smORFing for Calcium Genomes contain thousands of small open reading frames (smORFs), short DNA sequences coding for peptides of less than 100 amino acids. Magny et al. (p. 1116 , published on 22 August) describe two smORF-encoded peptides of less than 30 amino acids regulating calcium transport and, hence, regular heart contraction, in the fruit fly Drosophila . These peptides seem to have been conserved for more than 550 million years in a range of species from flies to humans, where they have been implicated in severe heart diseases. Such conservation suggests that smORFs might be an ancient part of our functional genome.

CNS axons differ in diameter ( d ) by nearly 100-fold (∼0.1–10 μm); therefore, they differ in cross-sectional area ( d 2 ) and volume by nearly 10,000-fold. If, as found for optic nerve, mitochondrial volume fraction is constant with axon diameter, energy capacity would rise with axon volume, also as d 2 . We asked, given constraints on space and energy, what functional requirements set an axon's diameter? Surveying 16 fiber groups spanning nearly the full range of diameters in five species (guinea pig, rat, monkey, locust, octopus), we found the following: (1) thin axons are most numerous; (2) mean firing frequencies, estimated for nine of the identified axon classes, are low for thin fibers and high for thick ones, ranging from ∼1 to >100 Hz; (3) a tract's distribution of fiber diameters, whether narrow or broad, and whether symmetric or skewed, reflects heterogeneity of information rates conveyed by its individual fibers; and (4) mitochondrial volume/axon length rises ≥ d 2 . To explain the pressure toward thin diameters, we note an established law of diminishing returns: an axon, to double its information rate, must more than double its firing rate. Since diameter is apparently linear with firing rate, doubling information rate would more than quadruple an axon's volume and energy use. Thicker axons may be needed to encode features that cannot be efficiently decoded if their information is spread over several low-rate channels. Thus, information rate may be the main variable that sets axon caliber, with axons constrained to deliver information at the lowest acceptable rate.

The initiation and propagation of action potentials (APs) places high demands on the energetic resources of neural tissue. Each AP forces ATP-driven ion pumps to work harder to restore the ionic concentration gradients, thus consuming more energy. Here, we ask whether the ionic currents underlying the AP can be predicted theoretically from the principle of minimum energy consumption. A long-held supposition that APs are energetically wasteful, based on theoretical analysis of the squid giant axon AP, has recently been overturned by studies that measured the currents contributing to the AP in several mammalian neurons. In the single compartment models studied here, AP energy consumption varies greatly among vertebrate and invertebrate neurons, with several mammalian neuron models using close to the capacitive minimum of energy needed. Strikingly, energy consumption can increase by more than ten-fold simply by changing the overlap of the Na+ and K+ currents during the AP without changing the APs shape. As a consequence, the height and width of the AP are poor predictors of energy consumption. In the Hodgkin–Huxley model of the squid axon, optimizing the kinetics or number of Na+ and K+ channels can whittle down the number of ATP molecules needed for each AP by a factor of four. In contrast to the squid AP, the temporal profile of the currents underlying APs of some mammalian neurons are nearly perfectly matched to the optimized properties of ionic conductances so as to minimize the ATP cost.

Abstract Doctoral Researchers (DRs) are an important part of the academic community and, after graduating, make substantial social and economic contributions. Despite this importance, DR wellbeing has long been of concern. Recent studies have concluded that DRs may be particularly vulnerable to mental health problems, yet direct comparisons of the prevalence of mental health problems between this population and control groups are lacking. Here, by comparing DRs with educated working controls, we show that DRs report significantly greater anxiety and depression, and that this difference is not explained by a higher rate of pre-existing mental health problems. Moreover, most DRs perceive poor mental health as a ‘normal’ part of the PhD process. Thus, our findings suggest a hazardous impact of PhD study on mental health, with DRs being particularly at risk of developing common mental health problems. This provides an evidence-based mandate for universities and funders to reflect upon practices related to DR training and mental health. Our attention should now be directed towards understanding what factors may explain heightened anxiety and depression among DRs so as to inform preventative measures and interventions.

Abstract Resting metabolic rate (RMR) is a fundamental physiological measure linked to numerous aspects of organismal function, including lifespan. Although dietary restriction in insects during larval growth/development affects adult RMR, the impact of larval diet quality on adult RMR has not been studied. Using in vitro rearing to control larval diet quality, we determined the effect of dietary protein and carbohydrate on honeybee survival-to-adulthood, time-to-eclosion, body mass/size and adult RMR. High carbohydrate larval diets increased survival-to-adulthood and time-to-eclosion compared to both low carbohydrate and high protein diets. Upon emergence, bees reared on the high protein diet were smaller and lighter than those reared on other diets, whilst those raised on the high carbohydrate diet varied more in body mass. Newly emerged adult bees’ reared on the high carbohydrate diet showed a significantly steeper increase in allometric scaling of RMR compared to those reared on other diets. This suggests that diet quality influences survival-to-adulthood, time-to-eclosion, and the allometric scaling of RMR. Given that agricultural intensification and increasing urbanisation have led to a decrease in both forage availability and dietary diversity for bees, our results are critical to improving understanding of the impacts of poor developmental nutrition on bee growth/development and physiology. Summary statement We show, for the first time, that the nutritional quality of insect larval diets affects the scaling of metabolic rate with body mass in newly emerged adult honeybees.

