Abstract To navigate towards a food source, animals must frequently combine odor cues that tell them what sources are useful with wind direction cues that tell them where the source can be found. Where and how these two cues are integrated to support navigation is unclear. Here we identify a pathway to the Drosophila fan-shaped body (FB) that encodes attractive odor and promotes upwind navigation. We show that neurons throughout this pathway encode odor, but not wind direction. Using connectomics, we identify FB local neurons called hΔC that receive input from this odor pathway and a previously described wind pathway. We show that hΔC neurons exhibit odor-gated, wind direction-tuned activity, that sparse activation of hΔC neurons promotes navigation in a reproducible direction, and that hΔC activity is required for persistent upwind orientation during odor. Based on connectome data, we develop a computational model showing how hΔC activity can promote navigation towards a goal such as an upwind odor source. Our results suggest that odor and wind cues are processed by separate pathways and integrated within the FB to support goal-directed navigation.

Abstract Complex behaviors depend on the precise developmental specification of neuronal circuits, but the relationship between genetic programs for neural development, circuit structure, and behavioral output is often unclear. The central complex (CX) is a conserved sensory-motor integration center in insects that governs many higher order behaviors and largely derives from a small number of Type II neural stem cells. Here, we show that Imp, a conserved IGF-II mRNA-binding protein expressed in Type II neural stem cells, specifies components of CX olfactory navigation circuitry. We show: (1) that multiple components of olfactory navigation circuitry arise from Type II neural stem cells and manipulating Imp expression in Type II neural stem cells alters the number and morphology of many of these circuit elements, with the most potent effects on neurons targeting the ventral layers of the fan-shaped body. (2) Imp regulates the specification of Tachykinin expressing ventral fan-shaped body input neurons. (3) Imp in Type II neural stem cells alters the morphology of the CX neuropil structures. (4) Loss of Imp in Type II neural stem cells abolishes upwind orientation to attractive odor while leaving locomotion and odor-evoked regulation of movement intact. Taken together, our work establishes that a single temporally expressed gene can regulate the expression of a complex behavior through the developmental specification of multiple circuit components and provides a first step towards a developmental dissection of the CX and its roles in behavior.

An important question in neuroscience is how stem cells generate neuronal diversity. During Drosophila embryonic development, neural stem cells (neuroblasts) sequentially express transcription factors that generate neuronal diversity; regulation of the embryonic temporal transcription factor cascade is lineage-intrinsic. In contrast, larval neuroblasts generate longer ~50 division lineages, and currently only one mid-larval molecular transition is known: Chinmo/Imp/Lin-28+ neuroblasts transition to Syncrip+ neuroblasts. Here we show that the hormone ecdysone is required to down-regulate Chinmo/Imp and activate Syncrip, plus two late neuroblast factors, Broad and E93. We show that Seven-up triggers Chinmo/Imp to Syncrip/Broad/E93 transition by inducing expression of the Ecdysone receptor in mid-larval neuroblasts, rendering them competent to respond to the systemic hormone ecdysone. Importantly, late temporal gene expression is essential for proper neuronal and glial cell type specification. This is the first example of hormonal regulation of temporal factor expression in Drosophila embryonic or larval neural progenitors.

Across species, sleep in young animals is critical for normal brain maturation. In contrast to mature adult sleep, the molecular determinants of early life sleep remain unknown. Through an RNAi-based screen, we identified a gene, pdm3, required for sleep maturation in Drosophila. Pdm3, a transcription factor, acts during nervous system development to coordinate the ingrowth of wake-promoting dopaminergic neurites to a sleep-promoting region. Loss of PDM3 prematurely increases dopaminergic inhibition of the sleep center, abolishing the juvenile sleep state. RNA-Seq/ChIP-Seq and a subsequent modifier screen reveal that pdm3 regulates expression of the synaptogenesis gene Msp300 to control sleep ontogeny. These studies define the molecular cues governing sleep behavioral and circuit development, and suggest sleep disorders may be of neurodevelopmental origin.

Abstract Stem cells must balance proliferation and quiescence, with excess proliferation favoring tumor formation, and premature quiescence preventing proper organogenesis. Drosophila brain neuroblasts are a model for investigating neural stem cell entry and exit from quiescence. Neuroblasts begin proliferating during embryogenesis, enter quiescence prior to larval hatching, and resume proliferation 12-30h after larval hatching. Here we focus on the mechanism used to exit quiescence, focusing on the “type II” neuroblasts. There are 16 type II neuroblasts in the brain, and they undergo the same cycle of embryonic proliferation, quiescence, and proliferation as do most other brain neuroblasts. We focus on type II neuroblasts due to their similar lineage as outer radial glia in primates (both have extended lineages with intermediate neural progenitors) and because of the availability of specific markers for type II neuroblasts and their progeny. Here we characterize the role of Insulin-like growth factor II mRNA-binding protein (Imp) in type II neuroblast proliferation and quiescence. Imp has previously been shown to promote proliferation in type II neuroblasts, in part by acting antagonistically to another RNA-binding protein called Syncrip (Syp). Here we show that reducing Imp levels delays neuroblast exit from quiescence in type II neuroblasts, acting independently of Syp, with Syp levels remaining low in both quiescent and newly proliferating type II neuroblasts. We conclude that Imp promotes exit from quiescence, a function closely related to its known role in promoting neuroblast proliferation.

Complex behaviors arise from neural circuits that are assembled from diverse cell types. Sleep is a conserved and essential behavior, yet little is known regarding how the nervous system generates neuron types of the sleep-wake circuit. Here, we focus on the specification of Drosophila sleep-promoting neurons, which are long-field tangential input neurons projecting to the dorsal layers of the fan-shaped body neuropil in the central complex (CX). We use lineage analysis and genetic birth dating to identify two bilateral Type II neural stem cells that generate these dorsal fan-shaped body (dFB) neurons. We show that adult dFB neurons express Ecdysone-induced protein E93 and loss of Ecdysone signaling or E93 in Type II NSCs results in the misspecification of the adult dFB neurons. Finally, we show that E93 knockdown in Type II NSCs affects adult sleep behavior. Our results provide insight into how extrinsic hormonal signaling acts on NSCs to generate neuronal diversity required for adult sleep behavior. These findings suggest that some adult sleep disorders might derive from defects in stem cell-specific temporal neurodevelopmental programs.