ABSTRACT Motile cilia defects impair cerebrospinal fluid (CSF) flow, and can cause brain and spine disorders. To date, the development of ciliated cells, their impact on CSF flow and their function in brain and axial morphogenesis are not fully understood. Here, we have characterized motile ciliated cells within the zebrafish brain ventricles. We show that the ventricular surface undergoes significant restructuring through development, involving a transition from mono- to multiciliated cells (MCCs) driven by gmnc. MCCs are translationally polarized, co-exist with monociliated cells and generate directional flow patterns. Moreover, these ciliated cells have different developmental origins, and are genetically heterogenous with respect to expression of the Foxj1 family of ciliary master regulators. Finally, we show that cilia loss from specific brain regions or global perturbation of multiciliation does not affect overall brain or spine morphogenesis, but results in enlarged ventricles. Our findings establish that motile ciliated cells are generated by complementary and sequential transcriptional programs to support ventricular development.

The brain uses a specialized system to transport cerebrospinal fluid (CSF). This system consists of interconnected ventricles lined by ependymal cells, which generate a directional flow upon beating of their motile cilia. Motile cilia act jointly with other physiological factors, including active CSF secretion and cardiac pressure gradients, to regulate CSF dynamics. The content and movement of CSF are thought to be important for brain physiology. Yet, the link between cilia-mediated CSF flow and brain function is poorly understood. In this study, we addressed the role of motile cilia-mediated CSF flow on brain development and physiology using zebrafish larvae as a model system. By analyzing mutant animals with paralyzed cilia, we identified that loss of ciliary motility did not alter progenitor proliferation, overall brain morphology, or spontaneous neural activity. Instead, we identified that cilia paralysis led to randomization of brain asymmetry. We also observed altered neuronal responses to photic stimulation, especially in the optic tectum and hindbrain. Since astroglia contact CSF at the ventricular walls and are essential for regulating neuronal activity, we next investigated astroglial activity in motile cilia mutants. Our analyses revealed a striking reduction in astroglial calcium signals both during spontaneous and light-evoked activity. Altogether, our findings highlight a novel role of motile cilia-mediated flow in regulating brain physiology through modulation of neural and astroglial networks.

Cilia are slender, hair-like structures extending from cell surfaces and playing essential roles in diverse physiological processes. Within the nervous system, primary cilia contribute to signaling and sensory perception, while motile cilia facilitate cerebrospinal fluid flow. Here, we investigated the impact of ciliary loss on neural circuit development using a zebrafish line displaying ciliogenesis defects. We found that cilia loss after neurulation affects neurogenesis and brain morphology, and lead to altered gene expression profiles. Using whole brain calcium imaging, we measured reduced light-evoked and spontaneous neuronal activity in all brain regions. By shedding light on the intricate role of cilia in neural circuit formation and function in the zebrafish, our work highlights their evolutionary conserved role in the brain and set the stage for future analysis of ciliopathy models.

ABSTRACT In vertebrates, olfactory receptors localize on multiple cilia elaborated on dendritic knobs of olfactory sensory neurons (OSNs). Although olfactory cilia dysfunction can cause anosmia, how their differentiation is programmed at the transcriptional level has remained largely unexplored. We discovered in zebrafish and mice that Foxj1, a forkhead domain-containing transcription factor linked with motile cilia biogenesis, is expressed in OSNs and required for olfactory epithelium (OE) formation. In keeping with the immotile nature of olfactory cilia, we observed that ciliary motility genes are repressed in zebrafish, mouse, and human OSNs. Strikingly, we also found that besides ciliogenesis, Foxj1 controls the differentiation of the OSNs themselves by regulating their cell type-specific gene expression, such as that of olfactory marker protein ( omp ) involved in odor-evoked signal transduction. In line with this, response to bile acid, an odor detected by OMP-positive OSNs, was significantly diminished in foxj1 mutant zebrafish. Taken together, our findings establish how the canonical Foxj1-mediated motile ciliogenic transcriptional program has been repurposed for the biogenesis of immotile olfactory cilia and for development of the OSNs.