Abstract Behavior varies even among genetically identical animals raised in the same environment. However, little is known about the circuit or anatomical origins of this individuality. We show individual Drosophila odor preferences (odor-vs-air and odor-vs-odor) are predicted by idiosyncratic calcium dynamics in olfactory receptor neurons (ORNs) and projection neurons (PNs), respectively. Variation in ORN presynaptic density also predicts odor-vs-odor preference. The ORN-PN synapse appears to be a locus of individuality where microscale variation gives rise to idiosyncratic behavior. Finally, simulating microscale stochasticity in ORN-PN synapses of a 3,062 neuron model of the antennal lobe recapitulates patterns of variation in PN calcium responses matching experiments. Our results demonstrate how physiological and microscale structural circuit variations can give rise to individual behavior, even when genetics and environment are held constant.

ABSTRACT The genetic manipulability and short lifespan of C. elegans make it an important model for aging research. Widely applied methods for measurements of worm aging based on manual observation are labor intensive and low-throughput. Here, we describe the Worm Collective Activity Monitoring Platform (WormCamp), a system for assaying aging in C. elegans by monitoring activity of populations of worms in standard 24-well plates. We show that metrics based on the rate of decline in collective activity can be used to estimate the average lifespan and locomotor healthspan in the population. Using the WormCamp, we assay a panel of highly divergent natural isolates of C. elegans and show that both lifespan and locomotor healthspan display substantial heritability. To facilitate analysis of large numbers of worms, we developed a robotic imaging system capable of simultaneous automated monitoring of activity, lifespan, and locomotor healthspan in up to 2,304 populations containing a total of ~90,000 animals. We applied the automated system to conduct a large-scale RNA interference screen for genes that affect lifespan and locomotor healthspan. The WormCamp system is complementary to other current automated methods for assessing C. elegans aging and is well suited for efficiently screening large numbers of conditions.

ABSTRACT Many cell types display the remarkable ability to alter their cellular phenotype in response to specific external or internal signals. Such phenotypic plasticity is apparent in the nematode C. elegans when adverse environmental conditions trigger entry into the dauer diapause stage. This entry is accompanied by structural, molecular and functional remodeling of a number of distinct tissue types of the animal, including its nervous system. The transcription factor effectors of three different hormonal signaling systems, the insulin-responsive DAF-16/FoxO transcription factor, the TGFβ-responsive DAF-3/SMAD transcription factor and the steroid nuclear hormone receptor, DAF-12/VDR, a homolog of the vitamin D receptor, were previously shown to be required for entering the dauer arrest stage, but their cellular and temporal focus of action for the underlying cellular remodeling processes remained incompletely understood. Through the generation of conditional alleles that allowed us to spatially and temporally control gene activity, we show here that all three transcription factors are not only required to initiate tissue remodeling upon entry into the dauer stage, as shown before, but are also continuously required to maintain the remodeled state. We show that DAF-3/SMAD is required in sensory neurons to promote and then maintain animal-wide tissue remodeling events. In contrast, DAF-16/FoxO or DAF-12/VDR act cell autonomously to control anatomical, molecular and behavioral remodeling events in specific cell types. Intriguingly, we also uncover non-cell autonomous function of DAF-16/FoxO and DAF-12/VDR in nervous system remodeling, indicating the presence of several insulin-dependent inter-organ signaling axes. Our findings provide novel perspectives on how hormonal systems control tissue remodeling.

SUMMARY Animals with complex nervous systems demand sleep for memory consolidation and synaptic remodeling. Here we show that though the Caenorhabditis elegans nervous system has a limited number of neurons, sleep is necessary for both processes. In addition, it is unclear in any system if sleep collaborates with experience to alter synapses between specific neurons and whether this ultimately affects behavior. C. elegans neurons have defined connections and well-described contributions to behavior. We show that spaced odor-training and post-training sleep induce long-term memory. Memory consolidation, but not acquisition, requires a pair of interneurons, the AIYs, which play a role in odor-seeking behavior. In worms that consolidate memory, both sleep and odor conditioning are required to diminish inhibitory synaptic connections between the AWC chemosensory neurons and the AIYs. Thus, we demonstrate in a living organism that sleep is required for events immediately after training that drive memory consolidation and alter synaptic structures.