In pursuit of palatable food, hungry animals mobilize significant energy resources and overcome obstacles, exhaustion and fear. Their perseverance depends on metabolic state, internal motivation and the expected benefit. Sustained commitment to a trying task is crucial, however, disengagement from one behavior to engage into another can be essential for optimal adaptation and survival. How neural circuits allow prioritizing perseverance over withdrawal based on the animal's need, however, is not understood. Using a single fly spherical treadmill, we show that hungry flies display increasing perseverance to track a food odor in the repeated absence of the predicted food reward. While this perseverance is mediated by a group of dopaminergic neurons, a subset of neurons expressing octopamine, the invertebrate noradrenaline, provide reward feedback and counteract dopamine-motivated food seeking. Our data and modeling suggest that two important neuromodulators tally internal and external signals to ultimately coordinate motivation-dependent antagonistic behavioral drives: perseverance vs. change of behavior.

Summary An animal’s metabolic state strongly influences its behavior. Hungry animals prioritize food seeking and feeding behaviors, while sated animals suppress these behaviors to engage in other activities. Additionally, neuronal activity and synaptic transmission are among the most energy expensive processes. Yet neurons do not uptake nutrients from the circulation. Instead, glia fulfill this highly evolutionary conserved function. Recent studies have shown that glia can modulate neuronal activity and behavior. However, how different glia subtypes sense metabolic state and modulate neurons and behavior is incompletely understood. Here, we unravel two types of glia-mediated modulation of metabolic state-dependent behavior. In food-deprived flies, astrocyte-like and perineurial glia promote foraging and feeding, respectively, while cortex glia suppress these behaviors. We further show that adenosine and adenosine receptor modulate intracellular calcium levels in these glia subtypes, which ultimately controls behavior. This study reveals a new mechanism how different glia subtypes sense the metabolic state of the animal and modulate its behavior accordingly.

ABSTRACT Motherhood induces a drastic, sometimes long-lasting, change in internal state and behavior in most female animals. How a change in reproductive state or the discrete event of mating modulates specific female behaviors is still incompletely understood. Using calcium imaging of the whole brain of Drosophila females, we find that mating does not induce a global change in brain activity. Instead, mating modulates the pheromone response of dopaminergic neurons innervating the fly’s learning and memory center, the mushroom body (MB). Using the mating-induced increased attraction to the odor of important nutrients, polyamines, we show that disruption of the female fly’s ability to smell, for instance the pheromone cVA, during mating leads to a reduction in polyamine preference for days later indicating that the odor environment at mating lastingly influences female perception and choice behavior. Moreover, dopaminergic neurons including innervation of the β’1 compartment are sufficient to replace mating experience in virgin females inducing the lasting behavioral increase in polyamine preference. We further show that MB output neurons (MBON) of the β’1 compartment are activated by pheromone odor and their activity during mating bidirectionally modulates preference behavior in mated and virgin females. Their activity is not required, however, for the expression of polyamine attraction. Instead, inhibition of another type of MBON innervating the β’2 compartment enables expression of high polyamine attraction. In addition, the response of a lateral horn (LH) neuron, AD1b2, which output is required for the expression of polyamine attraction, shows a modulated polyamine response after mating. Taken together, our data in the fly suggests that mating-related sensory experience regulates female odor perception and expression of choice behavior through a dopamine-gated learning circuit.