In most animals, the brain controls the body via a set of descending neurons (DNs) that traverse the neck. DN activity activates, maintains or modulates locomotion and other behaviors. Individual DNs have been well-studied in species from insects to primates, but little is known about overall connectivity patterns across the DN population. We systematically investigated DN anatomy in Drosophila melanogaster and created over 100 transgenic lines targeting individual cell types. We identified roughly half of all Drosophila DNs and comprehensively map connectivity between sensory and motor neuropils in the brain and nerve cord, respectively. We find the nerve cord is a layered system of neuropils reflecting the fly's capability for two largely independent means of locomotion -- walking and flight -- using distinct sets of appendages. Our results reveal the basic functional map of descending pathways in flies and provide tools for systematic interrogation of neural circuits.

A key feature of reactive behaviors is the ability to spatially localize a salient stimulus and act accordingly. Such sensory-motor transformations must be particularly fast and well tuned in escape behaviors, in which both the speed and accuracy of the evasive response determine whether an animal successfully avoids predation [1Eaton R.C. Neural Mechanisms of Startle Behavior. Springer, Berlin1984Google Scholar]. We studied the escape behavior of the fruit fly, Drosophila, and found that flies can use visual information to plan a jump directly away from a looming threat. This is surprising, given the architecture of the pathway thought to mediate escape [2King D.G. Wyman R.J. Anatomy of the giant fiber pathway in Drosophila. I. Three thoracic components of the pathway.J. Neurocytol. 1980; 9: 753-770Google Scholar, 3Levine J. Tracey D. Structure and function of the giant motorneuron of Drosophila melanogaster.J. Comp. Physiol. 1973; 87: 213-235Google Scholar]. Using high-speed videography, we found that approximately 200 ms before takeoff, flies begin a series of postural adjustments that determine the direction of their escape. These movements position their center of mass so that leg extension will push them away from the expanding visual stimulus. These preflight movements are not the result of a simple feed-forward motor program because their magnitude and direction depend on the flies' initial postural state. Furthermore, flies plan a takeoff direction even in instances when they choose not to jump. This sophisticated motor program is evidence for a form of rapid, visually mediated motor planning in a genetically accessible model organism.

Visual projection neurons (VPNs) provide an anatomical connection between early visual processing and higher brain regions. Here we characterize lobula columnar (LC) cells, a class of Drosophila VPNs that project to distinct central brain structures called optic glomeruli. We anatomically describe 22 different LC types and show that, for several types, optogenetic activation in freely moving flies evokes specific behaviors. The activation phenotypes of two LC types closely resemble natural avoidance behaviors triggered by a visual loom. In vivo two-photon calcium imaging reveals that these LC types respond to looming stimuli, while another type does not, but instead responds to the motion of a small object. Activation of LC neurons on only one side of the brain can result in attractive or aversive turning behaviors depending on the cell type. Our results indicate that LC neurons convey information on the presence and location of visual features relevant for specific behaviors.

Abstract Precise, repeatable genetic access to specific neurons via GAL4/UAS and related methods is a key advantage of Drosophila neuroscience. Neuronal targeting is typically documented using light microscopy of full GAL4 expression patterns, which generally lack the single-cell resolution required for reliable cell type identification. Here we use stochastic GAL4 labeling with the MultiColor FlpOut approach to generate cellular resolution confocal images at large scale. We are releasing aligned images of 74,000 such adult central nervous systems. An anticipated use of this resource is to bridge the gap between neurons identified by electron or light microscopy. Identifying individual neurons that make up each GAL4 expression pattern improves the prediction of split-GAL4 combinations targeting particular neurons. To this end we have made the images searchable on the NeuronBridge website. We demonstrate the potential of NeuronBridge to rapidly and effectively identify neuron matches based on morphology across imaging modalities and datasets.

SUMMARY In most animals, the brain controls the body via a set of descending neurons (DNs) that traverse the neck and terminate in post-cranial regions of the nervous system. This critical neural population is thought to activate, maintain and modulate locomotion and other behaviors. Although individual members of this cell class have been well-studied across species ranging from insects to primates, little is known about the overall connectivity pattern of DNs as a population. We undertook a systematic anatomical investigation of descending neurons in the fruit fly, Drosophila melanogaster , and created a collection of over 100 transgenic lines targeting individual cell types. Our methods allowed us to describe the morphology of roughly half of an estimated 400 DNs and create a comprehensive map of connectivity between the sensory neuropils in the brain and the motor neuropils in the ventral nerve cord. Like the vertebrate spinal cord, our results show that the fly nerve cord is a highly organized, layered system of neuropils, an organization that reflects the fact that insects are capable of two largely independent means of locomotion – walking and fight – using distinct sets of appendages. Our results reveal the basic functional map of descending pathways in flies and provide tools for systematic interrogation of sensory-motor circuits.

Abstract To effectively control their bodies, animals rely on feedback from proprioceptive mechanosensory neurons. In the Drosophila leg, different proprioceptor subtypes monitor joint position, movement direction, and vibration. Here, we investigate how these diverse sensory signals are integrated by central proprioceptive circuits. We find that signals for leg joint position and directional movement converge in second-order neurons, revealing pathways for local feedback control of leg posture. Distinct populations of second-order neurons integrate tibia vibration signals across pairs of legs, suggesting a role in detecting external substrate vibration. In each pathway, the flow of sensory information is dynamically gated and sculpted by inhibition. Overall, our results reveal parallel pathways for processing of internal and external mechanosensory signals, which we propose mediate feedback control of leg movement and vibration sensing, respectively. The existence of a functional connectivity map also provides a resource for interpreting connectomic reconstruction of neural circuits for leg proprioception.

