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.

Neuromodulation permits flexibility of synapses, neural circuits and ultimately behavior. One neuromodulator, dopamine, has been studied extensively in its role as reward signal during learning and memory across animal species. Newer evidence suggests that dopaminergic neurons (DANs) can modulate sensory perception acutely, thereby allowing an animal to adapt its behavior and decision-making to its internal and behavioral state. In addition, some data indicate that DANs are heterogeneous and convey different types of information as a population. We have investigated DAN population activity and how it could encode relevant information about sensory stimuli and state by taking advantage of the confined anatomy of DANs innervating the mushroom body (MB) of the fly Drosophila melanogaster. Using in vivo calcium imaging and a custom 3D image registration method, we find that the activity of the population of MB DANs is predictive of the innate valence of an odor as well as the metabolic and mating state of the animal. Furthermore, DAN population activity is strongly correlated with walking or running, consistent with a role of dopamine in conveying behavioral state to the MB. Together our data and analysis suggest that distinct DAN population activities encode innate odor valence, movement and physiological state in a MB-compartment specific manner. We propose that dopamine shapes innate odor perception through combinatorial population coding of sensory valence, physiological and behavioral context.

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.