In nature, animals form memories associating reward or punishment with stimuli from different sensory modalities, such as smells and colors. It is unclear, however, how distinct sensory memories are processed in the brain. We established appetitive and aversive visual learning assays for Drosophila that are comparable to the widely used olfactory learning assays. These assays share critical features, such as reinforcing stimuli (sugar reward and electric shock punishment), and allow direct comparison of the cellular requirements for visual and olfactory memories. We found that the same subsets of dopamine neurons drive formation of both sensory memories. Furthermore, distinct yet partially overlapping subsets of mushroom body intrinsic neurons are required for visual and olfactory memories. Thus, our results suggest that distinct sensory memories are processed in a common brain center. Such centralization of related brain functions is an economical design that avoids the repetition of similar circuit motifs.

ABSTRACT Past work has shown that chronic exposure of Drosophila to intense monomolecular odors in early life leads to homeostatic adaptation of olfactory neural responses and behavioral habituation to the familiar odor. Here, we found that, in contrast, persistent exposure to natural odors in early life increases behavioral attraction selectively to familiar odors. Odor experience increases the attractiveness of natural odors that are innately attractive and decreases the aversiveness of natural odors that are innately aversive. These changes in olfactory behavior are unlikely to arise from changes in the sensitivity of olfactory neurons at the first stages of olfactory processing: odor-evoked output from antennal lobe projection neurons was unchanged by chronic exposure to natural odors in terms of olfactory sensitivity, relational distances between odors, or response dynamics. We reveal a requirement for additional features of the environment beyond the odor in establishing odor experience-dependent behavioral plasticity. Passive odor exposure in a featureless environment lacking strong reinforcing cues was insufficient to elicit changes in olfactory preference; however, the same odor exposure resulted in behavioral plasticity when food was present in the environment. Together, these results indicate that behavioral plasticity elicited by persistent exposure to natural odors in early life is mediated by an associative process. In addition, they highlight the importance of using naturalistic odor stimuli for investigating olfactory function.

ABSTRACT A core challenge of olfactory neuroscience is to understand how neural representations of odor are generated and progressively transformed across different layers of the olfactory circuit into formats that support perception and behavior. The encoding of odor by odorant receptors in the input layer of the olfactory system reflects, at least in part, the chemical relationships between odor compounds. Neural representations of odor in higher order associative olfactory areas, generated by random feedforward networks, are expected to largely preserve these input odor relationships 1–3 . We evaluated these ideas by examining how odors are represented at different stages of processing in the olfactory circuit of the vinegar fly D. melanogaster . We found that representations of odor in the mushroom body (MB), a third-order associative olfactory area in the fly brain, are indeed structured and invariant across flies. However, the structure of MB representational space diverged significantly from what is expected in a randomly connected network. In addition, odor relationships encoded in the MB were better correlated with a metric of the similarity of their distribution across natural sources compared to their similarity with respect to chemical features, and the converse was true for odor relationships encoded in primary olfactory receptor neurons (ORNs). Comparison of odor coding at primary, secondary, and tertiary layers of the circuit revealed that odors were significantly regrouped with respect to their representational similarity across successive stages of olfactory processing, with the largest changes occurring in the MB. The non-linear reorganization of odor relationships in the MB indicates that unappreciated structure exists in the fly olfactory circuit, and this structure may facilitate the generalization of odors with respect to their co-occurence in natural sources.