Many animals keep track of their angular heading over time while navigating through their environment. However, a neural-circuit architecture for computing heading has not been experimentally defined in any species. Here we describe a set of clockwise- and anticlockwise-shifting neurons in the Drosophila central complex whose wiring and physiology provide a means to rotate an angular heading estimate based on the fly’s angular velocity. We show that each class of shifting neurons exists in two subtypes, with spatiotemporal activity profiles that suggest different roles for each subtype at the start and end of tethered-walking turns. Shifting neurons are required for the heading system to properly track the fly’s heading in the dark, and stimulation of these neurons induces predictable shifts in the heading signal. The central features of this biological circuit are analogous to those of computational models proposed for head-direction cells in rodents and may shed light on how neural systems, in general, perform integration. A neural circuit in Drosophila reveals how the fly’s internal sense of heading rotates when it turns. Spatial navigation has been shown to rely in part on 'head-direction neurons', which act like an internal compass in several animal species, but the neuronal circuits that generate and update the persistent activity of these cells are unknown. Now Gaby Maimon and colleagues identify two types of upstream neurons that tell the Drosophila head-direction signal when to rotate, and by how much, as the animal's head turns. The P-EN1 neurons act like a gas pedal at the start of the rotation, whereas P-EN2 neurons act like a brake at the end of it, while the magnitude of an asymmetry between left- and right-hand side P-EN neurons marks the velocity of head rotation. These findings will not only inform computational models proposed for spatial integration in other species, such as ants, bees and rodents, but could also help neuroscientists to understand how brains in general integrate transient inputs into persistent activity.

Abstract Many behavioral tasks require the manipulation of mathematical vectors, but, outside of computational models 1–8 , it is not known how brains perform vector operations. Here we show how the Drosophila central complex, a region implicated in goal-directed navigation 8–14 , performs vector arithmetic. First, we describe neural signals in the fan-shaped body that explicitly track a fly’s allocentric traveling direction, that is, the traveling direction in reference to external cues. Past work has identified neurons in Drosophila 12,15–17 and mammals 18,19 that track allocentric heading (e.g., head-direction cells), but these new signals illuminate how the sense of space is properly updated when traveling and heading angles differ. We then characterize a neuronal circuit that rotates, scales, and adds four vectors related to the fly’s egocentric traveling direction–– the traveling angle referenced to the body axis––to compute the allocentric traveling direction. Each two-dimensional vector is explicitly represented by a sinusoidal activity pattern across a distinct neuronal population, with the sinusoid’s amplitude representing the vector’s length and its phase representing the vector’s angle. The principles of this circuit, which performs an egocentric-to-allocentric coordinate transformation, may generalize to other brains and to domains beyond navigation where vector operations or reference-frame transformations are required.

When an animal moves through the world, its brain receives a stream of information about the body’s translational movement. These incoming movement signals, relayed from sensory organs or as copies of motor commands, are referenced relative to the body. Ultimately, such body-centric movement signals must be transformed into world-centric coordinates for navigation 1 . Here we show that this computation occurs in the fan-shaped body in the Drosophila brain. We identify two cell types in the fan-shaped body, PFNd and PFNv 2,3 , that conjunctively encode translational velocity signals and heading signals in walking flies. Specifically, PFNd and PFNv neurons form a Cartesian representation of body-centric translational velocity – acquired from premotor brain regions 4,5 – that is layered onto a world-centric heading representation inherited from upstream compass neurons 6–8 . Then, we demonstrate that the next network layer, comprising hΔB neurons, is wired so as to transform the representation of translational velocity from body-centric to world-centric coordinates. We show that this transformation is predicted by a computational model derived directly from electron microscopy connectomic data 9 . The model illustrates the key role of a specific network motif, whereby the PFN neurons that synapse onto the same hΔB neuron have heading-tuning differences that offset the differences in their preferred body-centric directions of movement. By integrating a world-centric representation of travel velocity over time, it should be possible for the brain to form a working memory of the path traveled through the environment 10–12 .

Abstract Neuronal signals relevant for spatial navigation have been described in many species 1–12 , however, a circuit-level understanding of how such signals interact to guide behaviour is lacking. Here we characterize a neuronal circuit in the Drosophila central complex that compares internally generated estimates of the fly’s heading and goal angles––both encoded in world-centred, or allocentric, coordinates––to generate a body-centred, or egocentric, steering signal. Past work has argued that the activity of EPG cells, or “compass neurons” 2 , represents the fly’s moment-to-moment angular orientation, or heading angle , during navigation 13 . An animal’s moment-to-moment heading angle, however, is not always aligned with its goal angle , i.e., the allocentric direction in which it wishes to progress forward. We describe a second set of neurons in the Drosophila brain, FC2 cells 14 , with activity that correlates with the fly’s goal angle. Furthermore, focal optogenetic activation of FC2 neurons induces flies to orient along experimenter-defined directions as they walk forward. EPG and FC2 cells connect monosynaptically to a third neuronal class, PFL3 cells 14,15 . We found that individual PFL3 cells show conjunctive, spike-rate tuning to both heading and goal angles during goal-directed navigation. Informed by the anatomy and physiology of these three cell classes, we develop a formal model for how this circuit can compare allocentric heading- and goal-angles to build an egocentric steering signal in the PFL3 output terminals. Quantitative analyses and optogenetic manipulations of PFL3 activity support the model. The biological circuit described here reveals how two, population-level, allocentric signals are compared in the brain to produce an egocentric output signal appropriate for the motor system.

