Abstract During development, the complex neuronal circuitry of the brain arises from limited information contained in the genome. After the genetic code instructs the birth of neurons, the emergence of brain regions, and the formation of axon tracts, it is believed that neuronal activity plays a critical role in shaping circuits for behavior. Current AI technologies are modeled after the same principle: connections in an initial weight matrix are pruned and strengthened by activity-dependent signals until the network can sufficiently generalize a set of inputs into outputs. Here, we challenge these learning-dominated assumptions by quantifying the contribution of neuronal activity to the development of visually guided swimming behavior in larval zebrafish. Intriguingly, dark-rearing zebrafish revealed that visual experience has no effect on the emergence of the optomotor response (OMR). We then raised animals under conditions where neuronal activity was pharmacologically silenced from organogenesis onward using the sodium-channel blocker tricaine. Strikingly, after washout of the anesthetic, animals performed swim bouts and responded to visual stimuli with 75% accuracy in the OMR paradigm. After shorter periods of silenced activity OMR performance stayed above 90% accuracy, calling into question the importance and impact of classical critical periods for visual development. Detailed quantification of the emergence of functional circuit properties by brain-wide imaging experiments confirmed that neuronal circuits came ‘online’ fully tuned and without the requirement for activity-dependent plasticity. Thus, we find that complex sensory guided behaviors can be wired up by activity-independent developmental mechanisms.

Abstract Complex schooling behaviors result from local interactions among individuals. Yet, how sensory signals from neighbors are analyzed in the visuomotor stream of animals is poorly understood. Here, we studied aggregation behavior in larval zebrafish and found that over development larvae transition from overdispersed groups to tight shoals. Using a virtual reality assay, we characterized the algorithms fish use to transform visual inputs from neighbors into movement decisions. We found that young larvae turn away from retinal “clutter” by integrating and averaging retina-wide visual inputs within each eye, and by using a winner-take-all strategy for binocular integration. As fish mature, their responses expand to include attraction to low retinal clutter, that is based on similar algorithms of visual integration. Using model simulations, we show that the observed algorithms accurately predict group structure over development. These findings allow us to make testable predictions regarding the neuronal circuits underlying collective behavior in zebrafish.

Abstract Salinity levels constrain the habitable environment of all aquatic organisms. Zebrafish are freshwater fish that cannot tolerate high salt environments and would, therefore, benefit from neural mechanisms that enable the navigation of salt gradients to avoid high salinity. Yet, zebrafish lack epithelial sodium channels, the primary conduit land animals use to taste sodium. This suggests fish may possess novel, undescribed mechanisms for salt detection. In the present study, we show that zebrafish, indeed, respond to small temporal increases in salt by reorienting more frequently. Further, we use calcium imaging techniques to identify the olfactory system as the primary sense used for salt detection, and we find that a specific subset of olfactory receptor neurons encodes absolute salinity concentrations by detecting monovalent anions and cations. In summary, our study establishes that zebrafish larvae have the ability to navigate, and thus detect salinity gradients, and that this is achieved through previously undescribed sensory mechanisms for salt detection.

Abstract Motor systems must continuously adapt their output to maintain a desired trajectory. While the spinal circuits underlying rhythmic locomotion are well described, little is known about how the network modulates its output strength. A major challenge has been the difficulty of recording from spinal neurons during behavior. Here, we use voltage imaging to map the membrane potential of glutamatergic neurons throughout the spinal cord of the larval zebrafish during fictive swimming in a virtual environment. We mapped the spiking, subthreshold dynamics, relative timing, and sub-cellular electrical propagation across large populations of simultaneously recorded cells. We validated the approach by confirming properties of known sub-types, and we characterized a yet undescribed sub-population of tonic-spiking ventral V3 neurons whose spike rate correlated with swimming strength and bout length. Optogenetic activation of V3 neurons led to stronger swimming and longer bouts but did not affect tail-beat frequency. Genetic ablation of V3 neurons led to reduced locomotor adaptation. The power of voltage imaging allowed us to identify V3 neurons as a critical driver of locomotor adaptation in zebrafish.

Abstract Habituation allows animals to learn to ignore persistent but inconsequential stimuli. Despite being the most basic form of learning, a consensus model on the underlying mechanisms has yet to emerge. To probe relevant mechanisms we took advantage of a visual habituation paradigm in larval zebrafish, where larvae reduce their reactions to abrupt global dimming (a dark flash). We used Ca 2+ imaging during repeated dark flashes and identified 12 functional classes of neurons that differ based on their rate of adaptation, stimulus response shape, and anatomical location. While most classes of neurons depressed their responses to repeated stimuli, we identified populations that did not adapt, or that potentiated their response. These neurons were distributed across brain areas, consistent with a distributed learning process. Using a small molecule-screening approach, we confirmed that habituation manifests from multiple distinct molecular mechanisms, and we have implicated molecular pathways in habituation, including: Melatonin, Estrogen and GABA signaling. However, by combining anatomical analyses and pharmacological manipulations with Ca 2+ imaging, we failed to identify a simple relationship between pharmacology, altered activity patterns, and habituation behaviour. Collectively, our work indicates that habituation occurs via a complex and distributed plasticity processes that cannot be captured by a simple model. Therefore, untangling the mechanisms of habituation will likely require dedicated approaches aimed at sub-component mechanisms underlying this multidimensional learning process.

