Abstract While impairing neuronal metabolism limits brain performance, it remains poorly understood whether enhancing metabolism in neurons, in contrast, could boost brain function. We find that reducing the expression of the mitochondrial H + /Ca 2+ exchanger Letm1 results in increased Ca 2+ retention in the mitochondrial matrix of firing neurons, which overactivates neuronal metabolism in flies and rodents. We find that upscaled metabolic states in active neurons of central memory circuits of flies and mice enable storing long-term memories in training paradigms in which wild-type counterparts of both species fail to remember. Our findings unveil an evolutionarily conserved mechanism that controls mitochondrial metabolism in active neurons and prove its crucial role in governing higher brain functions, such as long-term memory formation. Highlights - Letm1 controls activity-driven mitochondrial Ca 2+ efflux in neurons - Increased mitochondrial Ca 2+ retention during activity overactivates neuronal metabolism - Activity-driven upscaling of neuronal metabolism facilitates long-term olfactory memory in flies and mice

Summary Neuronal dendrites must relay synaptic inputs over long distances, but the mechanisms by which activity-evoked intracellular signals propagate over macroscopic distances remain unclear. Here, we discovered a system of periodically arranged endoplasmic reticulum-plasma membrane (ER-PM) junctions tiling the plasma membrane of dendrites at ∼1 μm intervals, interlinked by a meshwork of ER tubules patterned in a ladder-like array. Populated with Junctophilin-linked plasma membrane voltage-gated Ca 2+ channels and ER Ca 2+ -release channels (ryanodine receptors), ER-PM junctions are hubs for ER-PM crosstalk, fine-tuning of Ca 2+ homeostasis, and local activation of the Ca 2+ /calmodulin-dependent protein kinase II. Local spine stimulation activates the Ca 2+ modulatory machinery facilitating voltage-independent signal transmission and ryanodine receptor-dependent Ca 2+ release at ER-PM junctions over 20 μm away. Thus, interconnected ER-PM junctions support signal propagation and Ca 2+ release from the spine-adjacent ER. The capacity of this subcellular architecture to modify both local and distant membrane-proximal biochemistry potentially contributes to dendritic computations. Highlights Periodic ER-PM junctions tile neuronal dendritic plasma membrane in rodent and fly. ER-PM junctions are populated by ER tethering and Ca 2+ release and influx machinery. ER-PM junctions act as sites for local activation of CaMKII. Local spine activation drives Ca 2+ release from RyRs at ER-PM junctions over 20 μm.