Abstract The brain consists of thousands of different neuronal types that are generated through multiple divisions of neuronal stem cells. These stem cells have the capacity to generate different neuronal types at different stages of their development. In Drosophila , this temporal patterning is driven by the successive expression of temporal transcription factors (tTFs). While a number of tTFs are known in different animals and across various parts of the nervous system, these have been mostly identified by informed guesses and antibody availability. We used single-cell mRNA sequencing to identify the complete series of tTFs that specify most Drosophila medulla neurons in the optic lobe. We tested the genetic interactions among these tTFs. While we verify the general principle that tTFs regulate the progression of the series by activating the next tTFs in the series and repressing the previous ones, we also identify more complex regulations. Two of the tTFs, Eyeless and Dichaete, act as hubs integrating the input of several upstream tTFs before allowing the series to progress and in turn regulating the expression of several downstream tTFs. Moreover, we show that tTFs not only specify neuronal identity by controlling the expression of cell type-specific genes. Finally, we describe the very first steps of neuronal differentiation and find that terminal differentiation genes, such as neurotransmitter-related genes, are present as transcripts, but not as proteins, in immature larval neurons days before they are being used in functioning neurons; we show that these mechanisms are conserved in humans. Our results offer a comprehensive description of a temporal series of tTFs in a neuronal system, offering mechanistic insights into the regulation of the progression of the series and the regulation of neuronal diversity. This represents a proof-of-principle for the use of single-cell mRNA sequencing for the comparison of temporal patterning across phyla that can lead to an understanding of how the human brain develops and how it has evolved.

Summary Neurons must be made in the correct proportions to communicate with the appropriate synaptic partners and form functional circuits. In the Drosophila visual system, multiple subtypes of Distal medulla (Dm) inhibitory interneurons are made in distinct, reproducible numbers—from 5 to 800 per optic lobe. These neurons are born from a crescent-shaped neuroepithelium called the Outer Proliferation Center (OPC), which can be subdivided into specific domains based on transcription factor expression. We fate mapped Dm neurons and found that more abundant neural types are born from larger neuroepithelial subdomains, while less abundant subtypes are born from smaller ones. Additionally, morphogenetic Dpp/BMP signaling provides a second layer of patterning that subdivides the neuroepithelium into smaller domains to provide more granular control of cell proportions. Apoptosis appears to play a minor role in regulating Dm neuron abundance. This work describes an underappreciated mechanism for the regulation of neuronal stoichiometry.

Abstract The Drosophila visual system is a powerful model to study the development of neural circuits. Projection neurons that relay visual information from the lobula part of the optic lobe to the central brain (the lobula columnar neurons-LCNs), are thought to encode different visual features relevant to natural behavior. There are ∼20 classes of LCNs whose projections form highly specific, non-overlapping synaptic domains in the brain called optic glomeruli. Although functional investigations of several LCN circuits have been carried out, very little is known about their developmental origin and the stem cell lineages that generate the LCN subtypes. To address their origin, we used single-cell mRNA sequencing to define the transcriptome of each LCN subtype and identified driver lines that are expressed in specific LCNs throughout development. We show that LCNs originate from neural stem cells in four distinct regions in the fly brain that exhibit different modes of neurogenesis, including the ventral and dorsal tips of the outer proliferation center (tOPC), the ventral tips of the inner proliferation center (vtIPC) and the central brain (CB). This convergence of similar neurons illustrates the complexity of generating neuronal diversity in the brain and likely reflects the evolutionary origin of each LCN subtype that detects a highly specific visual feature and influence behaviors that might be specific to each species.

Abstract The medulla is the largest neuropil of the Drosophila optic lobe. It contains about 100 neuronal types that have been comprehensively characterized morphologically and molecularly. These neuronal types are specified from a larval neuroepithelium called the Outer Proliferation Center (OPC) via the integration of temporal, spatial, and Notch-driven mechanisms. Although we recently characterized the temporal windows of origin of all medulla neurons, as well as their Notch status, their spatial origins remained unknown. Here, we isolated cells from different OPC spatial domains and performed single-cell mRNA-sequencing to identify the neuronal types produced in these domains. This allowed us to characterize in a high-throughput manner the spatial origins of all medulla neurons and to identify two new spatial subdivisions of the OPC. Moreover, our work shows that the most abundant neuronal types are produced from epithelial domains of different sizes despite being present in a similar number of copies. Combined with our previously published scRNA-seq developmental atlas of the optic lobe, our work opens the door for further studies on how specification factor expression in progenitors impacts gene expression in developing and adult neurons.