Abstract Fast and wide imaging with single-cell resolution, high signal-to-noise ratio and no optical aberration has the potential to open up new avenues of investigation in biology. However, this imaging is challenging because of the inevitable tradeoffs among those parameters. Here, we overcome the tradeoffs by combining a resonant scanning system, a large objective with low magnification and high numerical aperture, and highly sensitive large-aperture photodetectors. The result is a practically aberration-free, fast scanning high optical invariant two-photon microscopy (FASHIO-2PM) that enables calcium imaging from a large network composed of ∼16k neurons at 7.5 Hz in a 9 mm 2 contiguous image plane including more than 10 sensory-motor and higher-order regions of the cerebral cortex in awake mice. Through a network analysis based on single-cell activities, we discover that the brain exhibits small-world-ness rather than scale-freeness. FASHIO-2PM will enable revealing biological dynamics by simultaneous monitoring of macroscopic activity and its composing elements.

Animal behaviors are robust and flexible. To elucidate how these two conflicting features of behavior are encoded in the nervous system, we analyzed the neural circuits generating a C. elegans thermotaxis behavior, in which animals migrate toward the past cultivation temperature (Tc). We identified multiple circuits that are highly overlapping but individually regulate distinct behavioral components to achieve thermotaxis. When the regulation of a behavioral component is disrupted following single cell ablations, the other components compensate the deficit, enabling the animals to robustly migrate toward the Tc. Depending on whether the environmental temperature surrounding the animals is above or below the Tc, different circuits regulate the same behavioral components, mediating the flexible switch between migration up or down toward the Tc. These context-dependencies within the overlapping sub-circuits reveal the implementation of degeneracy in the nervous system, providing a circuit-level basis for the robustness and flexibility of behavior.

Presynaptic plasticity is known to modulate the strength of synaptic transmission. However, it remains unknown whether regulation in presynaptic neurons alters the directionality −positive or negative− of postsynaptic responses. We report here that the C. elegans homologs of MAST kinase, Stomatin and Diacylglycerol kinase act in a thermosensory neuron to elicit in its postsynaptic neuron an excitatory or inhibitory response that correlates with the valence of thermal stimuli. By monitoring neural activity of the valence-coding interneuron in freely behaving animals, we show that the alteration between excitatory and inhibitory responses of the interneuron is mediated by controlling the balance of two opposing signals released from the presynaptic neuron. These alternative transmissions further generate opposing behavioral outputs necessary for the navigation on thermal gradients. Our findings reveal the previously unrecognized capability of presynaptic regulation to evoke bidirectional postsynaptic responses and suggest a molecular mechanism of determining stimulus valence.

Abstract Motile organisms actively detect environmental signals and migrate to a preferable environment. Especially, small-size animals convert subtle difference in sensory input into orientation behavioral output for directly steering toward a destination, but the neural mechanisms underlying steering behavior remain elusive. Here, we analyze a C. elegans thermotactic behavior in which a small number of neurons are shown to mediate steering toward a destination temperature. We construct a neuroanatomical model and use an evolutionary algorithm to find configurations of the model that reproduce empirical thermotactic behavior. We find that, in all the evolved models, steering rates are modulated by persistent thermal signals sensed through forward locomotion. Persistent temperature increment lessens steering rates resulting in straight movement of model worms, whereas temperature decrement enlarges steering rates resulting in curvy movement. This relationship between temperature change and steering rates reproduces the empirical thermotactic migration up thermal gradients and steering bias toward higher temperature. Further, spectrum decomposition of neural activities in model worms show that thermal signals are transmitted from a sensory neuron to motor neurons on the longer time scale than sinusoidal locomotion of C. elegans . Our results suggest that employments of persistent sensory signals enable small-size animals to steer toward a destination in natural environment with variable, noisy, and subtle cues. Author summary A free-living nematode Caenorhabditis elegans memorizes an environmental temperature and steers toward the remembered temperature on a thermal gradient. How does the C. elegans brain, consisting of 302 neurons, achieve this thermotactic steering behavior? Here, we address this question through neuroanatomical modeling and simulation analyses. We find that persistent thermal input modulates steering rates of model worms; worms run straight when they move up to a destination temperature, whereas run crookedly when move away from the destination. As a result, worms steer toward the destination temperature as observed in experiments. Our analysis also shows that persistent thermal signals are transmitted from a thermosensory neuron to dorsal and ventral neck motor neurons, regulating the balance of dorsoventral muscle contractions of model worms and generating steering behavior. This study indicates that C. elegans can steer toward a destination temperature without processing acute thermal input that informs to which direction it should steer. Such indirect mechanism of steering behavior is potentially employed in other motile organisms.

Animals are able to reach a desired state in an environment by controlling various behavioral patterns. Identification of the behavioral strategy used for this control is important for understanding animals' decision-making and is fundamental to dissect information processing done by the nervous system. However, methods for quantifying such behavioral strategies have not been fully established. In this study, we developed an inverse reinforcement-learning (IRL) framework to identify an animal's behavioral strategy from behavioral time-series data. As a particular target, we applied this framework to C. elegans thermotactic behavior; after cultivation at a constant temperature with or without food, the fed and starved worms prefer and avoid from the cultivation temperature on a thermal gradient, respectively. Our IRL approach revealed that the fed worms used both absolute and temporal derivative of temperature and that their strategy comprised mixture of two strategies: directed migration (DM) and isothermal migration (IM). The DM is a strategy that the worms efficiently reach to specific temperature, which explained thermotactic behaviors of the fed worms. The IM is a strategy that the worms track along a constant temperature, which reflects isothermal tracking well observed in previous studies. We also showed the neural basis underlying the strategies, by applying our method to thermosensory neuron-deficient worms. In contrast to fed animals, the strategy of starved animals indicated that they escaped the cultivation temperature using only absolute, but not temporal derivative of temperature. Thus, our IRL-based approach is capable of identifying animal strategies from behavioral time-series data and will be applicable to wide range of behavioral studies, including decision-making of other organisms.