Heterozygous Tbx5(del/+) mice were generated to study the mechanisms by which TBX5 haploinsufficiency causes cardiac and forelimb abnormalities seen in Holt-Oram syndrome. Tbx5 deficiency in homozygous mice (Tbx5(del/del)) decreased expression of multiple genes and caused severe hypoplasia of posterior domains in the developing heart. Surprisingly, Tbx5 haploinsufficiency also markedly decreased atrial natriuretic factor (ANF) and connexin 40 (cx40) transcription, implicating these as Tbx5 target genes and providing a mechanism by which 50% reduction of T-box transcription factors cause disease. Direct and cooperative transactivation of the ANF and cx40 promoters by Tbx5 and the homeodomain transcription factor Nkx2-5 was also demonstrated. These studies provide one potential explanation for Holt-Oram syndrome conduction system defects, suggest mechanisms for intrafamilial phenotypic variability, and account for related cardiac malformations caused by other transcription factor mutations.

In Drosophila, olfactory sensory neurons project to spatially invariant loci (glomeruli) and stereotyped circuitry is maintained in projections to a brain centre thought to mediate innate behaviours; here it is shown that neurons of the mushroom body, a centre that translates olfactory information into learned behaviours, integrate input from an apparently random combination of glomeruli, which could allow the fly to contextualize novel sensory experiences. Some odours elicit fixed, innate behavioural responses, based on stereotyped neuronal circuits — or 'labelled lines' — that form direct links to the deeper layers of the brain. It has been suggested that less stereotyped circuits allow other odours to acquire their behavioural 'valence' based on individual experience, but such randomness is harder to demonstrate than structure. Now Richard Axel and colleagues have used sophisticated tracing of neural connectivity in the fruitfly to show that projections from the peripheral olfactory system to the associative memory centre in the mushroom bodies are largely random, which may allow the animal to contextualize new sensory experiences. The mushroom body in the fruitfly Drosophila melanogaster is an associative brain centre that translates odour representations into learned behavioural responses1. Kenyon cells, the intrinsic neurons of the mushroom body, integrate input from olfactory glomeruli to encode odours as sparse distributed patterns of neural activity2,3. We have developed anatomic tracing techniques to identify the glomerular origin of the inputs that converge onto 200 individual Kenyon cells. Here we show that each Kenyon cell integrates input from a different and apparently random combination of glomeruli. The glomerular inputs to individual Kenyon cells show no discernible organization with respect to their odour tuning, anatomic features or developmental origins. Moreover, different classes of Kenyon cells do not seem to preferentially integrate inputs from specific combinations of glomeruli. This organization of glomerular connections to the mushroom body could allow the fly to contextualize novel sensory experiences, a feature consistent with the role of this brain centre in mediating learned olfactory associations and behaviours.

Abstract Brain evolution has primarily been studied at the macroscopic level by comparing the relative size of homologous brain centers between species. How neuronal circuits change at the cellular level over evolutionary time remains largely unanswered. Here, using a phylogenetically informed framework, we compare the olfactory circuits of three closely related Drosophila species that differ in their chemical ecology: the generalists Drosophila melanogaster and Drosophila simulans and Drosophila sechellia that specializes on ripe noni fruit. We examine a central part of the olfactory circuit that, to our knowledge, has not been investigated in these species—the connections between projection neurons and the Kenyon cells of the mushroom body—and identify species-specific connectivity patterns. We found that neurons encoding food odors connect more frequently with Kenyon cells, giving rise to species-specific biases in connectivity. These species-specific connectivity differences reflect two distinct neuronal phenotypes: in the number of projection neurons or in the number of presynaptic boutons formed by individual projection neurons. Finally, behavioral analyses suggest that such increased connectivity enhances learning performance in an associative task. Our study shows how fine-grained aspects of connectivity architecture in an associative brain center can change during evolution to reflect the chemical ecology of a species.

