Regeneration of myelin (remyelination) in the central nervous system (CNS) has long been thought to be principally mediated by newly generated oligodendrocytes, a premise underpinning therapeutic strategies for demyelinating diseases, including multiple sclerosis (MS). Recent studies have indicated that oligodendrocytes that survive demyelination can also contribute to remyelination, including in MS, but it is unclear how remyelination by surviving oligodendrocytes compares to that of newly generated oligodendrocytes. Here we studied oligodendrocytes in MS, and also imaged remyelination in vivo by surviving and new oligodendrocytes using zebrafish. We define a previously unappreciated pathology in MS, myelination of neuronal cell bodies, which is recapitulated during remyelination by surviving oligodendrocytes in zebrafish. Live imaging also revealed that surviving oligodendrocytes make very few new sheaths, but can support sheath growth along axons. In comparison, newly made oligodendrocytes make abundant new sheaths, properly targeted to axons, and exhibit a much greater capacity for regeneration.

To study activity-regulated myelination, we imaged synaptic vesicle fusion along single axons in living zebrafish, and found, surprisingly, that axonal synaptic vesicle fusion is driven by myelination. This myelin-induced axonal vesicle fusion was enriched along the unmyelinated domains into which newly-formed sheaths grew, and was promoted by neuronal activity, which in turn accelerated sheath growth. Our results indicate that neuronal activity consolidates sheath growth along axons already selected for myelination.

Abstract Myelinating Schwann cells of the peripheral nervous system (PNS) express numerous ion channels and transporters, and have the capacity to respond to neuronal activity. However, it remains unknown how the response of Schwann cells to neuronal activity affects peripheral nerve formation, health or function in vivo. Through a genetic screen in zebrafish, we identified a mutant, ue58 , with severe disruption to the morphology of myelin along peripheral nerves and associated nerve oedema. Molecular analyses indicated that this phenotype was caused by the loss of function of a previously uncharacterized gene, slc12a2b , which encodes a zebrafish paralog of the solute carrier NKCC1. NKCC1 is a co-transporter of Na + , K + , and Cl − ions and water, typically from the extracellular space into cells. Upon impairing slc12a2b function, constitutively, or specifically in neurons or myelinating Schwann cells, we observed disruption to myelin and nerve oedema. Strikingly, we found that treatment of slc12a2b mutants with TTX completely prevented the emergence of these pathologies. Furthermore, TTX treatment rescued pathology in animals with cell-type specific loss of slc12a2b from myelinating Schwann cells. Together our data indicate that NKCC1 regulates ion homeostasis following neuronal activity and that this is required to maintain myelinated axon and peripheral nerve integrity.

ABSTRACT Myelin sheaths in the CNS are generated by the tips of oligodendrocyte processes, which wrap axons to accelerate action potential conduction, provide metabolic support and control excitability. Here we identify a distinct mode of myelination, conserved between zebrafish, mouse and human, in which oligodendrocytes extend myelin along individual axons by linking myelin sheaths across nodes of Ranvier (NoR). By forming thin extensions that cross NoR, which we term paranodal bridges, multiple sheaths can be connected to the soma by a single cytoplasmic process. Extensive in vivo live imaging-based analyses, complemented by serial electron microscopic reconstruction of paranodal bridges, revealed that many oligodendrocytes use this strategy to generate longer stretches of myelin along individual axons. In the mouse somatosensory cortex, paranodal bridges were particularly prevalent along the highly branched axons of parvalbumin expressing (PV) interneurons, which enabled oligodendrocytes to extend myelin sheaths around axon bifurcations. Sheaths at the distal ends of these chains of myelin degenerated more frequently in aged mice, suggesting that they may be more vulnerable to the aging brain environment. This previously undescribed and evolutionarily conserved feature of oligodendrocytes extends myelin coverage of individual axons without new oligodendrogenesis, which may reduce metabolic demand and preserve the fidelity of action potential propagation at axon branch points.

Myelination is essential for central nervous system (CNS) formation, health and function. As a model organism, larval zebrafish have been extensively employed to investigate the molecular and cellular basis of CNS myelination, due to their genetic tractability and suitability for non-invasive live cell imaging. However, it has not been assessed to what extent CNS myelination affects neural circuit function in zebrafish larvae, prohibiting the integration of molecular and cellular analyses of myelination with concomitant network maturation. To test whether larval zebrafish might serve as a suitable platform with which to study the effects of CNS myelination and its dysregulation on circuit function, we generated zebrafish myelin regulatory factor ( myrf ) mutants with CNS-specific hypomyelination and investigated how this affected their axonal conduction properties and behaviour. We found that myrf mutant larvae exhibited increased latency to perform startle responses following defined acoustic stimuli. Furthermore, we found that hypomyelinated animals often selected an impaired response to acoustic stimuli, exhibiting a bias towards reorientation behaviour instead of the stimulus-appropriate startle response. To begin to study how myelination affected the underlying circuitry, we established electrophysiological protocols to assess various conduction properties along single axons. We found that the hypomyelinated myrf mutants exhibited reduced action potential conduction velocity and an impaired ability to sustain high frequency action potential firing. This study indicates that larval zebrafish can be used to bridge molecular and cellular investigation of CNS myelination with multiscale assessment of neural circuit function.

Summary Central nervous system neurons have axons that vary over 100-fold in diameter. This diversity contributes to the regulation of myelination and conduction velocity along axons, which is critical for proper nervous system function. Despite this importance, technical challenges have limited our understanding of mechanisms controlling axon diameter growth, preventing systematic dissection of how manipulating diameter affects conduction along individual axons. Here, we establish zebrafish as system to investigate the regulation of axon diameter and axonal conduction in vivo . We identify a role for importin 13b specifically in axon diameter growth, that is independent of axonal length and overall cell size. Impairment of diameter growth along individual myelinated axons reduced conduction velocity in proportion to the diameter, but had no effect on the precision of action potential propagation or ability to fire at high frequencies. This work highlights an axon diameter-specific mechanism of growth that regulates conduction speeds along myelinated axons.