Summary Neural circuits must both execute the behavioral repertoire of individuals and account for behavioral variation across species. Understanding how this variation emerges over evolutionary time requires large-scale phylogenetic comparisons of behavioral repertoires. Here, we describe the evolution of walking in fruit flies by capturing high-resolution, unconstrained movement from 13 species and 15 strains of drosophilids. We find that walking can be captured in a universal behavior space, the structure of which is evolutionarily conserved. However, the occurrence of, and transitions between, specific movements have evolved rapidly, resulting in repeated convergent evolution in the temporal structure of locomotion. Moreover, a meta-analysis demonstrates that many behaviors evolve more rapidly than other traits. Thus, the architecture and physiology of locomotor circuits can both execute precise individual movements in one species and simultaneously support rapid evolutionary changes in the temporal ordering of these modular elements across clades.

Summary Neural activity sculpts circuit wiring in many animals. In vertebrates, patterned spontaneous network activity (PaSNA) generates sensory maps and establishes local circuits 1–3 . However, it remains unclear how PaSNA might shape neuronal circuits and behavior in invertebrates. Previous work in the developing Drosophila embryo discovered spontaneous muscle activity that did not require synaptic transmission, and hence was myogenic, preceding PaSNA 4–6 . These studies, however, monitored muscle movement, not neural activity, and were therefore unable to observe how myogenic activity might relate to subsequent neural network engagement. Here we use calcium imaging to directly record neural activity and characterize the emergence of PaSNA. We demonstrate that the spatiotemporal properties of PaSNA are highly stereotyped across embryos, arguing for genetic programming. Consistent with previous observations, we observe neural activity well before it becomes patterned, initially emerging during the myogenic stage. Remarkably, inhibition of mechanosensory input as well as inhibition of muscle contractions results in premature and excessive PaSNA, demonstrating that muscle movement serves as a brake on this process. Finally, using an optogenetic strategy to selectively disrupt mechanosensory inputs during PaSNA, followed by quantitative modeling of larval behavior, we demonstrate that mechanosensory modulation during development is required for proper larval foraging. This work thus provides a foundation for using the Drosophila embryo to study the role of PaSNA in circuit formation, provides mechanistic insight into how PaSNA is entrained by motor activity, and demonstrates that spontaneous network activity is essential for locomotor behavior. These studies argue that sensory feedback during the earliest stages of circuit formation can sculpt locomotor behaviors through innate motor learning. Highlights PaSNA in the Drosophila embryonic CNS is spatiotemporally stereotyped Mechanosensory neurons negatively modulate PaSNA Embryonic PaSNA is required for larval locomotor behavior

For many species, social rank determines which individuals perform certain social behaviors and when. Higher ranking or dominant (DOM) individuals maintain status through aggressive interactions and perform courtship behaviors while non-dominant (ND) individuals do not. In some species ND individuals ascend (ASC) in social rank when the opportunity arises. Many important questions related to the mechanistic basis of social ascent remain to be answered. We probed whether androgen signaling regulates social ascent in male Astatotilapia burtoni, an African cichlid whose social hierarchy can be readily controlled in the laboratory. As expected, androgen receptor (AR) antagonism abolished reproductive behavior during social ascent. However, we discovered multiple AR-dependent--and AR-independent--temporal behavioral patterns that typify social ascent and dominance. AR antagonism in ASC males reduced the speed of behavioral performance compared to DOM males. Socially ascending males, independent of AR activation, were more likely than DOM males to follow aggressive displays with another aggressive display. Further analyses revealed differences in the sequencing of aggressive and courtship behaviors, wherein DOM males were more likely than ASC males to follow male-directed aggression with courtship displays. Strikingly, this difference was driven mostly by ASC males taking longer to transition from aggression to courtship, suggesting ASC males can perform certain DOM-typical temporal behavioral patterns. Our results indicate androgen signaling drives social ascent, but hormonal signaling and social experience shape the full suite of DOM-typical behavioral patterns.

Abstract Uncovering relationships between neural activity and behavior represents a critical challenge, one that would benefit from facile tools that can capture complex structures within large datasets. Here we demonstrate a generalizable strategy for capturing such structures across diverse behaviors: Time-REsolved BehavioraL Embedding (TREBLE). Using data from synthetic trajectories, adult and larval Drosophila , and mice we show how TREBLE captures both continuous and discrete behavioral dynamics, can uncover variation across individuals, detect the effects of optogenetic perturbation in unbiased fashion, and reveal structure in pose estimation data. By applying TREBLE to moving mice, and medial entorhinal cortex (MEC) recordings, we show that nearly all MEC neurons encode information relevant to specific movement patterns, expanding our understanding of how navigation is related to the execution of locomotion. Thus, TREBLE provides a flexible framework for describing the structure of complex behaviors and their relationships to neural activity.

