Abstract The modulation of an animal’s behavior through external sensory stimuli, previous experience and its internal state is crucial to survive in a constantly changing environment. In most insects, octopamine (OA) and its precursor tyramine (TA) modulate a variety of physiological processes and behaviors by shifting the organism from a relaxed or dormant condition to a responsive, excited and alerted state. Even though OA/TA neurons of the central brain are described on single cell level in Drosophila melanogaster, the periphery was largely omitted from anatomical studies. Given that OA/TA is involved in behaviors like feeding, flying and locomotion, which highly depend on a variety of peripheral organs, it is necessary to study the peripheral connections of these neurons to get a complete picture of the OA/TA circuitry. We here describe the anatomy of this aminergic system in relation to peripheral tissues of the entire fly. OA/TA neurons arborize onto skeletal muscles all over the body and innervate reproductive organs, the heart, the corpora allata, and sensory neurons in the antenna, wings and halteres underlining their relevance in modulating complex behaviors.

SUMMARY Presynaptic forms of plasticity occur throughout the nervous system and play an important role in learning and memory but the underlying molecular mechanisms are insufficiently understood. Here we show that the small GTPase Rab3 is a key mediator of cyclic AMP (cAMP)-induced presynaptic plasticity in Drosophila . Pharmacological and optogenetic cAMP production triggered concentration-dependent alterations of synaptic transmission, including potentiation and depression of evoked neurotransmitter release, as well as strongly facilitated spontaneous release. These changes correlated with a nanoscopic rearrangement of the active zone protein Unc13A and required Rab3. To link these results to animal behaviour, we turned to the established role of cAMP signalling in memory formation and demonstrate that Rab3 is necessary for olfactory learning. As Rab3 is dispensable for basal synaptic transmission, these findings highlight a molecular pathway specifically dedicated to tuning neuronal communication and adaptive behaviour.

Abstract Larvae of the fruit fly Drosophila melanogaster are a powerful study case for understanding the neural circuits underlying behavior. Indeed, the numerical simplicity of the larval brain has permitted the reconstruction of its synaptic connectome, and genetic tools for manipulating single, identified neurons allow neural circuit function to be investigated with relative ease and precision. We focus on one of the most complex neurons in the brain of the larva (of either sex), the GABAergic anterior paired lateral neuron (APL). Using behavioral and connectomic analyses, optogenetics, Ca 2+ imaging and pharmacology, we study how APL affects associative olfactory memory. We first provide a detailed account of the structure, regional polarity, connectivity, and metamorphic development of APL, and further confirm that optogenetic activation of APL has an inhibiting effect on its main targets, the mushroom body Kenyon cells. All these findings are consistent with the previously identified function of APL in the sparsening of sensory representations. To our surprise, however, we found that optogenetically activating APL can also have a strong rewarding effect. Specifically, APL activation together with odor presentation establishes an odor-specific, appetitive, associative short-term memory, whereas naïve olfactory behavior remains unaffected. An acute, systemic inhibition of dopamine synthesis as well as an ablation of the dopaminergic pPAM neurons impair reward learning through APL activation. Our findings provide a study case of complex circuit function in a numerically simple brain, and suggest a previously unrecognized capacity of central-brain GABAergic neurons to engage in dopaminergic reinforcement. Significance statement The single, identified giant anterior paired lateral (APL) neuron is one of the most complex neurons in the insect brain. It is GABAergic and contributes to the sparsening of neuronal activity in the mushroom body, the memory center of insects. We provide the most detailed account yet of the structure of APL in larval Drosophila as a neurogenetically accessible study case. We further reveal that, contrary to expectations, the experimental activation of APL can exert a rewarding effect, likely via dopaminergic reward pathways. The present study both provides an example of unexpected circuit complexity in a numerically simple brain, and reports an unexpected effect of activity in central-brain GABAergic circuits.

Honeybees have fascinating navigational skills and learning capabilities in the field. To decipher the mechanisms underlying place learning in honeybees, we need paradigms to study place learning of individual honeybees under controlled laboratory conditions. Here, we present a novel visual place learning arena for honeybees which relies on high temperatures as aversive stimuli. Honeybees learn to locate a safe spot in an unpleasantly warm arena, relying on a visual panorama. Bees can solve this task very well at a temperature of 46 degree Celsius, while at temperatures above 48 degree Celsius bees die quickly. This new paradigm, which is based on a pioneering work in Drosophila, allows us now to investigate thermal-visual place learning of individual honeybees in the laboratory, for example after controlled genetic knockout or pharmacological intervention.

