Abstract The mechanisms specifying neuronal diversity are well-characterized, yet it remains unclear how or if these mechanisms regulate neural circuit assembly. To address this, we mapped the developmental origin of 160 interneurons from seven bilateral neural progenitors (neuroblasts), and identify them in a synapse-scale TEM reconstruction of the Drosophila larval CNS. We find that lineages concurrently build the sensory and motor neuropils by generating sensory and motor hemilineages in a Notch-dependent manner. Neurons in a hemilineage share common synaptic targeting within the neuropil, which is further refined based on neuronal temporal identity. Connectome analysis shows that hemilineage-temporal cohorts share common connectivity. Finally, we show that proximity alone cannot explain the observed connectivity structure, suggesting hemilineage/temporal identity confers an added layer of specificity. Thus, we demonstrate that the mechanisms specifying neuronal diversity also govern circuit formation and function, and that these principles are broadly applicable throughout the nervous system.

Command-like descending neurons can induce many behaviors, such as backward locomotion, escape, feeding, courtship, egg-laying, or grooming. In most animals it remains unknown how neural circuits switch between these antagonistic behaviors: via top-down activation/inhibition of antagonistic circuits or via reciprocal inhibition between antagonistic circuits. Here we use genetic screens, intersectional genetics, circuit reconstruction by electron microscopy, and functional optogenetics to identify a bilateral pair of larval “mooncrawler descending neurons” (MDNs) with command-like ability to coordinately induce backward locomotion and block forward locomotion; the former by activating a backward-specific premotor neuron, and the latter by disynaptic inhibition of a forward-specific premotor neuron. In contrast, direct reciprocal inhibition between forward and backward circuits was not observed. Thus, MDNs coordinate a transition between antagonistic larval locomotor behaviors. Interestingly, larval MDNs persist into adulthood, where they can trigger backward walking. Thus, MDNs induce backward locomotion in both limbless and limbed animals.

An open question in neurobiology is how diverse neuron cell types are generated from a small number of neural stem cells. In the Drosophila larval central brain, there are eight bilateral Type 2 neuroblast (T2NB) lineages that express a suite of early temporal factors followed by a different set of late temporal factors and generate the majority of the central complex (CX) neurons. The early-to-late switch is triggered by the orphan nuclear hormone receptor Seven-up (Svp), yet little is known about this Svp-dependent switch in specifying CX neuron identities. Here, we (i) birthdate the CX neurons P-EN and P-FN (early and late, respectively); (ii) show that Svp is transiently expressed in all early T2NBs; and (iii) show that loss of Svp expands the population of early born P-EN neurons at the expense of late born P-FN neurons. Furthermore, in the absence of Svp, T2NBs fail decommissioning and abnormally extend their lineage into week-old adults. We conclude that Svp is required to specify CX neuron identity, as well as to initiate T2NB decommissioning.