Abstract In most complex nervous systems there is a clear anatomical separation between the nerve cord, which contains most of the final motor outputs necessary for behaviour, and the brain. In insects, the neck connective is both a physical and information bottleneck connecting the brain and the ventral nerve cord (VNC, spinal cord analogue) and comprises diverse populations of descending (DN), ascending (AN) and sensory ascending neurons, which are crucial for sensorimotor signalling and control. Integrating three separate EM datasets, we now provide a complete connectomic description of the ascending and descending neurons of the female nervous system of Drosophila and compare them with neurons of the male nerve cord. Proofread neuronal reconstructions have been matched across hemispheres, datasets and sexes. Crucially, we have also matched 51% of DN cell types to light level data defining specific driver lines as well as classifying all ascending populations. We use these results to reveal the general architecture, tracts, neuropil innervation and connectivity of neck connective neurons. We observe connected chains of descending and ascending neurons spanning the neck, which may subserve motor sequences. We provide a complete description of sexually dimorphic DN and AN populations, with detailed analysis of circuits implicated in sex-related behaviours, including female ovipositor extrusion (DNp13), male courtship (DNa12/aSP22) and song production (AN hemilineage 08B). Our work represents the first EM-level circuit analyses spanning the entire central nervous system of an adult animal.

Summary Like many insect species, Drosophila melanogaster are capable of maintaining a stable flight trajectory for periods lasting up to several hours(1, 2). Because aerodynamic torque is roughly proportional to the fifth power of wing length(3), even small asymmetries in wing size require the maintenance of subtle bilateral differences in flapping motion to maintain a stable path. Flies can even fly straight after losing half of a wing, a feat they accomplish via very large, sustained kinematic changes to the both damaged and intact wings(4). Thus, the neural network responsible for stable flight must be capable of sustaining fine-scaled control over wing motion across a large dynamic range. In this paper, we describe an unusual type of descending neurons (DNg02) that project directly from visual output regions of the brain to the dorsal flight neuropil of the ventral nerve cord. Unlike most descending neurons, which exist as single bilateral pairs with unique morphology, there is a population of at least 15 DNg02 cell pairs with nearly identical shape. By optogenetically activating different numbers of DNg02 cells, we demonstrate that these neurons regulate wingbeat amplitude over a wide dynamic range via a population code. Using 2-photon functional imaging, we show that DNg02 cells are responsive to visual motion during flight in a manner that would make them well suited to continuously regulate bilateral changes in wing kinematics. Collectively, we have identified a critical set of DNs that provide the sensitivity and dynamic range required for flight control.

Abstract The body of an animal determines how the nervous system produces behavior. Therefore, detailed modeling of the neural control of sensorimotor behavior requires a detailed model of the body. Here we contribute an anatomically-detailed biomechanical whole-body model of the fruit fly Drosophila melanogaster in the MuJoCo physics engine. Our model is general-purpose, enabling the simulation of diverse fly behaviors, both on land and in the air. We demonstrate the generality of our model by simulating realistic locomotion, both flight and walking. To support these behaviors, we have extended MuJoCo with phenomenological models of fluid forces and adhesion forces. Through data-driven end-to-end reinforcement learning, we demonstrate that these advances enable the training of neural network controllers capable of realistic locomotion along complex trajectories based on high-level steering control signals. With a visually guided flight task, we demonstrate a neural controller that can use the vision sensors of the body model to control and steer flight. Our project is an open-source platform for modeling neural control of sensorimotor behavior in an embodied context.

Summary Our companion paper (Takemura et al., 2023) introduces the first completely proofread connectome of the nerve cord of an animal that can walk or fly. The base connectome consists of neuronal morphologies and the connections between them. However, in order to efficiently navigate and understand this connectome, it is crucial to have a system of annotations that systematically categorises and names neurons, linking them to the existing literature. In this paper we describe the comprehensive annotation of the VNC connectome, first by a system of hierarchical coarse annotations, then by grouping left-right and serially homologous neurons and eventually by defining systematic cell types for the intrinsic interneurons and sensory neurons of the VNC; descending and motor neurons are typed in (Cheong et al., 2023). We assign a sensory modality to over 5000 sensory neurons, cluster them by connectivity, and identify serially homologous cell types and a layered organisation likely corresponding to peripheral topography. We identify the developmental neuroblast of origin of the large majority of VNC neurons and confirm that (in most cases) all secondary neurons of each hemilineage express a single neurotransmitter. Neuroblast hemilineages are serially repeated along the segments of the nerve cord and generally exhibit consistent hemilineage-to-hemilineage connectivity across neuromeres, supporting the idea that hemilineages are a major organisational feature of the VNC. We also find that more than a third of individual neurons belong to serially homologous cell types, which were crucial for identifying motor neurons and sensory neurons across leg neuropils. Categorising interneurons by their neuropil innervation patterns provides an additional organisation axis. Over half of the intrinsic neurons of the VNC appear dedicated to the legs, with the majority restricted to single leg neuropils; in contrast, inhibitory interneurons connecting different leg neuropils, especially those crossing the midline, appear rarer than anticipated by standard models of locomotor circuitry. Our annotations are being released as part of the neuprint.janelia.org web application and also serve as the basis of programmatic analysis of the connectome through dedicated tools that we describe in this paper.