Genetically encoded calcium indicators (GECIs) can be used to image activity in defined neuronal populations. However, current GECIs produce inferior signals compared to synthetic indicators and recording electrodes, precluding detection of low firing rates. We developed a single-wavelength GCaMP2-based GECI (GCaMP3), with increased baseline fluorescence (3-fold), increased dynamic range (3-fold) and higher affinity for calcium (1.3-fold). We detected GCaMP3 fluorescence changes triggered by single action potentials in pyramidal cell dendrites, with signal-to-noise ratio and photostability substantially better than those of GCaMP2, D3cpVenus and TN-XXL. In Caenorhabditis elegans chemosensory neurons and the Drosophila melanogaster antennal lobe, sensory stimulation-evoked fluorescence responses were significantly enhanced with GCaMP3 (4-6-fold). In somatosensory and motor cortical neurons in the intact mouse, GCaMP3 detected calcium transients with amplitudes linearly dependent on action potential number. Long-term imaging in the motor cortex of behaving mice revealed large fluorescence changes in imaged neurons over months.

Innate social behaviours emerge from neuronal circuits that interpret sensory information on the basis of an individual's own genotype, sex and experience. The regulated aggregation behaviour of the nematode Caenorhabditis elegans, a simple animal with only 302 neurons, is an attractive system to analyse these circuits. Wild social strains of C. elegans aggregate in the presence of specific sensory cues, but solitary strains do not. Here we identify the RMG inter/motor neuron as the hub of a regulated circuit that controls aggregation and related behaviours. RMG is the central site of action of the neuropeptide receptor gene npr-1, which distinguishes solitary strains (high npr-1 activity) from wild social strains (low npr-1 activity); high RMG activity is essential for all aspects of social behaviour. Anatomical gap junctions connect RMG to several classes of sensory neurons known to promote aggregation, and to ASK sensory neurons, which are implicated in male attraction to hermaphrodite pheromones. We find that ASK neurons respond directly to pheromones, and that high RMG activity enhances ASK responses in social strains, causing hermaphrodite attraction to pheromones at concentrations that repel solitary hermaphrodites. The coordination of social behaviours by RMG suggests an anatomical hub-and-spoke model for sensory integration in aggregation, and points to functions for related circuit motifs in the C. elegans wiring diagram.

Ultrasound has been used to non-invasively manipulate neuronal functions in humans and other animals. However, this approach is limited as it has been challenging to target specific cells within the brain or body. Here, we identify human Transient Receptor Potential A1 (hsTRPA1) as a candidate that confers ultrasound sensitivity to mammalian cells. Ultrasound-evoked gating of hsTRPA1 specifically requires its N-terminal tip region and cholesterol interactions; and target cells with an intact actin cytoskeleton, revealing elements of the sonogenetic mechanism. Next, we use calcium imaging and electrophysiology to show that hsTRPA1 potentiates ultrasound-evoked responses in primary neurons. Furthermore, unilateral expression of hsTRPA1 in mouse layer V motor cortical neurons leads to c-fos expression and contralateral limb responses in response to ultrasound delivered through an intact skull. Collectively, we demonstrate that hsTRPA1-based sonogenetics can effectively manipulate neurons within the intact mammalian brain, a method that could be used across species.

SUMMARY Sense of smell can influence dietary choices in animals. So far, most of the research has focused on how animals respond to distinct odors when they are introduced individually. However, it remains unclear how animals evaluate foods that contain a bouquet of olfactory cues with contrasting effects. Here, we utilize Caenorhabditis elegans as a bacterivore to ask if odors produced by dietary bacteria can regulate worms’ food preferences. We show that the bacterium Pseudomonas aeruginosa produces a relatively small quantity of a new attractant for C. elegans . We identify the odor as a heterocyclic compound called pyrrole. We find that pyrrole contributes to the sensory decision-making of worms in diet preference assays. Using specific neuronal ablation lines and calcium response assays, we show that AWA odor sensory neurons of worms are necessary for sensing pyrrole. In all, we show that specific odors produced by bacteria can influence food choice behavior of animals.

Abstract Zebrafish larvae respond to hypoxia by increasing a number of ventilatory behaviors. During development, these animals switch from skin-resident to gill-resident neuroendocrine cells around 7 days post fertilization (d.p.f.) to detect hypoxia and drive adaptive behaviors. Here, we probe the neural pathways that receive inputs from skin-resident neuroendocrine cells and alter pectoral fin movements. We first show that a 5 d.p.f. larva increases its pectoral fin movements and heart activity upon hypoxia exposure. Next, we map the downstream neural circuitry and show that individual vagal sensory neurons receive inputs from multiple oxygen-sensing neuroendocrine cells. We then use calcium imaging to show that neurons in the second, but not third, vagal sensory ganglia show increases in the magnitude of their hypoxia-evoked responses. Finally, we link purinergic signaling between neuroendocrine cells and second vagal sensory neurons to increases in pectoral fin movements. Collectively, we suggest that vagal sensory neurons transform hypoxic stimuli into respiratory behaviors.