Abstract Since Darwin, coordinated movement of animal groups has been believed to be essential to species survival, but it is not understood how changes in the genetic makeup of individuals might alter behavior of the collective. Here we find that even at the early larval stage, zebrafish regulate their proximity and alignment with each other. Two simple visual responses, one that measures relative visual field occupancy and the other global visual motion, suffice to account for the group behavior that emerges. We analyze how mutations in genes known to affect social behavior of humans perturb these simple reflexes in larval zebrafish and thereby affect their collective behaviors. We use model simulations to show that changes in reflexive responses of individual mutant animals predict well the distinctive collective patterns that emerge in a group. Hence group behaviors reflect in part genetically defined primitive sensorimotor “motifs”, which are evident even in young larvae.

SUMMARY To thrive, organisms must maintain physiological and environmental variables in optimal ranges. However, in a dynamic world, the optimal range of a variable might fluctuate depending on the organism’s state or environmental conditions. Given these fluctuations, how do biological control systems maintain optimal control of physiological and environmental variables? We explored this question by studying the phototactic behavior of larval zebrafish. We demonstrate, with behavioral experiments and computational modeling, that larval zebrafish use phototaxis to maintain environmental luminance at a set point that depends on luminance history. We further show that fish compute this set point using information from both eyes, and that the set point fluctuates on a timescale of seconds when environmental luminance changes. These results expand on previous studies, where phototaxis was found to be primarily positive, and suggest that larval zebrafish, rather than consistently turning towards the brighter areas, exert homeostatic control over the luminance of their surroundings. Furthermore, we show that fluctuations in the surrounding luminance feed back on the system to drive allostatic changes to the luminance set point. Our work has uncovered a novel principle underlying phototaxis in larval zebrafish and characterized a behavioral algorithm by which larval zebrafish exert control over a sensory variable.

Abstract Both neurons and glia communicate via diffusible neuromodulatory substances, but the substrates of computation in such neuromodulatory networks are unclear. During behavioral transitions in the larval zebrafish, the neuromodulator norepinephrine drives fast excitation and delayed inhibition of behavior and circuit activity. We find that the inhibitory arm of this feedforward motif is implemented by astroglial purinergic signaling. Neuromodulator imaging, behavioral pharmacology, and perturbations of neurons and astroglia reveal that norepinephrine triggers astroglial release of adenosine triphosphate, extracellular conversion into adenosine, and behavioral suppression through activation of hindbrain neuronal adenosine receptors. This work, along with a companion piece by Lefton and colleagues demonstrating an analogous pathway mediating the effect of norepinephrine on synaptic connectivity in mice, identifies a computational and behavioral role for an evolutionarily conserved astroglial purinergic signaling axis in norepinephrine-mediated behavioral and brain state transitions.

Abstract Larval zebrafish that are exposed repeatedly to dark looming stimuli will quickly habituate to these aversive signals and cease to respond with their stereotypical escape swims. A dark looming stimulus can be separated into two independent components: one that is characterized by an overall spatial expansion, where overall luminance is maintained at the same level, and a second, that represents an overall dimming within the whole visual field in the absence of any motion energy. Using specific stimulation patterns that isolate these independent components, we first extracted the behavioral algorithms that dictate how these separate information channels interact with each other and across the two eyes during the habituation process. Concurrent brain wide imaging experiments then permitted the construction of circuit models that suggest the existence of three separate neural pathways. The first is a looming channel which responds specifically to concentrically expanding edges and relays that information to the brain stem escape network to generate directed escapes. The second is a dimming specific channel that serves to support and amplify the looming pathway. While the looming channel operates in a purely monocular fashion where stimuli are relayed exclusively to the contralateral hemisphere, dimming responses are processed in both monocular and binocular pathways. Finally, we identify a third, separate and largely monocular, dimming channel that appears to specifically inhibit escape responses when activated. We propose that, unlike the first two channels, this third channel is under strong contextual modulation and that it is primarily responsible for the incremental silencing of successive dark looming evoked escapes.

Abstract Studying neural mechanisms in complementary model organisms from different ecological niches in the same animal class can leverage the comparative brain analysis at the cellular level. To advance such a direction, we developed a unified brain atlas platform and specialized tools that allowed us to quantitatively compare neural structures in two teleost larvae, medaka ( Oryzias latipes ) and zebrafish ( Danio rerio ). Leveraging this quantitative approach we found that most brain regions are similar but some subpopulations are unique in each species. Specifically, we confirmed the existence of a clear dorsal pallial region in the telencephalon in medaka lacking in zebrafish. Further, our approach allows for extraction of differentially expressed genes in both species, and for quantitative comparison of neural activity at cellular resolution. The web-based and interactive nature of this atlas platform will facilitate the teleost community’s research and its easy extensibility will encourage contributions to its continuous expansion.