A dynamic deep sleep stage in Drosophila

Howmight one determine whether simple animals such as flies sleep in stages? Sleep inmammalsis a dynamic process involving different stages of sleep intensity, and these are typically associated with measurable changes in brain activity (Blake and Gerard, 1937; Rechtschaffen and Kales, 1968; Webb and Agnew, 1971). Evidence for different sleep stages in invertebrates remains elusive, even though it has been well established that many invertebrate species require sleep (Campbell and Tobler, 1984; Hendricks et al., 2000; Shaw et al., 2000; Sauer et al., 2003). Here we used electrophysiology and arousal-testing paradigms to show that the fruit fly, Drosophila melanogaster, transitions between deeper and lighter sleep within extended bouts of inactivity, with deeper sleep intensities after15 and30 min of inactivity. As in mammals, the timing and intensity of these dynamic sleep processes in flies is homeostatically regulated and modulated by behavioral experience. Two molecules linked to synaptic plasticity regulate the intensity of the first deep sleep stage. Optogenetic upregulation of cyclic adenosine monophosphate during the day increases sleep intensity at night, whereas loss of function of a molecule involved in synaptic pruning, the fragile-X mental retardation protein, increases sleep intensity during the day. Our results show that sleep is not homogenous in insects, and suggest that waking behavior and the associated synaptic plasticity mechanisms determine the timing and intensity of deep sleep stages in Drosophila

In vivo expansion of functionally integrated GABAergic interneurons by targeted increase in neural progenitors.

A central hypothesis for brain evolution is that it might occur via expansion of progenitor cells and subsequent lineage-dependent formation of neural circuits. Here, we report in vivo amplification and functional integration of lineage-specific circuitry in Drosophila Levels of the cell fate determinant Prospero were attenuated in specific brain lineages within a range that expanded not only progenitors but also neuronal progeny, without tumor formation. Resulting supernumerary neural stem cells underwent normal functional transitions, progressed through the temporal patterning cascade, and generated progeny with molecular signatures matching source lineages. Fully differentiated supernumerary gamma-amino butyric acid (GABA)-ergic interneurons formed functional connections in the central complex of the adult brain, as revealed by in vivo calcium imaging and open-field behavioral analysis. Our results show that quantitative control of a single transcription factor is sufficient to tune neuron numbers and clonal circuitry, and provide molecular insight into a likely mechanism of brain evolution

Recherche de nouveaux mutants de mémoire à long terme chez la drosophile

Composition du jury : Liste non exhaustiveConnaître la nature des empreintes mnésiques, comprendre les mécanismes présidant à la construction des souvenirs, leur stockage et leur rappel, en fait savoir comment nous apprenons et nous nous souvenons, cela reste une question majeure des recherches neurobiologiques. Mais il ne s'agit pas seulement de comprendre un mécanisme (celui de se souvenir) mais aussi, à la lumière de son fonctionnement, de développer des stratégies thérapeuthiques destinées à compenser des dysfonctionnements mnésiques qui surviennent avec l'âge, ou lors d'atteintes neuropathologiques. La mémoire est supposée émerger d'un ensemble de modifications au sein des circuits ou réseaux neuronaux qui traitent l'information environnementale. Etant donné la complexité du phénomène et du cerveau, la compréhension des mécanismes sous-jacents à la mémorisation nécessite plusieurs approches. Mon projet de recherche fut d'utiliser les progrès de la génétique et les capacités comportementales de la drosophile pour découvrir de nouveaux gènes impliqués dans des processus mnésiques à long terme. Grâce à un conditionnement olfactif de type pavlovien, associant odeur et chocs électriques, nous avons criblé une centaine de lignées transgéniques présentant une insertion d'un élément transposable dans un gène s'exprimant au niveau des corps pédonculés qui sont le centre anatomique de la mémoire olfactive. Ce crible a ainsi permis l'identification de deux nouvelles lignées mutantes pour la formation de la mémoire à long terme. Après avoir étudié les lignées P-Gal4, vérifié que l'anatomie des corps pédonculés ne présentait pas de défaut, nous avons identifié les gènes affectés, et construit des lignées exprimant des RNAi contre ces gènes. L'expression de ces RNAi uniquement à l'état adulte au niveau des corps pédonculés conduit à une chute spécifique de la mémoire à long terme. Les autres phases de mémoire sont normales. L'un de ces gènes est totalement inconnu et nécessitera d'autres études pour déterminer sa fonction biochimique et son fonctionnement. L'autre gène est debra, qui semble être impliqué dans des phénomènes d'ubiquitination.Non disponibl

