Summary

 Drosophila melanogaster has a rich repertoire of innate and learned behaviors. Its 100,000-neuron brain is a large but tractable target for comprehensive neural circuit mapping. Only electron microscopy (EM) enables complete, unbiased mapping of synaptic connectivity; however, the fly brain is too large for conventional EM. We developed a custom high-throughput EM platform and imaged the entire brain of an adult female fly at synaptic resolution. To validate the dataset, we traced brain-spanning circuitry involving the mushroom body (MB), which has been extensively studied for its role in learning. All inputs to Kenyon cells (KCs), the intrinsic neurons of the MB, were mapped, revealing a previously unknown cell type, postsynaptic partners of KC dendrites, and unexpected clustering of olfactory projection neurons. These reconstructions show that this freely available EM volume supports mapping of brain-spanning circuits, which will significantly accelerate Drosophila neuroscience. 

Video Abstract

Drosophila melanogaster has a rich repertoire of innate and learned behaviors. Its 100,000-neuron brain is a large but tractable target for comprehensive neural circuit mapping. Only electron microscopy (EM) enables complete, unbiased mapping of synaptic connectivity; however, the fly brain is too large for conventional EM. We developed a custom high-throughput EM platform and imaged the entire brain of an adult female fly. We validated the dataset by tracing brain-spanning circuitry involving the mushroom body (MB), intensively studied for its role in learning. Here we describe the complete set of olfactory inputs to the MB; find a new cell type providing driving input to Kenyon cells (the intrinsic MB neurons); identify neurons postsynaptic to Kenyon cell dendrites; and find that axonal arbors providing input to the MB calyx are more tightly clustered than previously indicated by light-level data. This freely available EM dataset will significantly accelerate Drosophila neuroscience.

In pursuit of palatable food, hungry animals mobilize significant energy resources and overcome obstacles, exhaustion and fear. Their perseverance depends on metabolic state, internal motivation and the expected benefit. Sustained commitment to a trying task is crucial, however, disengagement from one behavior to engage into another can be essential for optimal adaptation and survival. How neural circuits allow prioritizing perseverance over withdrawal based on the animal's need, however, is not understood. Using a single fly spherical treadmill, we show that hungry flies display increasing perseverance to track a food odor in the repeated absence of the predicted food reward. While this perseverance is mediated by a group of dopaminergic neurons, a subset of neurons expressing octopamine, the invertebrate noradrenaline, provide reward feedback and counteract dopamine-motivated food seeking. Our data and modeling suggest that two important neuromodulators tally internal and external signals to ultimately coordinate motivation-dependent antagonistic behavioral drives: perseverance vs. change of behavior.

Mechanosensory neurons located across the body surface respond to tactile stimuli and elicit diverse behavioral responses, from relatively simple stimulus location-aimed movements to complex movement sequences. How mechanosensory neurons and their postsynaptic circuits influence such diverse behaviors remains unclear. We previously discovered that Drosophila perform a body location-prioritized grooming sequence when mechanosensory neurons at different locations on the head and body are simultaneously stimulated by dust (Hampel et al., 2017; Seeds et al., 2014). Here, we identify nearly all mechanosensory neurons on the Drosophila head that individually elicit aimed grooming of specific head locations, while collectively eliciting a whole head grooming sequence. Different tracing methods were used to reconstruct the projections of these neurons from different locations on the head to their distinct arborizations in the brain. This provides the first synaptic resolution somatotopic map of a head, and defines the parallel-projecting mechanosensory pathways that elicit head grooming.

Associative memory formation and recall in the adult fruit fly Drosophila melanogaster is subserved by the mushroom body (MB). Upon arrival in the MB, sensory information undergoes a profound transformation. Olfactory projection neurons (PNs), the main MB input, exhibit broadly tuned, sustained, and stereotyped responses to odorants; in contrast, their postsynaptic targets in the MB, the Kenyon cells (KCs), are nonstereotyped, narrowly tuned, and only briefly responsive to odorants. Theory and experiment have suggested that this transformation is implemented by random connectivity between KCs and PNs. However, this hypothesis has been challenging to test, given the difficulty of mapping synaptic connections between large numbers of neurons to achieve a unified view of neuronal network structure. Here we used a recent whole-brain electron microscopy (EM) volume of the adult fruit fly to map large numbers of PN- to-KC connections at synaptic resolution. Comparison of the observed connectome to precisely defined null models revealed unexpected network structure, in which a subset of food-responsive PN types converge on individual downstream KCs more frequently than expected. The connectivity bias is consistent with the neurogeometry: axons of the overconvergent PNs tend to arborize near one another in the MB main calyx, making local KC dendrites more likely to receive input from those types. Computational modeling of the observed PN-to-KC network showed that input from the overconvergent PN types is better discriminated than input from other types. These results suggest an ‘associative fovea’ for olfaction, in that the MB is wired to better discriminate more frequently occurring and ethologically relevant combinations of food-related odors.### Competing Interest StatementThe authors have declared no competing interest.

Serotonergic neurons modulate diverse physiological and behavioral processes in a context-dependent manner, based on their complex connectivity. However, their connectivity has not been comprehensively explored at a single-cell resolution. Using a whole-brain EM dataset we determined the wiring logic of a broadly projecting serotonergic neuron (the "CSDn") in Drosophila . Within the antennal lobe (AL; first-order olfactory region), the CSDn receives glomerulus-specific input and preferentially targets distinct local interneuron subtypes. Furthermore, the wiring logic of the CSDn differs between olfactory regions. The CSDn innervates the AL and lateral horn (LH), yet does not maintain the same synaptic relationship with individual projection neurons that also span both regions. Consistent with this, the CSDn has more distributed connectivity in the LH relative to the AL, preferentially synapsing with principal neuron types based on presumptive transmitter content. Lastly, we identify protocerebral neurons that provide abundant synaptic input to the CSDn. Our study demonstrates how an individual modulatory neuron can interact with local networks and integrate input from non-olfactory sources.