Abstract Neuroendocrine systems in animals maintain organismal homeostasis and regulate stress response. Although a great deal of work has been done on the neuropeptides and hormones that are released and act on target organs in the periphery, the synaptic inputs onto these neuroendocrine outputs in the brain are less well understood. Here, we use the transmission electron microscopy reconstruction of a whole central nervous system in the Drosophila larva to elucidate the sensory pathways and the interneurons that provide synaptic input to the neurosecretory cells projecting to the endocrine organs. Predicted by network modeling, we also identify a new carbon dioxide responsive network that acts on a specific set of neurosecretory cells and which include those expressing Corazonin (Crz) and Diuretic hormone 44 (DH44) neuropeptides. Our analysis reveals a neuronal network architecture for combinatorial action based on sensory and interneuronal pathways that converge onto distinct combinations of neuroendocrine outputs.

Little is known about the organization of central circuits by which external and internal sensory in-puts act on motor outputs to regulate fundamental behaviors such as feeding. We reconstructed, from a whole CNS EM volume, the synaptic map of input and output neurons that underlie food in-take behavior of Drosophila larvae. The input neurons originate from enteric, pharyngeal and external sensory organs and converge onto seven distinct sensory synaptic compartments within the CNS, as defined by distribution patterns of their presynaptic sites. The output neurons consist of pharyngeal motor neurons, serotonergic modulatory neurons, and neuroendocrine neurons that target the ring gland, a key endocrine organ. Monosynaptic connections from a set of sensory synaptic compartments cover the motor and endocrine targets in overlapping domains. Polysynaptic routes can be superimposed on top of the monosynaptic connections, resulting in divergent sensory paths that converge on common motor outputs. A completely different set of sensory compartments is connected to the mushroom body calyx of the memory circuits. Our results illustrate a circuit architecture in which monosynaptic and multisynaptic connections from sensory inputs traverse onto output neurons via a series of converging paths.

SUMMARY How the body interacts with the brain to perform vital life functions such as feeding is one of the fundamental questions in physiology and neuroscience. Here, we use a whole-animal scanning transmission electron microscopy dataset of Drosophila to map out the neuronal circuits that connect the entire enteric nervous system to the brain via the insect vagus nerve at synaptic resolution. This revealed a periphery-brain feedback loop in which Piezo-expressing mechanosensory neurons sense food intake and convey that information onto serotonergic neurons within the brain. These serotonergic neurons integrate the interoceptive information with external and central inputs, and in turn stabilize rhythmic activity of serotonin receptor 7 expressing peripheral motor neurons that drive swallowing. Strikingly, the very same motor neurons also share an efference copy of their activity with the aforementioned mechanosensory neurons, thereby closing the motor-sensory-modulatory loop. Our analysis elucidates an elemental, albeit surprisingly complex reinforcement circuit in which rhythmic motor patterns are stabilized through afferent signaling to central serotonergic neurons upon completion of a rewarding action. The circuit motif is constructed to allow the distinction between self-generated action and those in response to the environment.

NeuromedinU is a potent regulator of food intake and activity in mammals. In Drosophila, neurons producing the homologous neuropeptide hugin regulate feeding and locomotion in a similar manner. Here, we use EM-based reconstruction to generate the entire connectome of hugin-producing neurons in the Drosophila larval CNS. We demonstrate that hugin neurons use synaptic transmission in addition to peptidergic neuromodulation and identify acetylcholine as a key transmitter. Hugin neuropeptide and acetylcholine are both necessary for the regulatory effect on feeding. We further show that subtypes of hugin neurons connect chemosensory to endocrine system by combinations of synaptic and peptide-receptor connections. Targets include endocrine neurons producing DH44, a CRH-like peptide, and insulin-like peptides. Homologs of these peptides are likewise downstream of neuromedinU, revealing striking parallels in flies and mammals. We propose that hugin neurons are part of a physiological control system that has been conserved at functional, molecular and network architecture level.

ABSTRACT Sensory perception is the ability through which an organism is able to process sensory stimuli from the environment. This stimulus is transmitted from the peripheral sensory organs to the central nervous system, where it is interpreted. Drosophila melanogaster larvae possess peripheral sense organs on their head, thoracic, and abdominal segments. These are specialized to receive diverse environmental information, such as olfactory, gustatory, temperature or mechanosensory signals. In this work, we complete the description of the morphology of external larval sensilla and provide a complete map of the ultrastructure of the different types of sensilla that comprise them. This was achieved by 3D electron microscopic analysis of partial and whole body volumes, which contain high-resolution and complete three-dimensional data on the anatomy of the sensilla and adjacent ganglia. Our analysis revealed three main types of sensilla on thoracic and abdominal segments: the papilla sensillum, the hair sensillum and the knob sensillum. They occur either solitary or organized in compound sensilla such as the thoracic keilin’s organ or the terminal sensory cones. We present a spatial map defining these sensilla by their position on thoracic and abdominal segments. Further, we identify and name the sensilla located at the larval head and the last fused abdominal segments. We show that mechanosensation dominates in the larval peripheral nervous system, as most sensilla have corresponding structural properties. The result of this work, the construction of a complete structural and neuronal map of the external larval sensilla, provides the basis for following molecular and functional studies to understand which sensory strategies the Drosophila larva employs to orient itself in its natural environment.