Abstract The scale of natural insect navigation during foraging makes it challenging to study, in a controlled way, the navigation processes that an insect brain can support. Virtual Reality and trackball setups have offered experimental control over visual environments while studying tethered insects, but potential limitations and confounds introduced by tethering motivates the development of alternative untethered solutions. In this paper we validate the use of a motion compensator (or ‘treadmill’) to study visually-driven behaviour of freely moving wood ants ( Formica rufa ). We show how this setup allows naturalistic walking behaviour and motivation over long timeframes. Furthermore, we show that ants are able to transfer associative and navigational memories from classical maze and arena contexts to our treadmill. Thus, we demonstrate the possibility to study navigational behaviour over ecologically relevant durations (and virtual distances) in precisely controlled environments, bridging the gap between natural and highly controlled laboratory experiments. 1 Summary statement We have developed and validated a motion compensating treadmill for wood ants which opens new perspectives to study insect navigation behaviour in a fully controlled manner over ecologically relevant durations.

Abstract Modulation is essential for adjusting neurons to prevailing conditions and differing demands. Yet understanding how modulators adjust neuronal properties to alter information processing remains unclear, as is the impact of neuromodulation on energy consumption. Here we combine two computational models, one Hodgkin-Huxley type and the other analytic, to investigate the effects of neuromodulation upon Drosophila melanogaster photoreceptors. Voltage-dependent K + conductances: (i) activate upon depolarisation to reduce membrane resistance and adjust bandwidth to functional requirements; (ii) produce negative feedback to increase bandwidth in an energy efficient way; (iii) produce shunt-peaking thereby increasing the membrane gain bandwidth product; and (iv) inactivate to amplify low frequencies. Through their effects on the voltage-dependent K + conductances, three modulators, serotonin, calmodulin and PIP2, trade-off contrast gain against membrane bandwidth. Serotonin shifts the photoreceptor performance towards higher contrast gains and lower membrane bandwidths, whereas PIP2 and calmodulin shift performance towards lower contrast gains and higher membrane bandwidths. These neuromodulators have little effect upon the overall energy consumed by photoreceptors, instead they redistribute the energy invested in gain versus bandwidth. This demonstrates how modulators can shift neuronal information processing within the limitations of biophysics and energy consumption.

ABSTRACT Wood ants are excellent navigators using a combination of innate and learnt navigational strategies to travel between their nest and feeding sites. Visual navigation in ants has been studied extensively, however, we only know little about the underlying neural mechanisms. The central complex (CX) is located at the midline of the insect brain. It receives sensory input that allows an insect to keep track of the direction of sensory cues relative to its own orientation and to control movement. We show here direct evidence for the involvement of the central complex in the innate visual orientation response of freely moving wood ants. Lesions in the CX disrupted the control of turning in a lateralised manner, but had no effect on the overall heading direction, walking speed or path straightness.

Visual navigation in ants has long been a focus of experimental study [1-3], but only recently have explicit hypotheses about the underlying neural circuitry been proposed [4]. Indirect evidence suggests the mushroom bodies (MB), a known site of olfactory learning [5-10], may also be the substrate for visual memory in navigation tasks [11-14]. Computational modelling shows that MB neural architecture could support this function [15, 16], though there is no direct evidence that ants require MBs for visual navigation. Here we show that lesions of MB calyces impair ants' visual navigation to a remembered food location whilst leaving their innate responses to visual cues unaffected. Ants are innately attracted to a large visual cue but we trained them to locate a food source at a specific angle to this visual cue. Subsequent bilateral or unilateral lesioning (through procaine hydrochloride injection) of the MB calyces, caused ants to revert to their innate cue attraction whilst control (saline) injected ants still approached the feeder. The ants' path straightness and walking speed were unaffected by lesions. Reversion towards the cue direction occurred irrespective of whether it was ipsi- or contralateral to the lesion site, showing this is not due simply to an induced motor bias. Monocular occlusion did not diminish ants' ability to locate the feeder, suggesting the lesion is not merely interrupting visual input to the calyx. The demonstrated dissociation between innate and learnt visual responses provides direct evidence for a specific role of the MB in navigational memory.

Malpighian tubules, analogous to vertebrate nephrons, play a key role in insect osmoregulation and detoxification. Tubules can become infected with a protozoan, Malpighamoeba, which damages their epithelial cells, potentially compromising their function. Here we used a modified Ramsay assay to quantify the impact of Malpighamoeba infection on fluid secretion and P-glycoprotein-dependent detoxification by desert locust Malpighian tubules. Infected tubules have a greater surface area and a higher fluid secretion rate than uninfected tubules. Infection also impairs P-glycoprotein-dependent detoxification by reducing the net rhodamine extrusion per surface area. However, due to the increased surface area and fluid secretion rate, infected tubules have similar total net extrusion per tubule to uninfected tubules. Increased fluid secretion rate of infected tubules likely exposes locusts to greater water stress and increased energy costs. Coupled with reduced efficiency of P-glycoprotein detoxification per surface area, Malpighamoeba infection is likely to reduce insect survival in natural environments.