Abstract Animals integrate sensory stimuli presented at the past and present, assess the changes in their surroundings and navigate themselves toward preferred environment. Identifying the molecular and circuit mechanisms of such sensory integration is pivotal to understand how the nervous system generates perception and behavior. Previous studies on thermotaxis behavior of Caenorhabditis elegans suggested that a single thermosensory neuron AFD plays an essential role in integrating the past and present temperature information and is essential for the neural computation that drives the animal toward the preferred temperature region. However, the molecular mechanisms by which AFD executes this neural function remained elusive. Here we report multiple forward genetic screens to identify genes required for thermotaxis. We reveal that kin-4 , which encodes the C. elegans homolog of MAST kinase, plays dual roles in thermotaxis and can promote both cryophilic and thermophilic drives. We also uncover that a thermophilic defect of mutants for mec-2 , which encodes a C. elegans homolog of stomatin, can be suppressed by a loss-of-function mutation in the gene crh-1 , encoding a C. elegans homolog CREB transcription factor. Calcium imaging analysis from freely-moving animals suggest that mec-2 and crh-1 function in AFD and regulate the neuronal activity of its post-synaptic interneuron AIY. Our results suggest that a stomatin family protein can control the dynamics of neural circuitry through the transcriptional regulation within a sensory neuron.

Abstract The impairment of memory, cognition, and behavior during aging is generally thought to arise from diminished neuronal activities. The nematode Caenorhabditis elegans exhibits age-dependent declines in an associative learning behavior called thermotaxis. Genetic ablation of individual neurons revealed that an absence of either AWC sensory or AIA inter-neurons preserved the thermotaxis ability of aged animals. Calcium imaging showed age-dependent spontaneous hyperactivities in both neurons. The age-dependent neuronal hyperactivity and behavioral decline were ameliorated by changing diets. We further demonstrate that the enhanced activities of AWC and AIA were differentially dependent on the forms of neurotransmission mediated by neurotransmitters and neuropeptides. Together, our data provides evidence that aberrantly enhanced, not diminished, neuronal responses can impair behavior during aging. One-Sentence Summary Enhanced neuronal activity during aging impairs C. elegans learning behavior.

Abstract In animals, somatic cells are usually diploid and are unstable when haploid for unknown reasons. In this study, by comparing isogenic human cell lines with different ploidies, we found frequent centrosome loss specifically in the haploid state, which profoundly contributed to haploid instability through monopolar spindle formation and subsequent mitotic defects. We also found that efficiency of centriole licensing and duplication, but not that of DNA replication, changes proportionally to ploidy level, causing gradual loss or frequent overduplication of centrioles in haploid and tetraploid cells, respectively. Centriole licensing efficiency seemed to be modulated by astral microtubules, whose development scaled with ploidy level, and artificial enhancement of aster formation in haploid cells restored centriole licensing efficiency to diploid levels. Haploid-specific centrosome loss was also observed in parthenogenetic mouse embryos. We propose that incompatibility between the centrosome duplication and DNA replication cycles arising from different scaling properties of these bioprocesses upon ploidy changes, underlies the instability of non-diploid somatic cells in mammals. Summary Yaguchi et al. show that a delay or acceleration of centriole licensing compromises the control of centrosome number in haploid or tetraploid human cells, respectively, suggesting a cellular basis of the instability of non-diploid somatic cells in mammals.

Presynaptic plasticity is known to modulate the strength of synaptic transmission. However, it remains unknown whether regulation in presynaptic neurons alters the directionality −positive or negative− of postsynaptic responses. We report here that the C. elegans homologs of MAST kinase, Stomatin and Diacylglycerol kinase act in a thermosensory neuron to elicit in its postsynaptic neuron an excitatory or inhibitory response that correlates with the valence of thermal stimuli. By monitoring neural activity of the valence-coding interneuron in freely behaving animals, we show that the alteration between excitatory and inhibitory responses of the interneuron is mediated by controlling the balance of two opposing signals released from the presynaptic neuron. These alternative transmissions further generate opposing behavioral outputs necessary for the navigation on thermal gradients. Our findings reveal the previously unrecognized capability of presynaptic regulation to evoke bidirectional postsynaptic responses and suggest a molecular mechanism of determining stimulus valence.

Animals are able to reach a desired state in an environment by controlling various behavioral patterns. Identification of the behavioral strategy used for this control is important for understanding animals' decision-making and is fundamental to dissect information processing done by the nervous system. However, methods for quantifying such behavioral strategies have not been fully established. In this study, we developed an inverse reinforcement-learning (IRL) framework to identify an animal's behavioral strategy from behavioral time-series data. As a particular target, we applied this framework to C. elegans thermotactic behavior; after cultivation at a constant temperature with or without food, the fed and starved worms prefer and avoid from the cultivation temperature on a thermal gradient, respectively. Our IRL approach revealed that the fed worms used both absolute and temporal derivative of temperature and that their strategy comprised mixture of two strategies: directed migration (DM) and isothermal migration (IM). The DM is a strategy that the worms efficiently reach to specific temperature, which explained thermotactic behaviors of the fed worms. The IM is a strategy that the worms track along a constant temperature, which reflects isothermal tracking well observed in previous studies. We also showed the neural basis underlying the strategies, by applying our method to thermosensory neuron-deficient worms. In contrast to fed animals, the strategy of starved animals indicated that they escaped the cultivation temperature using only absolute, but not temporal derivative of temperature. Thus, our IRL-based approach is capable of identifying animal strategies from behavioral time-series data and will be applicable to wide range of behavioral studies, including decision-making of other organisms.