepting) vs. non-proestrus (rejecting) phases. Dynamical systems analysis of imaging data from proestrus females uncovered a dimension with slow ramping activity, which generated approximate line attractor-like dynamics in neural state space. During mating, the neural population vector progressed along this attractor as male mounting and intromission proceeded. Attractor-like dynamics disappeared in non-proestrus states and reappeared following re-entry into proestrus. They were also absent in ovariectomized females but were restored by hormone priming. These observations reveal that hypothalamic line attractor-like dynamics are associated with female sexual receptivity and can be reversibly regulated by sex hormones, demonstrating that attractor dynamics can be flexibly modulated by physiological state. They also suggest a potential mechanism for the neural encoding of female sexual arousal.

Summary Line attractors are emergent population dynamics hypothesized to encode continuous variables such as head direction and internal states. In mammals, direct evidence of neural implementation of a line attractor has been hindered by the challenge of targeting perturbations to specific neurons within contributing ensembles. Estrogen receptor type 1 (Esr1)-expressing neurons in the ventrolateral subdivision of the ventromedial hypothalamus (VMHvl) show line attractor dynamics in male mice during fighting. We hypothesized that these dynamics may encode continuous variation in the intensity of an internal aggressive state. Here, we report that these neurons also show line attractor dynamics in head-fixed mice observing aggression. We exploit this finding to identify and perturb line attractor-contributing neurons using 2-photon calcium imaging and holographic optogenetic perturbations. On-manifold perturbations demonstrate that integration and persistent activity are intrinsic properties of these neurons which drive the system along the line attractor, while transient off-manifold perturbations reveal rapid relaxation back into the attractor. Furthermore, stimulation and imaging reveal selective functional connectivity among attractor-contributing neurons. Intriguingly, individual differences among mice in line attractor stability were correlated with the degree of functional connectivity among contributing neurons. Mechanistic modelling indicates that dense subnetwork connectivity and slow neurotransmission are required to explain our empirical findings. Our work bridges circuit and manifold paradigms, shedding light on the intrinsic and operational dynamics of a behaviorally relevant mammalian line attractor.

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.