Deficiencies in neurotransmission lead to neurological disorders or misinterpretation of perceived threats. To restore defects in cellular communication, we developed a synthetic, photon-assisted synaptic transmission (PhAST) system. PhAST is based on luciferases and channelrhodopsins that enable the transmission of a neuronal state across space, using photons as neurotransmitters. We demonstrate the ability to overcome synaptic barriers and rescue the behavioral deficit of a genetically engineered glutamate mutant with conditional, Ca 2+ -triggered photon emission between two cognate neurons of the Caenorhabditis elegans nociceptive avoidance circuit. We also deploy these ingredients for asynaptic transmission between two unrelated cells in a sexually dimorphic neuronal network. Functional PhAST could sensitize otherwise poorly responsive males to touch and hence expand the behavioral repertoire. Our study, thus, establishes a powerful framework for complex photon-based communication between neurons in a living animal, that can readily be expanded to synthetic neuronal networks, organoids or non-invasive brain-machine interfaces.

ABSTRACT How sensory perception is processed by the two sexes of an organism is still only partially understood. Despite some evidence for sexual dimorphism in auditory and olfactory perception, whether touch is sensed in a dimorphic manner has not been addressed. Here we find that the neuronal circuit for tail mechanosensation in C. elegans is wired differently in the two sexes and employs a different combination of sex-shared sensory neurons and interneurons in each sex. Reverse genetic screens uncovered cell- and sex-specific functions of the alpha-tubulin mec-12 and the sodium channel tmc-1 in sensory neurons, and of the glutamate receptors nmr-1 and glr-1 in interneurons, revealing the underlying molecular mechanisms that mediate tail mechanosensation. Moreover, we show that only in males, the sex-shared interneuron AVG is strongly activated by tail mechanical stimulation, and accordingly is crucial for their behavioral response. Importantly, sex reversal experiments demonstrate that the sexual identity of AVG determines both the behavioral output of the mechanosensory response and the molecular pathways controlling it. Our results present for the first time extensive sexual dimorphism in a mechanosensory circuit at both the cellular and molecular levels.

ABSTRACT The capacity of animals to integrate and respond to multiple hazardous stimuli in the surroundings is crucial for their survival. In mammals, complex evaluations of the environment require large numbers and different subtypes of neurons. The nematode C. elegans avoid hazardous chemicals they encounter by reversing their direction of movement. How does the worms’ compact nervous system processes the spatial information and directs the change of motion? We show here that a single interneuron, AVA, receives glutamatergic excitatory signals from head sensory neurons and glutamatergic inhibitory signals from the tail sensory neurons. AVA integrates the spatially distinct and opposing cues, whose output instructs the animal’s behavioral decision. We further find that the differential activation of AVA from the head and tail stems from distinct anatomical localization of inhibitory and excitatory glutamate-gated receptors along the AVA process, and from different threshold sensitivities of the sensory neurons to aversive stimuli. Our results thus uncover a cellular mechanism that mediates spatial computation of nociceptive cues for efficient decision-making in C. elegans .