Sleep is believed to play an important role in memory consolidation. We induced sleep on demand by expressing the temperature-gated nonspecific cation channel Transient receptor potential cation channel (UAS-TrpA1) in neurons, including those with projections to the dorsal fan-shaped body (FB). When the temperature was raised to 31°C, flies entered a quiescent state that meets the criteria for identifying sleep. When sleep was induced for 4 hours after a massed-training protocol for courtship conditioning that is not capable of inducing long-term memory (LTM) by itself, flies develop an LTM. Activating the dorsal FB in the absence of sleep did not result in the formation of LTM after massed training.

Sleep-promoting neurons in the dorsal fan-shaped body (dFB) of Drosophila are integral to sleep homeostasis, but how these cells impose sleep on the organism is unknown. We report that dFB neurons communicate via inhibitory transmitters, including allatostatin-A (AstA), with interneurons connecting the superior arch with the ellipsoid body of the central complex. These "helicon cells" express the galanin receptor homolog AstA-R1, respond to visual input, gate locomotion, and are inhibited by AstA, suggesting that dFB neurons promote rest by suppressing visually guided movement. Sleep changes caused by enhanced or diminished allatostatinergic transmission from dFB neurons and by inhibition or optogenetic stimulation of helicon cells support this notion. Helicon cells provide excitation to R2 neurons of the ellipsoid body, whose activity-dependent plasticity signals rising sleep pressure to the dFB. By virtue of this autoregulatory loop, dFB-mediated inhibition interrupts processes that incur a sleep debt, allowing restorative sleep to rebalance the books. VIDEO ABSTRACT.

Summary Recent work in Drosophila has uncovered several neighboring classes of sleep-regulatory neurons within the central complex. However, the logic of connectivity and network motifs remains limited by the incomplete examination of relevant cell types. Using a recent genetic-anatomical classification of ellipsoid body ring neurons, we conducted a thermogenetic screen to assess sleep/wake behavior and discovered two opposing populations: sleep-promoting R3m and wake-promoting R3d neurons. Activation of these neurons influences sleep duration and architecture by prolonging or shortening sleep bouts, suggesting a key role in sleep maintenance. R3m and R3d neurons are GABAergic and require GABA synthesis for their effects on sleep. Finally, we use a fluorescent reporter for putative synaptic partners to embed these neurons within the known sleep-regulatory network; R3m and R3d neurons lay downstream of wake-active Helicon cells, and R3m neurons likely inhibit R3d neurons. Together, the data presented herein suggest a neural mechanism by which previously uncharacterized circuit elements operate within the sleep homeostat to stabilize sleep-wake states.

Abstract The relationship between sleep and memory is an active topic of investigation. In this context, we demonstrate that enhancing sleep restores memory to flies with ablated Mushroom Bodies (MB), a key memory center; this is consistent across several memory assays. Mapping the underlying circuitry reveals circadian modulation of a subset of Dopaminergic neurons (DANs) that modulate aversive learning. Using imaging, we show that MB-ablation disrupts, and sleep restores the time of day these neurons are most responsive. Knocking down the receptor for the clock output signal, Pigment-dispersing factor (Pdfr), in this subset of DANs restores memory to MB-ablated flies. Crucially, MB-ablation does not result in memory impairments in the absence of a functioning clock. Our results reveal neuromodulation’s key role in cognitive restoration, where sleep aids memory in damaged brains, but a functioning clock unexpectedly hinders this process.

Abstract Sleep is broadly conserved across the animal kingdom, but can vary widely between species. It is currently unclear which types of selective pressures and sleep regulatory mechanisms influence differences in sleep between species. The fruit fly Drosophila melanogaster has become a successful model system for examining sleep regulation and function, but little is known about the sleep patterns and need for sleep in many related fly species. Here, we find that Drosophila mojavensis , a fly species that has adapted to extreme desert environments, exhibits strong increases in sleep compared to D. melanogaster. Long-sleeping D. mojavensis show intact sleep homeostasis, indicating that these flies carry an elevated need for sleep. In addition, D. mojavensis exhibit altered abundance or distribution of several sleep/wake related neuromodulators and neuropeptides that are consistent with their reduced locomotor activity, and increased sleep. Finally, we find that in a nutrient-deprived environment, the sleep responses of individual D. mojavensis are correlated with their survival time. Our results demonstrate that D. mojavensis is a novel model for studying organisms with high sleep need, and for exploring sleep strategies that provide resilience in extreme environments.

Abstract The Serotonin Transporter (SERT) regulates extracellular serotonin levels and is the target of most current drugs used to treat depression. The mechanisms by which inhibition of SERT activity influences behavior are poorly understood. To address this question in the model organism Drosophila melanogaster , we developed new loss of function mutations in Drosophila SERT ( dSERT). Previous studies in both flies and mammals have implicated serotonin as an important neuromodulator of sleep, and our newly generated dSERT mutants show an increase in total sleep and altered sleep architecture. Differences in daytime vs. nighttime sleep architecture as well as genetic rescue experiments unexpectedly suggest that distinct serotonergic circuits may modulate daytime versus nighttime sleep. dSERT mutants also show defects in copulation and food intake, akin to the clinical side effects of SSRIs. Starvation did not overcome the sleep drive in the mutants. Additionally in males, but not female dSERT mutants, the drive to mate also failed to overcome sleep drive. dSERT may be used to further explore the mechanisms by which serotonin regulates sleep and its interplay with other complex behaviors. Author Summary Many medications used to treat depression and anxiety act by changing serotonin levels in the brain. Fruit flies also use serotonin and can be used as a model to study the brain. We have made a fly mutant for the serotonin transporter (SERT), which is the target of antidepressants in humans. The mutants sleep more, eat less, and have a decreased sex drive. These flies can be used to study the neuronal pathways by which serotonin regulates sleep, eating and sexual behaviors and may help us to understand the behavioral effects of antidepressants.

The central complex (CX) is a midline-situated collection of neuropil compartments in the arthropod central brain, implicated in higher-order processes such as goal-directed navigation. Here, we provide a systematic genetic-neuroanatomical analysis of the ellipsoid body (EB), a compartment which represents a major afferent portal of the Drosophila CX. The neuropil volume of the EB, along with its prominent input compartment, called the bulb, is subdivided into precisely tessellated domains, distinguishable based on intensity of the global marker DN-cadherin. EB tangential elements (so-called ring neurons), most of which are derived from the DALv2 neuroblast lineage, interconnect the bulb and EB domains in a topographically-organized fashion. Using the DN-cadherin domains as a framework, we first characterized the bulb-EB connectivity by Gal4 driver lines expressed in different DALv2 ring neuron (R-neuron) subclasses. We identified 11 subclasses, 6 of which correspond to previously described projection patterns, and 5 novel patterns. These subclasses both spatially (based on EB innervation pattern) and numerically (cell counts) summate to the total EB volume and R-neuron cell number, suggesting that our compilation of R-neuron subclasses approaches completion. EB columnar elements, as well as non-DALv2 derived extrinsic ring neurons (ExR neurons), were also incorporated into this anatomical framework. Finally, we addressed the connectivity between R-neurons and their targets, using the anterograde trans-synaptic labeling method, trans-Tango. This study demonstrates putative interactions of R-neuron subclasses and reveals general principles of information flow within the EB network. Our work will facilitate the generation and testing of hypotheses regarding circuit interactions within the EB and the rest of the CX.