ABSTRACT Transient Potential Receptor (TRP) ion channels are a diverse superfamily of multimodal molecular sensors that respond to a wide variety of stimuli, including mechanical, chemical, and thermal. TRP channels are present in most eukaryotes but best understood in mammalian, worm, and fly genetic models, where they are expressed in diverse cell-types and commonly associated with the nervous system. Here, we characterized TRP superfamily gene and genome evolution to better understand origins and evolution of molecular sensors, brains, and behavior in animals and help advance development of novel genetic technologies, like sonogenetics. We developed a flexible push-button bioinformatic and phylogenomic pipeline, GIGANTIC, that generated genome-based gene and species trees and enabled phylogenetic characterization of challenging remote homologs and distantly-related organisms deep in evolution. We identified complete sets of TRP superfamily ion channels, with over 3000 genes in 22 animal phyla and 70 species having publicly-available sequenced genomes, including 3 unicellular outgroups. We then identified clusters of TRP family members in genomes, evaluated gene models per cluster, and repaired split gene models. We also produced whole-organism PacBio transcriptomes for five species to independently validate our gene model assessment and model repairs. We find that many TRP families exhibited numerous and often extensive expansions in different phyla. Some expansions represent local clusters on respective genomes, a trend that is likely undercounted due to varied quality in genome assemblies and annotations of non-model organisms. Our work expands known TRP diversity across animals, including addition of previously uncharacterized phyla and identification of unrecognized homologs in previously characterized species.

Ultrasound has been used to manipulate cells in both humans and animal models. While intramembrane cavitation and lipid clustering have been suggested as likely mechanisms, they lack experimental evidence. Here we use high-speed digital holographic microscopy (to 100-kHz order) to visualize the cellular membrane dynamics. We show that neuronal and fibroblast membranes deflect about 150 nm upon ultrasound stimulation. Next, we develop a biomechanical model that predicts changes in membrane voltage after ultrasound exposure. Finally, we validate our model predictions using whole-cell patch clamp electrophysiology on primary neurons. Collectively, we show that ultrasound stimulation directly defects the neuronal membrane leading to a change in membrane voltage and subsequent depolarization. Our model is consistent with existing data and provides a mechanism for both ultrasound-evoked neurostimulation and sonogenetic control.

Summary Animals with diverse diets must adapt their food priorities to a wide variety of environmental conditions. This diet optimization problem is especially complex for predators that compete with prey for food. Although predator-prey competition is widespread and ecologically critical, it remains difficult to disentangle predatory and competitive motivations for attacking competing prey. Here, we dissect the foraging decisions of the omnivorous nematode Pristionchus pacificus to reveal that its seemingly failed predatory attempts against Caenorhabditis elegans are actually motivated acts of efficacious territorial aggression. While P. pacificus easily kills and eats larval C. elegans with a single bite, adult C. elegans typically survives and escapes from bites. However, nonfatal biting can provide competitive benefits by reducing access of adult C. elegans and its progeny to bacterial food that P. pacificus also eats. We show that P. pacificus considers costs and benefits of both predatory and territorial outcomes to decide which food goal, prey or bacteria, should guide its motivation for biting. These predatory and territorial motivations impose different sets of rules for adjusting willingness to bite in response to changes in bacterial abundance. In addition to biting, predatory and territorial motivations also influence which search tactic P. pacificus uses to increase encounters with C. elegans . When treated with an octopamine receptor antagonist, P. pacificus switches from territorial to predatory motivation for both biting and search. Overall, we demonstrate that P. pacificus assesses alternate outcomes of attacking C. elegans and flexibly reprograms its foraging strategy to prioritize either prey or bacterial food.

Abstract Age-related decline in intestinal barrier function impacts survival across species, but the underlying cell intrinsic and extrinsic factors remain unclear. Here, we demonstrate a role for neuropeptides in regulating aging-associated increases in intestinal leakiness. Adult-specific knockdown of insulin-like peptides daf-28 or ins-7 in C. elegans neurons or dilp3 in D. melanogaster neurons improves intestinal integrity and lifespan of these animals, respectively. Neuropeptide knockdowns activate intestinal DAF-16/FOXO transcription factor that likely increases expression of epithelial barrier components. Furthermore, age-associated changes in neuronal DAF-28 peptide secretion mirrors C. elegans reproductive span and overexpression of this peptide suppresses the improved intestinal health in long-lived germline-less animals. Collectively, we show that intestinal integrity is subject to neuronal regulation, and this neuropeptidergic axis may be modulated by the animal’s germline.