Animals use information about gravity and other destabilizing forces to balance and navigate through their environment. Measuring how brains respond to these forces requires considerable technical knowledge and/or financial resources. We present a simple alternative: Tilt In Place Microscopy (TIPM). TIPM is a low-cost and non-invasive way to measure neural activity following rapid changes in body orientation. Here we used TIPM to study vestibulospinal neurons in larval zebrafish during and immediately after roll tilts. Vestibulospinal neurons responded with reliable increases in activity that varied as a function of ipsilateral tilt amplitude. TIPM differentiated tonic (i.e. sustained tilt) from phasic responses, revealing coarse topography of stimulus sensitivity in the lateral vestibular nucleus. Neuronal variability across repeated sessions was minor relative to trial-to-trial variability, allowing us to use TIPM for longitudinal studies of the same neurons across two developmental timepoints. There, we observed global increases in response strength, and systematic changes in the neural representation of stimulus direction. Our data extend classical characterization of the body tilt representation by vestibulospinal neurons and establish TIPM’s utility to study the neural basis of balance, especially in developing animals. Significance Statement Vestibular sensation influences everything from navigation to interoception. Here we detail a straight-forward, validated and nearly-universal approach to image how the nervous system senses and responds to body tilts. We use our new method to replicate and expand upon past findings of tilt sensing by a conserved population of spinal-projecting vestibular neurons. The simplicity and broad compatibility of our approach will democratize the study of the brain’s response to destabilization, particularly across development.

Balance and movement are impaired in a wide variety of neurological disorders. Recent advances in behavioral monitoring provide unprecedented access to posture and locomotor kinematics, but without the throughput and scalability necessary to screen candidate genes / potential therapeutics. We present a powerful solution: a Scalable Apparatus to Measure Posture and Locomotion (SAMPL). SAMPL includes extensible imaging hardware and low-cost open-source acquisition software with real-time processing. We first demonstrate that SAMPL's hardware and acquisition software can acquire data from from D. melanogaster, C. elegans, and D. rerio as they move vertically. Next, we leverage SAMPL's throughput to rapidly (two weeks) gather a new zebrafish dataset. We use SAMPL's analysis and visualization tools to replicate and extend our current understanding of how zebrafish balance as they navigate through a vertical environment. Next, we discover (1) that key kinematic parameters vary systematically with genetic background, and (2) that such background variation is small relative to the changes that accompany early development. Finally, we simulate SAMPL's ability to resolve differences in posture or vertical navigation as a function of affect size and data gathered -- key data for screens. Taken together, our apparatus, data, and analysis provide a powerful solution for labs using small animals to investigate balance and locomotor disorders at scale. More broadly, SAMPL is both an adaptable resource for labs looking process videographic measures of behavior in real-time, and an exemplar of how to scale hardware to enable the throughput necessary for screening.

ABSTRACT Locomotion requires precise control of the strength and speed of muscle contraction and is achieved by recruiting functionally-distinct subtypes of motor neurons (MNs). MNs are essential to movement and differentially susceptible in disease, but little is known about how MNs acquire functional subtype-specific features during development. Using single-cell RNA profiling in embryonic and larval zebrafish, we identify novel and conserved molecular signatures for MN functional subtypes, and identify genes expressed in both early post-mitotic and mature MNs. Assessing MN development in genetic mutants, we define a molecular program essential for MN functional subtype specification. Two evolutionarily-conserved transcription factors, Prdm16 and Mecom, are both functional subtype-specific determinants integral for fast MN development. Loss of prdm16 or mecom causes fast MNs to develop transcriptional profiles and innervation similar to slow MNs. These results reveal the molecular diversity of vertebrate axial MNs and demonstrate that functional subtypes are specified through intrinsic transcriptional codes.

ABSTRACT The sensation of gravity anchors our perception of the environment and is crucial for navigation. However, the neural circuits that transform gravity into commands for navigation are undefined. We first determined that larval zebrafish ( Danio rerio ) navigate vertically by maintaining a consistent heading across a series of upward climb or downward dive bouts. Gravity-blind mutant fish swim with more variable heading and excessive veering, leading to inefficient vertical navigation. After targeted photoablation of ascending vestibular neurons and spinal projecting midbrain neurons, but not vestibulospinal neurons, vertical navigation was impaired. These data define a sensorimotor circuit that uses evolutionarily-conserved brainstem architecture to transform gravitational signals into persistent heading for vertical navigation. The work lays a foundation to understand how vestibular inputs allow animals to move efficiently through their environment.

To control elevation underwater, aquatic vertebrates integrate multisensory information (e.g., vestibular, visual, proprioceptive) to guide posture and swim kinematics. Here we characterized how larval zebrafish changed posture and locomotive strategies after imposed instability (decreased buoyancy) in the presence and absence of visual cues. We discovered that larvae sank more after acute loss of lateral line (flow-sensing) hair cells. In response, larvae engaged different compensatory strategies, depending on whether they were in the light or dark. In the dark, larvae swam more frequently, engaging their trunk to steer their nose up and climb more effectively. However, in the light, larvae climbed more often, engaging both pectoral fins and trunk to elevate. We conclude that larvae sense instability and use vestibular and visual information as available to control posture and trajectory. Our work is a step towards understanding the multisensory neural computations responsible for control strategies that allow orientation and navigation in depth.