Abstract Fluctuating environmental pressures can challenge organisms by repeatedly shifting the optimum phenotype. Two contrasting evolutionary strategies to cope with these fluctuations are 1) evolution of the mean phenotype to follow the optimum (adaptive tracking) or 2) diversifying phenotypes so that at least some individuals have high fitness in the current fluctuation (bet-hedging). Bet-hedging could underlie stable differences in the behavior of individuals that are present even when genotype and environment are held constant. Instead of being simply ‘noise,’ behavioral variation across individuals may reflect an evolutionary strategy of phenotype diversification. Using geographically diverse wild-derived fly strains and high-throughput assays of individual preference, we tested whether thermal preference variation in Drosophila melanogaster could reflect a bet-hedging strategy. We also looked for evidence that populations from different regions differentially adopt bet-hedging or adaptive-tracking strategies. Computational modeling predicted regional differences in the relative advantage of bet-hedging, and we found patterns consistent with that in regional variation in thermal preference heritability. In addition, we found that temporal patterns in mean preference support bet-hedging predictions and that there is a genetic basis for thermal preference variability. Our empirical results point to bet-hedging in thermal preference as a potentially important evolutionary strategy in wild populations.

Body temperature homeostasis is an essential function that relies upon the integration of the outputs from multiple classes of cooling- and warming-responsive cells. The computations that integrate these diverse outputs to control body temperature are not understood. Here we discover a new set of Warming Cells (WCs), and show that the outputs of these WCs and previously described Cooling Cells (CCs 1 ) are combined in a cross-inhibition computation to drive thermal homeostasis in larval Drosophila . We find that WCs and CCs are opponent sensors that operate in synchrony above, below, and near the homeostatic set-point, with WCs consistently activated by warming and inhibited by cooling, and CCs the converse. Molecularly, these opponent sensors rely on overlapping combinations of Ionotropic Receptors to detect temperature changes: Ir68a, Ir93a, and Ir25a for WCs; Ir21a, Ir93a, and Ir25a for CCs. Using a combination of optogenetics, sensory receptor mutants, and quantitative behavioral analysis, we find that the larva uses flexible cross-inhibition of WC and CC outputs to locate and stay near the homeostatic set-point. Balanced cross-inhibition near the set-point suppresses any directed movement along temperature gradients. Above the set-point, WCs mediate avoidance to warming while cross-inhibiting avoidance to cooling. Below the set-point, CCs mediate avoidance to cooling while cross-inhibiting avoidance to warming. Our results demonstrate how flexible cross-inhibition between warming and cooling pathways can orchestrate homeostatic thermoregulation.

Abstract How animals respond to repeatedly applied stimuli, and how animals respond to mechanical stimuli in particular, are important questions in behavioral neuroscience. We study adaptation to repeated mechanical agitation using the Drosophila larva. Vertical vibration stimuli elicit a discrete set of responses in crawling larvae: continuation, pause, turn, and reversal. Through high-throughput larva tracking, we characterize how the likelihood of each response depends on vibration intensity and on the timing of repeated vibration pulses. By examining transitions between behavioral states at the population and individual levels, we investigate how the animals habituate to the stimulus patterns. We identify time constants associated with desensitization to prolonged vibration, with re-sensitization during removal of a stimulus, and additional layers of habituation that operate in the overall response. Known memory-deficient mutants exhibit distinct behavior profiles and habituation time constants. An analogous simple electrical circuit suggests possible neural and molecular processes behind adaptive behavior.

Detailed descriptions of behavior provide critical insight into the structure and function of nervous systems. In Drosophila larvae and many other systems, short behavioral experiments have been successful in characterizing rapid responses to a range of stimuli at the population level. However, the lack of long-term continuous observation makes it difficult to dissect comprehensive behavioral dynamics of individual animals and how behavior (and therefore the nervous system) develops over time. To allow for long-term continuous observations in individual fly larvae, we have engineered a robotic instrument that automatically tracks and transports larvae throughout an arena. The flexibility and reliability of its design enables controlled stimulus delivery and continuous measurement over developmental time scales, yielding an unprecedented level of detailed locomotion data. We utilize the new system’s capabilities to perform continuous observation of exploratory behavior over a duration of six hours with and without a thermal gradient present, and in a single larva for over 30 hours. Long-term free-roaming behavior and analogous short-term experiments show similar dynamics that take place at the beginning of each experiment. Finally, characterization of larval thermotaxis in individuals reveals a bimodal distribution in navigation efficiency, identifying distinct phenotypes that are obfuscated when only analyzing population averages.