Recherche et caractérisation de nouveaux mutants de mémoire à long terme chez la drosophile

Mon projet de recherche fut d utiliser les progrès de la génétique et les capacités comportementales de la drosophile pour découvrir de nouveaux gènes impliqués dans des processus mnésiques à long terme. Grâce à un conditionnement olfactif de type pavlovien, associant odeur et chocs électriques, nous avons criblé une centaines de lignées transgéniques présentant une insertion d un élément transposable dans un gène s exprimant au niveau des corps pédonculés qui sont le centre anatomique de la mémoire olfactive. Ce crible a ainsi permis l identification de deux nouvelles lignées mutantes pour la formation de la mémoire à long terme. Après avoir étudié les lignées P-Gal4, vérifié que l anatomie des corps pédonculés ne présentait pas de défaut, nous avons identifié les gènes affectés, et construit des lignées exprimant des RNAI contre ces gènes. L expression des RNAI uniquement à l état adulte au niveau des corps pédonculés conduit à une chute spécifique de la mémoire à long terme. Les autres phases de mémoire sont normales. L un de ces gènes est totalement inconnu et nécessitera d autres études pour déterminer sa fonction biochimique et son fonctionnement. L autre gène est debra, qui semble être impliqué dans des phénomènes d ubiquitination.ORSAY-PARIS 11-BU Sciences (914712101) / SudocSudocFranceF

Taking a new look at how flies learn

Learning based on what a fruit fly sees or what it smells might not involve distinct parts of the brain, as was previously thought

Explaining general anesthesia: A two-step hypothesis linking sleep circuits and the synaptic release machinery

Several general anesthetics produce their sedative effect by activating endogenous sleep pathways. We propose that general anesthesia is a two-step process targeting sleep circuits at low doses, and synaptic release mechanisms across the entire brain at the higher doses required for surgery. Our hypothesis synthesizes data from a variety of model systems, some which require sleep (e.g. rodents and adult flies) and others that probably do not sleep (e.g. adult nematodes and cultured cell lines). Non-sleeping systems can be made insensitive (or hypersensitive) to some anesthetics by modifying a single pre-synaptic protein, syntaxin1A. This suggests that the synaptic release machinery, centered on the highly conserved SNARE complex, is an important target of general anesthetics in all animals. A careful consideration of SNARE architecture uncovers a potential mechanism for general anesthesia, which may be the primary target in animals that do not sleep, but a secondary target in animals that sleep

In silico Interrogation of Insect Central Complex Suggests Computational Roles for the Ellipsoid Body in Spatial Navigation

The central complex in the insect brain is a composite of midline neuropils involved in processing sensory cues and mediating behavioral outputs to orchestrate spatial navigation. Despite recent advances, however, the neural mechanisms underlying sensory integration and motor action selections have remained largely elusive. In particular, it is not yet understood how the central complex exploits sensory inputs to realize motor functions associated with spatial navigation. Here we report an in silico interrogation of central complex-mediated spatial navigation with a special emphasis on the ellipsoid body. Based on known connectivity and function, we developed a computational model to test how the local connectome of the central complex can mediate sensorimotor integration to guide different forms of behavioral outputs. Our simulations show integration of multiple sensory sources can be effectively performed in the ellipsoid body. This processed information is used to trigger continuous sequences of action selections resulting in self-motion, obstacle avoidance and the navigation of simulated environments of varying complexity. The motor responses to perceived sensory stimuli can be stored in the neural structure of the central complex to simulate navigation relying on a collective of guidance cues, akin to sensory-driven innate or habitual behaviors. By comparing behaviors under different conditions of accessible sources of input information, we show the simulated insect computes visual inputs and body posture to estimate its position in space. Finally, we tested whether the local connectome of the central complex might also allow the flexibility required to recall an intentional behavioral sequence, among different courses of actions. Our simulations suggest that the central complex can encode combined representations of motor and spatial information to pursue a goal and thus successfully guide orientation behavior. Together, the observed computational features identify central complex circuitry, and especially the ellipsoid body, as a key neural correlate involved in spatial navigation