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

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.

Command-like descending neurons can induce many behaviors, such as backward locomotion, escape, feeding, courtship, egg-laying, or grooming. In most animals it remains unknown how neural circuits switch between these antagonistic behaviors: via top-down activation/inhibition of antagonistic circuits or via reciprocal inhibition between antagonistic circuits. Here we use genetic screens, intersectional genetics, circuit reconstruction by electron microscopy, and functional optogenetics to identify a bilateral pair of larval “mooncrawler descending neurons” (MDNs) with command-like ability to coordinately induce backward locomotion and block forward locomotion; the former by activating a backward-specific premotor neuron, and the latter by disynaptic inhibition of a forward-specific premotor neuron. In contrast, direct reciprocal inhibition between forward and backward circuits was not observed. Thus, MDNs coordinate a transition between antagonistic larval locomotor behaviors. Interestingly, larval MDNs persist into adulthood, where they can trigger backward walking. Thus, MDNs induce backward locomotion in both limbless and limbed animals.