Rodent seizure models have significantly contributed to our basic understanding of epilepsy. However, medically intractable forms of epilepsy persist and the fundamental mechanisms underlying this disease remain unclear. Here we show that seizures can be elicited in a simple vertebrate system e.g. zebrafish larvae (Danio rerio). Exposure to a common convulsant agent (pentylenetetrazole, PTZ) induced a stereotyped and concentration-dependent sequence of behavioral changes culminating in clonus-like convulsions. Extracellular recordings from fish optic tectum revealed ictal and interictal-like electrographic discharges after application of PTZ, which could be blocked by tetrodotoxin or glutamate receptor antagonists. Epileptiform discharges were suppressed by commonly used antiepileptic drugs, valproate and diazepam, in a concentration-dependent manner. Up-regulation of c-fos expression was also observed in CNS structures of zebrafish exposed to PTZ. Taken together, these results demonstrate that chemically-induced seizures in zebrafish exhibit behavioral, electrographic, and molecular changes that would be expected from a rodent seizure model. Therefore, zebrafish larvae represent a powerful new system to study the underlying basis of seizure generation, epilepsy and epileptogenesis.

Dravet syndrome is a catastrophic pediatric epilepsy with severe intellectual disability, impaired social development and persistent drug-resistant seizures. One of its primary monogenic causes are mutations in Nav1.1 (SCN1A), a voltage-gated sodium channel. Here we characterize zebrafish Nav1.1 (scn1Lab) mutants originally identified in a chemical mutagenesis screen. Mutants exhibit spontaneous abnormal electrographic activity, hyperactivity and convulsive behaviours. Although scn1Lab expression is reduced, microarray analysis is remarkable for the small fraction of differentially expressed genes (~3%) and lack of compensatory expression changes in other scn subunits. Ketogenic diet, diazepam, valproate, potassium bromide and stiripentol attenuate mutant seizure activity; seven other antiepileptic drugs have no effect. A phenotype-based screen of 320 compounds identifies a US Food and Drug Administration-approved compound (clemizole) that inhibits convulsive behaviours and electrographic seizures. This approach represents a new direction in modelling pediatric epilepsy and could be used to identify novel therapeutics for any monogenic epilepsy disorder. Scn1a encodes a voltage-gated sodium channel and mutations in this gene are implicated in epilepsy. Baraban et al. find that the compound clemizole is effective in blocking epilepsy-like seizures zebrafish with an Scn1adevelopmental mutation.

The cell death of inhibitory neurons, which originate far from the cortical areas to which they migrate during embryonic development, is determined autonomously rather than by competition for trophic signals from other cell types. It has long been known that apoptosis, a form of programmed cell death, eliminates young cells from developing tissues. In the field of neurobiology, it is widely believed that developmental neuronal-cell death results from cellular competition for environmentally derived survival signals that selects for an optimally sized and properly wired population of neurons. This study of developmental cell death in the mouse cortex in vivo, in vitro and after transplantation suggests that developmental neuronal-cell death is instead intrinsically determined for interneurons, the main inhibitory cells of the cerebral cortex. Cortical inhibitory circuits are formed by γ-aminobutyric acid (GABA)-secreting interneurons, a cell population that originates far from the cerebral cortex in the embryonic ventral forebrain. Given their distant developmental origins, it is intriguing how the number of cortical interneurons is ultimately determined. One possibility, suggested by the neurotrophic hypothesis1,2,3,4,5, is that cortical interneurons are overproduced, and then after their migration into cortex the excess interneurons are eliminated through a competition for extrinsically derived trophic signals. Here we characterize the developmental cell death of mouse cortical interneurons in vivo, in vitro and after transplantation. We found that 40% of developing cortical interneurons were eliminated through Bax (Bcl-2-associated X)-dependent apoptosis during postnatal life. When cultured in vitro or transplanted into the cortex, interneuron precursors died at a cellular age similar to that at which endogenous interneurons died during normal development. Over transplant sizes that varied 200-fold, a constant fraction of the transplanted population underwent cell death. The death of transplanted neurons was not affected by the cell-autonomous disruption of TrkB (tropomyosin kinase receptor B), the main neurotrophin receptor expressed by neurons of the central nervous system6,7,8. Transplantation expanded the cortical interneuron population by up to 35%, but the frequency of inhibitory synaptic events did not scale with the number of transplanted interneurons. Taken together, our findings indicate that interneuron cell death is determined intrinsically, either cell-autonomously or through a population-autonomous competition for survival signals derived from other interneurons.