Neuropeptides are processed from larger preproproteins by a dedicated set of enzymes. The molecular and biochemical mechanisms underlying preproprotein processing and the functional importance of processing enzymes are well characterised in mammals, but little studied outside this group. In contrast to mammals, Drosophila lacks a gene for carboxypeptidase E (CPE), a key enzyme for mammalian peptide processing. By combining peptidomics and neurogenetics, we addressed the role of Drosophila carboxypeptidase D (dCPD) in global neuropeptide processing and selected peptide-regulated behaviours. We found that a deficiency in dCPD results in C-terminally extended peptides across the peptidome, suggesting that dCPD took over CPE function in the fruit fly. dCPD is widely expressed throughout the nervous system, including peptidergic neurons in the mushroom body and neuroendocrine cells expressing adipokinetic hormone. Conditional hypomorphic mutation in the dCPD-encoding gene silver in the larva causes lethality, and leads to deficits in adult starvation-induced hyperactivity and appetitive gustatory preference, as well as to reduced survival rate and activity levels. A phylogenomic analysis suggests that loss of CPE is not a common insect feature, but specifically occured in Hymenoptera and Diptera. Our results show that dCPD is a key enzyme for neuropeptide processing in Drosophila, and is required for proper peptide-regulated behaviour. dCPD thus appears as a suitable target to genetically shut down total neuropeptide production in peptidergic neurons. Our results raise the question why Drosophila and other Diptera and Hymenoptera, unlike other insects, obviously have lost the gene for CPE but kept a gene encoding CPD.

Dopaminergic neurons in the brain of the Drosophila larva play a key role in mediating reward information to the mushroom bodies during appetitive olfactory learning and memory. Using optogenetic activation of Kenyon cells we provide evidence that a functional recurrent signaling loop exists between Kenyon cells and dopaminergic neurons of the primary protocerebral anterior (pPAM) cluster. An optogenetic activation of Kenyon cells paired with an odor is sufficient to induce appetitive memory, while a simultaneous impairment of the dopaminergic pPAM neurons abolishes memory expression. Thus, dopaminergic pPAM neurons mediate reward information to the Kenyon cells, but in turn receive feedback from Kenyon cells. We further show that the activation of recurrent signaling routes within mushroom body circuitry increases the persistence of an odor-sugar memory. Our results suggest that sustained activity in a neuronal circuitry is a conserved mechanism in insects and vertebrates to consolidate memories.

ABSTRACT Animals need to be able to sharpen circadian behavioural output in the adaptation to the variable environment. Light is the main entraining signal of the circadian clock, but can also directly increase alertness, locomotor activity, body temperature and heart rate in diurnal animals including humans. Thus, immediate effects of light can enhance or even overwrite circadian output and thereby mask circadian behaviour. In Drosophila melanogaster , immediate light effects are most evident as a lights-on response in two well described behavioural rhythms of the fly – the emergence rhythm of the adult insect from the pupa, called eclosion, and the diurnal rhythm of locomotor activity. Here, we show that the immediate effect of light on rhythmic eclosion depends on the R8 photoreceptor cells of the compound eyes, while the light response of locomotor activity is triggered by different light detecting cells and organs, that seem to compensate for the loss of each other.

Animals need to balance competitive behaviours to maintain internal homeostasis and to reproduce. The underlying mechanisms are complex, but typically involve neuroendocrine signalling. Using Drosophila, we systematically manipulated signalling between energy-mobilising endocrine cells producing adipokinetic hormone (AKH), octopaminergic neurons and the energy-storing fat body to assess whether this neuroendocrine axis involved in starvation-induced hyperactivity also balances activity levels under ad libitum access to food. Our results suggest that AKH signals via two divergent pathways that are mutually competitive in terms of activity and rest. AKH increases activity via the octopaminergic system during the day, while it prevents high activity levels during the night by signalling to the fat body. This regulation involves feedback signalling from octopaminergic neurons to AKH-producing cells. AKH-producing cells are known to integrate a multitude of metabolic and endocrine signals. Our results add a new facet to the versatile regulatory functions of AKH-producing cells by showing that their output contributes to shape the daily activity pattern under ad libitum access to food.

The circadian clock affects a wide range of physiological processes. Of particular interest is the influence of the clock on memory performance, as circadian dysfunction is associated with age- and disease-related decline in memory. In various species it has been shown that memory performance is regulated by the circadian clock. However, the anatomical and functional connection of the circadian clock and memory neurons has not been described in detail so far. This study now identifies that Diuretic hormone 31 (DH31)-positive clock neurons of the DN1p cluster regulate memory performance. DH31, a functional homolog of the mammalian calcitonin gene-related peptide, plays a crucial role in this process as a clock communication signal. DH31 facilitates memory performance during the night via indirect signalling, while DH31 signals directly to the mushroom bodies restricting memory performance specifically in the evening. This pleiotropic action of DH31 suggests that the circadian clock confines memory performance to a physiological dynamic range.