SUMMARY How sexually dimorphic behavior is encoded in the nervous system is poorly understood. Here, we characterize the dimorphic nociceptive behavior in C. elegans and study the underlying circuits, which are composed of the same neurons but are wired differently. We show that while sensory transduction is similar in the two sexes, the downstream network topology markedly shapes behavior. We fit a network model that replicates the observed dimorphic behavior in response to external stimuli, and use it to predict simple network rewirings that would switch the behavior between the sexes. We then show experimentally that these subtle synaptic rewirings indeed flip behavior. Strikingly, when presented with aversive cues, rewired males were compromised in finding mating partners, suggesting that network topologies that enable efficient avoidance of noxious cues have a reproductive “cost”. Our results present a deconstruction of the design of a neural circuit that controls sexual behavior, and how to reprogram it.

Abstract The poet W.B Yeats wrote that “All that is personal soon rots, it must be packed in ice or salt” . Here we show that in Caenorhabditis elegans nematodes, simple animals with just 302 neurons, memories are preserved on ice and in lithium salt. C. elegans nematodes can form associative memories, which are typically forgotten quickly. We discovered that when placed on ice, worms delay forgetting of specific olfactory memories by at least 8-fold. Delayed forgetting was canceled completely when the worms were gradually adapted to low temperatures, owing to a genetically-encoded program that turns acclimated worms cold-tolerant. RNA-seq, mutant analyses, and pharmacological assays revealed that regulation of membrane properties switches cold-induced delayed forgetting ON and OFF, and, remarkably, that lithium delays forgetting only in cold-sensitive but not cold-tolerant worms. We found that downregulation of the diacylglycerol pathway in the AWC sensory neurons is essential for lithium-mediated delayed forgetting, and using neuronal activity recordings located the memory trace to the downstream AIY interneurons. We suggest that the awesome genetic tractability of C. elegans might be harnessed to study the effects of lithium and cold temperatures on the brain, why it influences psychiatric disorders, and even more fundamentally how memory is stored and lost.

ABSTRACT The capacity of animals to integrate and respond to multiple hazardous stimuli in the surroundings is crucial for their survival. In mammals, complex evaluations of the environment require large numbers and different subtypes of neurons. The nematode C. elegans avoid hazardous chemicals they encounter by reversing their direction of movement. How does the worms’ compact nervous system processes the spatial information and directs the change of motion? We show here that a single interneuron, AVA, receives glutamatergic excitatory signals from head sensory neurons and glutamatergic inhibitory signals from the tail sensory neurons. AVA integrates the spatially distinct and opposing cues, whose output instructs the animal’s behavioral decision. We further find that the differential activation of AVA from the head and tail stems from distinct anatomical localization of inhibitory and excitatory glutamate-gated receptors along the AVA process, and from different threshold sensitivities of the sensory neurons to aversive stimuli. Our results thus uncover a cellular mechanism that mediates spatial computation of nociceptive cues for efficient decision-making in C. elegans .