Abstract The neural circuits responsible for animal behavior remain largely unknown. We summarize new methods and present the circuitry of a large fraction of the brain of the fruit fly Drosophila melanogaster. Improved methods include new procedures to prepare, image, align, segment, find synapses in, and proofread such large data sets. We define cell types, refine computational compartments, and provide an exhaustive atlas of cell examples and types, many of them novel. We provide detailed circuits consisting of neurons and their chemical synapses for most of the central brain. We make the data public and simplify access, reducing the effort needed to answer circuit questions, and provide procedures linking the neurons defined by our analysis with genetic reagents. Biologically, we examine distributions of connection strengths, neural motifs on different scales, electrical consequences of compartmentalization, and evidence that maximizing packing density is an important criterion in the evolution of the fly’s brain.

Abstract Making inferences about the computations performed by neuronal circuits from synapse-level connectivity maps is an emerging opportunity in neuroscience. The mushroom body (MB) is well positioned for developing and testing such an approach due to its conserved neuronal architecture, recently completed dense connectome, and extensive prior experimental studies of its roles in learning, memory and activity regulation. Here we identify new components of the MB circuit in Drosophila , including extensive visual input and MB output neurons (MBONs) with direct connections to descending neurons. We find unexpected structure in sensory inputs, in the transfer of information about different sensory modalities to MBONs, and in the modulation of that transfer by dopaminergic neurons (DANs). We provide insights into the circuitry used to integrate MB outputs, connectivity between the MB and the central complex and inputs to DANs, including feedback from MBONs. Our results provide a foundation for further theoretical and experimental work.

The neural circuits responsible for behavior remain largely unknown. Previous efforts have reconstructed the complete circuits of small animals, with hundreds of neurons, and selected circuits for larger animals. Here we (the FlyEM project at Janelia and collaborators at Google) summarize new methods and present the complete circuitry of a large fraction of the brain of a much more complex animal, the fruit fly Drosophila melanogaster. Improved methods include new procedures to prepare, image, align, segment, find synapses, and proofread such large data sets; new methods that define cell types based on connectivity in addition to morphology; and new methods to simplify access to a large and evolving data set. From the resulting data we derive a better definition of computational compartments and their connections; an exhaustive atlas of cell examples and types, many of them novel; detailed circuits for most of the central brain; and exploration of the statistics and structure of different brain compartments, and the brain as a whole. We make the data public, with a web site and resources specifically designed to make it easy to explore, for all levels of expertise from the expert to the merely curious. The public availability of these data, and the simplified means to access it, dramatically reduces the effort needed to answer typical circuit questions, such as the identity of upstream and downstream neural partners, the circuitry of brain regions, and to link the neurons defined by our analysis with genetic reagents that can be used to study their functions. Note: In the next few weeks, we will release a series of papers with more involved discussions. One paper will detail the hemibrain reconstruction with more extensive analysis and interpretation made possible by this dense connectome. Another paper will explore the central complex, a brain region involved in navigation, motor control, and sleep. A final paper will present insights from the mushroom body, a center of multimodal associative learning in the fly brain.

Abstract Animal behavior is principally expressed through neural control of muscles. Therefore understanding how the brain controls behavior requires mapping neuronal circuits all the way to motor neurons. We have previously established technology to collect large-volume electron microscopy data sets of neural tissue and fully reconstruct the morphology of the neurons and their chemical synaptic connections throughout the volume. Using these tools we generated a dense wiring diagram, or connectome, for a large portion of the Drosophila central brain. However, in most animals, including the fly, the majority of motor neurons are located outside the brain in a neural center closer to the body, i.e. the mammalian spinal cord or insect ventral nerve cord (VNC). In this paper, we extend our effort to map full neural circuits for behavior by generating a connectome of the VNC of a male fly.