Dravet syndrome is a catastrophic childhood epilepsy with early-onset seizures, delayed language and motor development, sleep disturbances, anxiety-like behaviour, severe cognitive deficit and an increased risk of fatality. It is primarily caused by de novo mutations of the SCN1A gene encoding a neuronal voltage-activated sodium channel. Zebrafish with a mutation in the SCN1A homologue recapitulate spontaneous seizure activity and mimic the convulsive behavioural movements observed in Dravet syndrome. Here, we show that phenotypic screening of drug libraries in zebrafish scn1 mutants rapidly and successfully identifies new therapeutics. We demonstrate that clemizole binds to serotonin receptors and its antiepileptic activity can be mimicked by drugs acting on serotonin signalling pathways e.g. trazodone and lorcaserin. Coincident with these zebrafish findings, we treated five medically intractable Dravet syndrome patients with a clinically-approved serotonin receptor agonist (lorcaserin, Belviq®) and observed some promising results in terms of reductions in seizure frequency and/or severity. Our findings demonstrate a rapid path from preclinical discovery in zebrafish, through target identification, to potential clinical treatments for Dravet syndrome.

Abstract Genetic engineering techniques have contributed to the now widespread use of zebrafish to investigate gene function, but zebrafish-based human disease studies, and particularly for neurological disorders, are limited. Here we used CRISPR-Cas9 to generate 40 single-gene mutant zebrafish lines representing catastrophic childhood epilepsies. We evaluated larval phenotypes using electrophysiological, behavioral, neuro-anatomical, survival and pharmacological assays. Phenotypes with unprovoked electrographic seizure activity (i.e., epilepsy) were identified in zebrafish lines for 8 genes; ARX, EEF1A, GABRB3, GRIN1, PNPO, SCN1A, STRADA and STXBP1 . A unifying epilepsy classification scheme was developed based on local field potential recordings and blinded scoring from ~3300 larvae. We also created an open-source database containing sequencing information, survival curves, behavioral profiles and representative electrophysiology data. We offer all zebrafish lines as a resource to the neuroscience community and envision them as a starting point for further functional analysis and/or identification of new therapies.

Abstract Neurological and psychiatric disorders are associated with pathological neural dynamics. The fundamental connectivity patterns of cell-cell communication networks that enable pathological dynamics to emerge remain unknown. We studied epileptic circuits using a newly developed integrated computational pipeline applied to cellular resolution functional imaging data. Control and preseizure neural dynamics in larval zebrafish and in chronically epileptic mice were captured using large-scale cellular-resolution calcium imaging. Biologically constrained effective connectivity modeling extracted the underlying cell-cell communication network. Novel analysis of the higher-order network structure revealed the existence of ‘superhub’ cells that are unusually richly connected to the rest of the network through feedforward motifs. Instability in epileptic networks was causally linked to superhubs whose involvement in feedforward motifs critically enhanced downstream excitation. Disconnecting individual superhubs was significantly more effective in stabilizing epileptic networks compared to disconnecting hub cells defined traditionally by connection count. Collectively, these results predict a new, maximally selective and minimally invasive cellular target for seizure control. Highlights Higher-order connectivity patterns of large-scale neuronal communication networks were studied in zebrafish and mice Control and epileptic networks were modeled from in vivo cellular resolution calcium imaging data Rare ‘superhub’ cells unusually richly connected to the rest of the network through higher-order feedforward motifs were identified Disconnecting single superhub neurons more effectively stabilized epileptic networks than targeting conventional hub cells defined by high connection count. These data predict a maximally selective novel single cell target for minimally invasive seizure control

Abstract Interneuron progenitor transplantation can ameliorate disease symptoms in a variety of neurological disorders. This strategy is based on transplantation of embryonic medial ganglionic eminence (MGE) progenitors. Elucidating host brain environment influences on interneuron progenitors as they integrate is critical to optimizing this strategy across different disease states. Here, we systematically evaluated age and brain region influences on survival, migration and differentiation of transplant-derived cells. We find that early postnatal MGE transplantation yields superior survival and more extensive migratory capabilities compared to juvenile or adult. MGE progenitors migrate more widely in cortex compared to hippocampus. Maturation to interneuron subtypes is regulated by age and brain region. MGE progenitors transplanted into dentate gyrus sub-region of early postnatal hippocampus can differentiate into astrocytes. Our results suggest that host brain environment critically regulates survival, spatial distribution and maturation of MGE-derived interneurons following transplantation. These findings inform and enable optimal conditions for interneuron transplant therapies.

Abstract Background Domoic acid (DA) is a naturally occurring neurotoxin harmful to marine animals and humans. California sea lions exposed to DA in prey during algal blooms along the Pacific coast exhibit significant neurological symptoms, including epilepsy with hippocampal atrophy. Observations Here we describe a xenotransplantation procedure to deliver interneuron progenitor cells into the damaged hippocampus of an epileptic sea lion with suspected DA toxicosis. The sea lion has had no evidence of seizures following the procedure, and clinical measures of well-being including weight and feeding habits have stabilized. Lessons These preliminary results suggest xenotransplantation has improved the quality-of-life (QOL) for this animal and holds tremendous therapeutic promise.