Summary Pentameric ligand-gated ion channels (LGCs) play conserved, critical roles in fast synaptic transmission, and changes in LGC expression and localisation are thought to underlie many forms of learning and memory. The C. elegans genome encodes a large number of LGCs without a known ligand or function. Here, we deorphanize five members of a family of Cys-loop LGCs by characterizing their diverse functional properties that are activated by biogenic amine neurotransmitters. To analyse the neuronal function of these LGCs, we show that a novel serotonin-gated cation channel, LGC-50, is essential for aversive olfactory learning. lgc-50 mutants show a specific defect in learned olfactory avoidance of pathogenic bacteria, a process known to depend on serotonergic neurotransmission. Remarkably, the expression of LGC-50 in neuronal processes is enhanced by olfactory conditioning; thus, the regulated expression of these receptors at synapses appears to represent a molecular cornerstone of the learning mechanism.

ABSTRACT Olfactory masking is a complex olfactory response found in humans. However, the mechanisms whereby the presence of one odorant masks the sensory and behavioral responses elicited by another odorant are poorly understood. Here, we report that Caenorhabditis elegans displays olfactory masking and that the presence of a repulsive odorant, 2-nonanone, that signals threat strongly masks the attraction of other odorants, such as isoamyl alcohol (IAA) or benzaldehyde that signals food. Using a forward genetic screen, we found that several genes, osm-5, osm-1 , and dyf-7 , known to regulate the structure and function of sensory neurons played a critical role in olfactory masking. Loss of these genes mildly reduces the response to 2-nonanone and disrupts the masking effect of 2-nonanone. Restoring the function of OSM-5 in either AWB or ASH, two sensory neurons known to mediate 2-nonanone-evoked avoidance, is sufficient to rescue olfactory masking. AWB is activated by the removal of 2-nonanone stimulation or the onset of IAA; however, the mixture of 2-nonanone and IAA stimulates AWB similarly as 2-nonanone alone, masking the cellular effect of IAA. The latency of the AWB response is critical for the masking effect. Thus, our results identify redundant neural circuits that regulate the robust masking effect of a repulsive odorant and uncover the neuronal and cellular basis for this complex olfactory task. AUTHOR SUMMARY In their natural environment, animals, including humans, encounter complex olfactory stimuli. However, regardless how complex the stimuli are, the behavioral output can only be one. Thus, how the brain processes multiple sensory cues to generate a coherent behavioral output is critical for the survival of the animal. In the present study, we combined molecular cellular genetics, optical physiology and behavioral analysis to study olfactory masking, a common olfactory phenomenon in which the presence of one odorant masks the stimulation of another odorant. Our results show that olfactory masking is regulated by redundant neuronal circuits, a mechanism that likely ensures the robust behavioral response to the sensory cue representing information critical for the survival.

Abstract Cell identification is an important yet difficult process in data analysis of biological images. Previously, we developed an automated cell identification method called CRF_ID and demonstrated its high performance in C. elegans whole-brain images (Chaudhary et al, 2021). However, because the method was optimized for whole-brain imaging, comparable performance could not be guaranteed for application in commonly used C. elegans multi-cell images that display a subpopulation of cells. Here, we present an advance CRF_ID 2.0 that expands the generalizability of the method to multi-cell imaging beyond whole-brain imaging. To illustrate the application of the advance, we show the characterization of CRF_ID 2.0 in multi-cell imaging and cell-specific gene expression analysis in C. elegans . This work demonstrates that high accuracy automated cell annotation in multi-cell imaging can expedite cell identification and reduce its subjectivity in C. elegans and potentially other biological images of various origins.

In the natural environment, animals often encounter multiple sensory cues that are simultaneously present. The nervous system integrates the relevant sensory information to generate behavioral responses that have adaptive values. However, the signal transduction pathways and the molecules that regulate integrated behavioral response to multiple sensory cues are not well defined. Here, we characterize a collective modulatory basis for a behavioral decision in C. elegans when the animal is presented with an attractive food source together with a repulsive odorant. We show that distributed neuronal components in the worm nervous system and several neuromodulators orchestrate the decision-making process, suggesting that various states and contexts may modulate the multisensory integration. Among these modulators, we identify a new function of a conserved TGF-β pathway that regulates the integrated decision by inhibiting the signaling from a set of central neurons. Interestingly, we find that a common set of modulators, including the TGF-β pathway, regulate the integrated response to the pairing of different foods and repellents. Together, our results provide insights into the modulatory signals regulating multisensory integration and reveal potential mechanistic basis for the complex pathology underlying defects in multisensory processing shared by common neurological diseases.