Whereas progress has been made in the identification of neural signals related to rapid, cued decisions1-3, less is known about how brains guide and terminate more ethologically relevant decisions in which an animal's own behaviour governs the options experienced over minutes4-6. Drosophila search for many seconds to minutes for egg-laying sites with high relative value7,8 and have neurons, called oviDNs, whose activity fulfills necessity and sufficiency criteria for initiating the egg-deposition motor programme9. Here we show that oviDNs express a calcium signal that (1) dips when an egg is internally prepared (ovulated), (2) drifts up and down over seconds to minutes-in a manner influenced by the relative value of substrates-as a fly determines whether to lay an egg and (3) reaches a consistent peak level just before the abdomen bend for egg deposition. This signal is apparent in the cell bodies of oviDNs in the brain and it probably reflects a behaviourally relevant rise-to-threshold process in the ventral nerve cord, where the synaptic terminals of oviDNs are located and where their output can influence behaviour. We provide perturbational evidence that the egg-deposition motor programme is initiated once this process hits a threshold and that subthreshold variation in this process regulates the time spent considering options and, ultimately, the choice taken. Finally, we identify a small recurrent circuit that feeds into oviDNs and show that activity in each of its constituent cell types is required for laying an egg. These results argue that a rise-to-threshold process regulates a relative-value, self-paced decision and provide initial insight into the underlying circuit mechanism for building this process.

Abstract Whereas progress has been made in identifying neural signals related to rapid, cued decisions 1–4 , less is known about how brains guide and terminate more ethologically relevant deliberations, where an animal’s own behavior governs the options experienced over minutes 5–8 . Drosophila search for many seconds to minutes for egg-laying sites with high relative value 9, 10 and neurons, called oviDNs , exist whose activity fulfills necessity and sufficiency criteria for initiating the egg-deposition motor program 11 . Here we show that oviDNs express a calcium signal that rises over seconds to minutes as a fly deliberates whether to lay an egg. The calcium signal dips when an egg is internally prepared (ovulated), rises at a rate related to the relative value of the current substrate being experienced, and reaches a consistent peak just prior to the abdomen bend for egg deposition. We provide perturbational evidence that the egg-deposition motor program is initiated once this signal hits a threshold and that sub-threshold variation in the signal regulates the time spent deliberating and, ultimately, the option chosen. These results argue that a rise-to-threshold signal guides Drosophila to lay eggs on substrate options with high relative value, with each egg-laying event representing a self-paced decision similar to real-world decisions made by humans and other mammals.

Abstract Neuronal signals that are relevant for spatial navigation have been described in many species 1–10 . However, a circuit-level understanding of how such signals interact to guide navigational behaviour is lacking. Here we characterize a neuronal circuit in the Drosophila central complex that compares internally generated estimates of the heading and goal angles of the fly—both of which are encoded in world-centred (allocentric) coordinates—to generate a body-centred (egocentric) steering signal. Past work has suggested that the activity of EPG neurons represents the fly’s moment-to-moment angular orientation, or heading angle, during navigation 2,11 . An animal’s moment-to-moment heading angle, however, is not always aligned with its goal angle—that is, the allocentric direction in which it wishes to progress forward. We describe FC2 cells 12 , a second set of neurons in the Drosophila brain with activity that correlates with the fly’s goal angle. Focal optogenetic activation of FC2 neurons induces flies to orient along experimenter-defined directions as they walk forward. EPG and FC2 neurons connect monosynaptically to a third neuronal class, PFL3 cells 12,13 . We found that individual PFL3 cells show conjunctive, spike-rate tuning to both the heading angle and the goal angle during goal-directed navigation. Informed by the anatomy and physiology of these three cell classes, we develop a model that explains how this circuit compares allocentric heading and goal angles to build an egocentric steering signal in the PFL3 output terminals. Quantitative analyses and optogenetic manipulations of PFL3 activity support the model. Finally, using a new navigational memory task, we show that flies expressing disruptors of synaptic transmission in subsets of PFL3 cells have a reduced ability to orient along arbitrary goal directions, with an effect size in quantitative accordance with the prediction of our model. The biological circuit described here reveals how two population-level allocentric signals are compared in the brain to produce an egocentric output signal that is appropriate for motor control.

Abstract Many experimental approaches rely on controlling gene expression in select subsets of cells within an individual animal. However, reproducibly targeting transgene expression to specific fractions of a genetically-defined cell-type is challenging. We developed S parse P redictive A ctivity through R ecombinase C ompetition (SPARC), a generalizable toolkit that can express any effector in precise proportions of post-mitotic cells in Drosophila . Using this approach, we demonstrate targeted expression of many effectors and apply these tools to calcium imaging of individual neurons and optogenetic manipulation of sparse cell populations in vivo .