Abstract Organisms have evolved the ability to detect, process, and respond to many different surrounding stimuli in order to successfully navigate their environments. Sensory experiences can also be stored and referenced in the form of memory. The Drosophila larva is a simple model organism that can store associative memories during classical conditioning, and is well-suited for studying learning and memory at a fundamental level. Much progress has been made in understanding larval learning behavior and the associated neural circuitry for olfactory conditioning, but other sensory systems are relatively unexplored. Here, we investigate memory formation in larvae treated with a temperature-based associative conditioning protocol, pairing normally neutral temperatures with appetitive (fructose, FRU) or aversive (salt, NaCl) stimuli. Associative memory is tested using thermal gradient geometries, and we quantify navigation strength towards or away from conditioned temperatures. We find that larvae demonstrate short-term associative learning. They navigate towards warmer or colder temperatures paired with FRU, and away from warmer temperatures paired with NaCl. These results, especially when combined with future investigations of thermal memory circuitry in larvae, should provide broader insight into how sensory stimuli are encoded and retrieved in insects and more complex systems.

Organisms use various strategies to cope with fluctuating environmental conditions. In diversified bet-hedging, a single genotype exhibits phenotypic heterogeneity with the expectation that some individuals will survive transient selective pressures. To date, empirical evidence for bet-hedging is scarce. Here, we observe that individual Drosophila melanogaster flies exhibit striking variation in light- and temperature-preference behaviors. With a modeling approach that combines real world weather and climate data to simulate temperature preference-dependent survival and reproduction, we find that a bet-hedging strategy may underlie the observed inter-individual behavioral diversity. Specifically, bet-hedging outcompetes strategies in which individual thermal preferences are heritable. Animals employing bet-hedging refrain from adapting to the coolness of spring with increased warm-seeking that inevitably becomes counterproductive in the hot summer. This strategy is particularly valuable when mean seasonal temperatures are typical, or when there is considerable fluctuation in temperature within the season. The model predicts, and we experimentally verify, that the behaviors of individual flies are not heritable. Finally, we model the effects of historical weather data, climate change, and geographic seasonal variation on the optimal strategies underlying behavioral variation between individuals, characterizing the regimes in which bet-hedging is advantageous.

Neural circuits for behavior transform sensory inputs into motor outputs in patterns with strategic value. Determining how neurons along a sensorimotor circuit contribute to this transformation is central to understanding behavior. To do this, a quantitative framework to describe behavioral dynamics is needed. Here, we built a high-throughput optogenetic system for Drosophila larva to quantify the sensorimotor transformations underlying navigational behavior. We express CsChrimson, a red-shifted variant of Channelrhodopsin, in specific chemosensory neurons, and expose large numbers of freely moving animals to random optogenetic activation patterns. We quantify their behavioral responses and use reverse correlation analysis to uncover the linear and static nonlinear components of navigation dynamics as functions of optogenetic activation patterns of specific sensory neurons. We find that linear-nonlinear (LN) models accurately predict navigational decision-making for different optogenetic activation waveforms. We use our method to establish the valence and dynamics of navigation driven by optogenetic activation of different combinations of bitter sensing gustatory neurons. Our method captures the dynamics of optogenetically-induced behavior in compact, quantitative transformations that can be used to characterize circuits for sensorimotor processing and their contribution to navigational decision-making.

Animals rely on highly sensitive thermoreceptors to seek out optimal temperatures, but the molecular mechanisms of thermosensing are not well understood. The Dorsal Organ Cool Cells (DOCCs) of the Drosophila larva are a set of exceptionally thermosensitive neurons critical for larval cool avoidance. Here we show that DOCC cool-sensing is mediated by Ionotropic Receptors (IRs), a family of sensory receptors widely studied in invertebrate chemical sensing. We find that two IRs, IR21a and IR25a, are required to mediate DOCC responses to cooling and are required for cool avoidance behavior. Furthermore, we find that ectopic expression of IR21a can confer cool-responsiveness in an Ir25a-dependent manner, suggesting an instructive role for IR21a in thermosensing. Together, these data show that IR family receptors can function together to mediate thermosensation of exquisite sensitivity.

Ionotropic Receptors (IRs) are a large subfamily of variant ionotropic glutamate receptors present across Protostomia. While these receptors are most extensively studied for their roles in chemosensory detection in insects, recent work has implicated two family members, IR21a and IR25a, in thermosensation in Drosophila. Here we characterize one of the most deeply conserved receptors, IR93a, and show that it is co-expressed and functions with IR21a and IR25a to mediate physiological and behavioral responses to cool temperatures. IR93a is also co-expressed with IR25a and a distinct receptor, IR40a, in a discrete population of sensory neurons in the sacculus, a multi-chambered pocket within the antenna. We demonstrate that this combination of receptors is important for neuronal responses to dry air and behavioral discrimination of humidity differences. Our results identify IR93a as a common component of molecularly and cellularly distinct IR pathways underlying thermosensation and hygrosensation in insects.