Social hierarchies are ubiquitous in social species, yet the mechanisms underlying social status are unclear. In the African cichlid fish Astatotilapia burtoni , males stratify along a dominance hierarchy that varies based on testes mass, coloration, and behavior. Using androgen receptor (AR) mutant A. burtoni generated using CRISPR/Cas9, we find that two AR genes control social dominance. ARβ, but not ARα, is required for testes growth and bright coloration, while ARα, but not ARβ, is required for the performance of reproductive behavior and aggressive displays. Neither receptor is required for attacking males. Analysis of AR double mutants revealed that either AR is sufficient for attacking males. Social status in A. burtoni males is modularly controlled by ARα and ARβ, indicating that these genes have undergone subfunctionalization.

Although most animal behaviors are associated with some form of heritable genetic variation we do not yet understand how genes sculpt behavior across evolution, either directly or indirectly. To address this, I here compile a dataset comprised of over 1,000 genomic loci representing a spectrum of behavioral variation across animal taxa. Comparative analyses reveal that courtship and feeding behaviors are associated with genomic regions of significantly greater effect than other traits, on average three fold greater than other behaviors. Investigations of whole-genome sequencing and phenotypic data for 87 behavioral traits from the Drosophila Genetics Reference Panel indicate that courtship and feeding behaviors have significantly greater genetic contributions and that, in general, behavioral traits overlap little in individual base pairs but increasingly interact at the levels of genes and traits. These results provide evidence that different types of behavior are associated with variable genetic bases and suggest that, across animal evolution, the genetic landscape of behavior is more rugged, yet predictable, than previously thought.

The evolutionary diversification of animal behavior is often associated with changes in the structure and function of nervous systems. Such evolutionary changes arise either through alterations of individual neural components (mosaically) or through scaling of the whole brain (concertedly). Here we show that the evolution of a specific courtship behavior in Malawi cichlid fish, the construction of mating nests known as bowers, is associated with rapid, extensive, and specific diversification of orosensory, gustatory centers in the hindbrain. We find that hindbrain volume varies significantly between species that build pit (depression) compared to castle (mound) type bowers and that hindbrain features evolve rapidly and independently of phylogeny among castle-building species. Using immediate early gene expression, we confirmed a functional role for hindbrain structures during bower building. Comparisons of bower building species in neighboring Lake Tanganyika show patterns of neural diversification parallel to those in Lake Malawi. Our results suggest that mosaic brain evolution via alterations to individual brain structures is more extensive and predictable than previously appreciated.

Summary How evolution modifies complex, innate behaviors is largely unknown. Divergence in many morphological traits has been linked, at least in part, to cis -regulatory changes in gene expression, a pattern also observed in some behaviors of recently diverged populations. Given this, we compared the gene expression in the brains of two interfertile sister species of Peromyscus mice, including allele-specific expression (ASE) of their F 1 hybrids, that show large and heritable differences in burrowing behavior. Because cis -regulation may contribute to constitutive as well as activity-dependent gene expression, we also captured a molecular signature of burrowing circuit divergence by quantifying gene expression in mice shortly after burrowing. We found that several thousand genes were differentially expressed between the two sister species regardless of behavioral context, with several thousand more showing behavior-dependent differences. Allele-specific expression in F 1 hybrids showed a similar pattern, suggesting that much of the differential expression is driven by cis -regulatory divergence. Genes related to locomotor coordination showed the strongest signals of lineage-specific selection on burrowing-induced cis -regulatory changes. By comparing these candidate genes to independent quantitative trait locus (QTL) mapping data, we found that the closest QTL markers to these candidate genes are associated with variation in burrow shape, demonstrating an enrichment for candidate locomotor genes near segregating causal loci. Together, our results provide insight into how cis -regulated gene expression can depend on behavioral context as well as how this dynamic regulatory divergence between species can be integrated with forward genetics to enrich our understanding of the genetic basis of behavioral evolution.

The study of allele-specific expression (ASE) in interspecific hybrids has played a central role in our understanding of a wide range of phenomena, including genomic imprinting, X-chromosome inactivation, and cis-regulatory evolution. However across the hundreds of studies of hybrid ASE, all have been restricted to sexually reproducing eukaryotes, leaving a major gap in our understanding of the genomic patterns of cis-regulatory evolution in prokaryotes. Here we introduce a method to generate stable hybrids between two species of halophilic archaea, and measure genome-wide ASE in these hybrids with RNA-seq. We found that over half of all genes have significant ASE, and that genes encoding kinases show evidence of lineage-specific selection on their cis-regulation. This pattern of polygenic selection suggested species-specific adaptation to low phosphate conditions, which we confirmed with growth experiments. Altogether, our work extends the study of ASE to archaea, and suggests that cis-regulation can evolve under polygenic lineage-specific selection in prokaryotes.