Abstract The evolution of animal behaviour is poorly understood. Despite numerous correlations of behavioural and nervous system divergence, demonstration of the genetic basis of interspecific behavioural differences remains rare. Here we develop a novel neurogenetic model, Drosophila sechellia , a close cousin of D. melanogaster that displays profound behavioural changes linked to its extreme host fruit specialisation. Through calcium imaging, we identify olfactory pathways detecting host volatiles. Mutational analysis indicates roles for individual receptors in long- and short-range attraction. Cross-species allele transfer demonstrates that differential tuning of one receptor is important for species-specific behaviour. We identify the molecular determinants of this functional change, and characterise their behavioural significance and evolutionary origin. Circuit tracing reveals that receptor adaptations are accompanied by increased sensory pooling onto interneurons and novel central projection patterns. This work links molecular and neuronal changes to behavioural divergence and defines a powerful model for investigating nervous system evolution and speciation.

ABSTRACT Cerebellum-like structures — such as the insect mushroom body — are found in many brains and share a basic fan-out–fan-in network architecture. How the specific structural features of these networks give rise to their learning function remains largely unknown. To investigate this structure–function relationship, we developed a minimal computational model of the extensively studied Drosophila melanogaster mushroom body. We show how well-defined connectivity patterns between the Kenyon cells — the constituent neurons of the mushroom body — and their input projection neurons endow different functions, enabling the mushroom body to process olfactory information more efficiently. First, biases in the likelihoods at which individual projection neurons connect to Kenyon cells allow the mushroom body to prioritize the learning of particular, ethologically meaningful odors. Second, groups of projection neurons connecting preferentially to the same Kenyon cells facilitate the mushroom body to generalize across similar odors. Altogether, our results demonstrate how different connectivity patterns shape the representation space of a well-studied cerebellum-like network and impact its learning outcomes.

ABSTRACT Brain evolution has primarily been studied at the macroscopic level by comparing the relative size of homologous brain centers between species. How neuronal circuits change at the cellular level over evolutionary time remains largely unanswered. Here, using a phylogenetically informed framework, we compare the olfactory circuits of three closely related Drosophila species that differ radically in their chemical ecology: the generalists Drosophila melanogaster and Drosophila simulans that feed on fermenting fruit, and Drosophila sechellia that specializes on ripe noni fruit. We examine a central part of the olfactory circuit that has not yet been investigated in these species — the connections between the projection neurons of the antennal lobe and the Kenyon cells of the mushroom body, an associative brain center — to identify species-specific connectivity patterns. We found that neurons encoding food odors — the DC3 neurons in D. melanogaster and D. simulans and the DL2d neurons in D. sechellia — connect more frequently with Kenyon cells, giving rise to species-specific biases in connectivity. These species-specific differences in connectivity reflect two distinct neuronal phenotypes: in the number of projection neurons or in the number of presynaptic boutons formed by individual projection neurons. Finally, behavioral analyses suggest that such increased connectivity enhances learning performance in an associative task. Our study shows how fine-grained aspects of connectivity architecture in an associative brain center can change during evolution to reflect the chemical ecology of a species.

ABSTRACT The ability to integrate input from different sensory systems is a fundamental property of many brains. Yet, the patterns of neuronal connectivity that underlie such multisensory integration remain poorly characterized. The Drosophila melanogaster mushroom body — an associative center required for the formation of olfactory and visual memories — is an ideal system to investigate how different sensory channels converge in higher-order brain centers. The neurons connecting the mushroom body to the olfactory system have been described in great detail, but input from other sensory systems remains poorly defined. Here, we use a range of anatomical and genetic techniques to identify two novel types of mushroom body input neuron that connect visual processing centers — namely the lobula and the posterior lateral protocerebrum — to the dorsal accessory calyx of the mushroom body. Together with previous work that described a pathway conveying visual information from the medulla to the ventral accessory calyx of the mushroom body (Vogt et al., 2016), our study defines a second, parallel pathway that is anatomically poised to convey information from the visual system to the dorsal accessory calyx. This connectivity pattern — the segregation of the visual information into two separate pathways — could be a fundamental feature of the neuronal architecture underlying multisensory integration in associative brain centers.