The structure-function relationships underlying Drosophila larval chemotaxis

Abstract

The Drosophila larva is an excellent model organism to study the neural correlates of behavior. It possesses a tractable yet complex nervous system that is capable of integrating and transforming multimodal sensory stimuli into complex navigational decisions. In the larva, activity of individual neurons –the building blocks of the nervous system– could be reliably monitored and manipulated thanks to the unmatched genetic tools available in Drosophila. Recent efforts to reconstruct the connectome of the whole larval nervous system enable circuit-level analysis of the neural mechanisms underlying the larval behavior.

The larva exhibits robust navigation in the presence of volatile chemical cues (chemotaxis). Larval chemotaxis comprises alternations between different behavioral modes: runs, pauses and turns. Here, we performed two independent forward screens to identify neurons that are involved in action selection during Drosophila larval chemotaxis.

In our first screen, we identified neurons that are involved in run-to-turn transitions. High-resolution behavioral analysis upon manipulation of activity in a subset of neurons in the subesophageal zone revealed that these neurons are necessary and sufficient to trigger reorientation maneuvers. Our findings suggest that the SEZ is a premotor center that mediates action selection based on integrated sensory stimuli.

In the second screen, we combined functional analysis with electron microscopy reconstruction to identify a descending neuron (PDM) that is necessary and sufficient to trigger run-to-turn transitions. EM reconstruction revealed that PDM receives olfactory inputs in the lateral horn region and connects to premotor neurons involved in peristaltic wave propagation through a set of SEZ descending neurons. By combining optogenetic activation with high-resolution analysis of behavior, we showed that PDM is responsible for terminating runs by inhibiting peristaltic wave-generating circuits in the ventral nerve cord of the larva.

La larva de Drosophila es un excelente organismo modelo para estudiar las correlaciones neuronales del comportamiento. Posee un dócil pero complejo sistema nervioso capaz de integrar y transformar estímulos sensoriales multimodales en decisiones de navegación complejas. En la larva, la actividad de neuronas individuales –las piezas fundamentales del sistema nervioso-puede ser controlada y manipulada de manera fiable gracias a las inigualables herramientas genéticas disponibles en Drosophila. Esfuerzos recientes para reconstruir el conectoma completo del sistema nervioso de la larva nos permite analizar el mecanismo neuronal a nivel de circuito subyacente al comportamiento de la larva.

La larva presenta una navegación robusta en presencia de señales químicas volátiles (quimiotaxis). La quimiotaxis de la larva alterna entre distintos modos de comportamiento: carreras, pausas y giros. Aquí, hemos llevado a cabo dos cribados independientes que nos permiten identificar neuronas de la larva de Drosophila involucradas en la selección de acciones durante la quiomitaxis. En nuestro primer cribado, hemos identificado neuronas involucradas en transiciones correr-para-girar. El análisis del comportamiento a alta resolución, habiendo manipulado la actividad de un grupo de neuronas de la zona subesofageal (SEZ), reveló que dichas neuronas son necesarias y suficientes para activar maniobras de reorientación. Nuestros descubrimientos sugieren que la SEZ es un centro premotor que media la selección de acciones basándose en estímulos sensoriales integrados.

En el segundo cribado, hemos combinado el análisis funcional con la reconstrucción mediante microscopia electrónica para identificar la neurona descendiente (PDM) que es necesaria y suficiente para activar las transiciones correr-para-girar. La reconstrucción mediante EM reveló que la PDM recibe señales olfativas en la región del asta lateral y se conecta con neuronas premotoras involucradas en la propagación de ondas peristálticas a través de un conjunto de neuronas SEZ descendientes. Combinando la activación optogenética con el análisis del comportamiento de alta resolución, hemos demostrado que la PDM es la responsable de terminar carreras inhibiendo los circuitos de generación de ondas peristálticas en el cordón nervioso ventral de la larva.