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 A large body of work suggests that biomolecular condensates ensuing from liquid-liquid phase separation mature into various material states. How this aging process is controlled and if the naive and mature phases can have differential functions is currently unknown. Using Caenorhabditis elegans as a model, we show that MEC-2 Stomatin undergoes a rigidity phase transition during maturation from fluid to viscoelastic, glass-like condensates that facilitate either transport or mechanotransduction. This switch is promoted by the SH3 domain of UNC-89/Titin/Obscurin through a direct interaction with MEC-2 and suggests a physiological role for a percolation transition in force transmission during body wall touch. Together, our data demonstrate a novel function for rigidity maturation during mechanotransduction and a previously unidentified role for Titin homologs in neurons.

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.

Summary Mechanical force is crucial in guiding axon outgrowth, before and after synapse formation. This process is referred to as “stretch-growth”. However, how neurons transduce mechanical inputs into signaling pathways remains poorly understood. Another open question is how stretch-growth is coupled in time with the intercalated addition of new mass along the entire axon. Here, we demonstrate that active mechanical force generated by magnetic nano-pulling induces a remodeling of the axonal cytoskeleton. Specifically, the increase in the axonal density of microtubules leads to an accumulation of organelles and signaling vesicles which, in turn, promotes local translation by increasing the probability of assembly of the “translation factories”. The modulation of axonal transport and local translation sustains enhanced axon outgrowth and synapse maturation.

The application of genetically encoded fluorophores for microscopy has afforded one of the biggest revolutions in the biosciences. Bioluminescence microscopy is an appealing alternative to fluorescence microscopy, because it does not depend on external illumination, and consequently does neither produce spurious background autofluorescence, nor perturb intrinsically photosensitive processes in living cells and animals. The low quantum yield of known luciferases, however, limit the acquisition of high signal-noise images of fast biological dynamics. To increase the versatility of bioluminescence microscopy, we present an improved low-light microscope in combination with deep learning methods to increase the signal to noise ratio in extremely photon-starved samples at millisecond exposures for timelapse and volumetric imaging. We apply our method to image subcellular dynamics in mouse embryonic stem cells, the epithelial morphology during zebrafish development, and DAF-16 FoxO transcription factor shuttling from the cytoplasm to the nucleus under external stress. Finally, we concatenate neural networks for denoising and light-field deconvolution to resolve intracellular calcium dynamics in three dimensions of freely moving Caenorhabditis elegans with millisecond exposure times. This technology is cost-effective and has the potential to replace standard optical microscopy where external illumination is prohibitive.

Drosophila Transmembrane channel-like (Tmc) is a protein that functions in larval proprioception. The closely related TMC1 protein is required for mammalian hearing, and is a pore forming subunit of the hair cell mechanotransduction channel. In hair cells, TMC1 is gated by small deflections of microvilli that produce tension on extracellular tip-links that connect adjacent villi. How Tmc might be gated in larval proprioceptors, which are neurons having a morphology that is completely distinct from hair cells, is unknown. Here, we have used high-speed confocal microscopy to both measure displacements of proprioceptive sensory dendrites during larval movement, and to optically measure neural activity of the moving proprioceptors. Unexpectedly, the pattern of dendrite deformation for distinct neurons was unique and differed depending on the direction of locomotion: ddaE neuron dendrites were strongly curved by forward locomotion while the dendrites of ddaD were more strongly deformed by backward locomotion. Furthermore, GCaMP6f calcium signals recorded in the proprioceptive neurons during locomotion indicated tuning to the direction of movement. ddaE showed strong activation during forward locomotion while ddaD showed responses that were strongest during backwards locomotion. Peripheral proprioceptive neurons in animals mutant for Tmc showed a near complete loss of movement related calcium signals. As the strength of the responses of wild type animals was correlated with dendrite curvature, we propose that Tmc channels may be activated by membrane curvature in dendrites that are exposed to strain. Our findings begin to explain how distinct cellular systems rely on a common molecular pathway for mechanosensory responses.

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 .

Microtubules contribute to many cellular processes, including transport, signaling, and chromosome separation during cell division (Kapitein and Hoogenraad, 2015). They are comprised of α-β tubulin heterodimers arranged into linear protofilaments and assembled into tubes. Eukaryotes express multiple tubulin isoforms (Gogonea et al., 1999), and there has been a longstanding debate as to whether the isoforms are redundant or perform specialized roles as part of a tubulin code (Fulton and Simpson, 1976). Here, we use the well characterized touch receptor neurons (TRNs) of Caenorhabditis elegans to investigate this question, through genetic dissection of process outgrowth both in vivo and in vitro. With single cell RNA-seq, we compare transcription profiles for TRNs with those of two other sensory neurons, and present evidence that each sensory neuron expresses a distinct palette of tubulin genes. In the TRNs, we analyze process outgrowth and show that four tubulins (tba-1, tba-2, tbb-1, and tbb-2) function partially or fully redundantly, while two others (mec-7 and mec-12) perform specialized, context dependent roles. Our findings support a model in which sensory neurons express overlapping subsets of tubulin genes whose functional redundancy varies between cell types and in vivo and in vitro contexts.

Neurons are among the most highly polarized cell types. They possess structurally and functionally different processes, axon and dendrites, to mediate information flow through the nervous system. Although it is well known that the microtubule cytoskeleton has a central role in establishing neuronal polarity, how its specific organization is established and maintained is little understood. Using the in vivo model system Caenorhabditis elegans, we found that the highly conserved UNC-119 protein provides a link between the membrane-associated Ankyrin (UNC-44) and the microtubule-associated CRMP (UNC-33). Together they form a periodic membrane-associated complex that anchors axonal and dendritic microtubule bundles to the cell cortex. This anchoring is critical to maintain microtubule organization by opposing kinesin-1 powered microtubule sliding. Disturbing this molecular complex alters neuronal polarity and causes strong developmental defects of the nervous system leading to severely paralyzed animals.