Abstract Binocular stereopsis requires the convergence of visual information from corresponding points in visual space seen by two different lines of sight. This may be achieved by superposition of retinal input from each eye onto the same downstream neurons via ipsi- and contralaterally projecting optic nerve fibers. Zebrafish larvae can perceive binocular cues during prey hunting but have exclusively contralateral retinotectal projections. Here we report brain activity in the tectal neuropil ipsilateral to the visually stimulated eye, despite the absence of ipsilateral retinotectal projections. This activity colocalizes with arbors of commissural neurons, termed intertectal neurons (ITNs), that connect the tectal hemispheres. ITNs are GABAergic, establish tectal synapses bilaterally and respond to small moving stimuli. ITN-ablation impairs capture swim initiation when prey is positioned in the binocular strike zone. We propose an intertectal circuit that controls execution of the prey-capture motor program following binocular localization of prey, without requiring ipsilateral retinotectal projections.

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.

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.

Abstract The ongoing activity of neuronal populations represents an internal brain state that influences how sensory information is processed to control behaviour. Conversely, external sensory inputs perturb network dynamics, resulting in lasting effects that persist beyond the duration of the stimulus. However, the relationship between these dynamics and circuit architecture and their impact on sensory processing, cognition and behaviour are poorly understood. By combining cellular-resolution calcium imaging with mechanistic network modelling, we aimed to infer the spatial and temporal network interactions in the zebrafish optic tectum that shape its ongoing activity and state-dependent responses to visual input. We showed that a simple recurrent network architecture, wherein tectal dynamics are dominated by fast, short range, excitation countered by long-lasting, activity-dependent suppression, was sufficient to explain multiple facets of population activity including intermittent bursting, trial-to-trial sensory response variability and spatially-selective response adaptation. Moreover, these dynamics also predicted behavioural trends such as selective habituation of visually evoked prey-catching responses. Overall, we demonstrate that a mechanistic circuit model, built upon a uniform recurrent connectivity motif, can estimate the incidental state of a dynamic neural network and account for experience-dependent effects on sensory encoding and visually guided behaviour.

Within reflex circuits, specific anatomical projections allow central neurons to relay sensations to effectors that generate movements. A major challenge is to relate anatomical features of central neural populations -- such as asymmetric connectivity -- to the computations the populations perform. To address this problem, we mapped the anatomy, modeled the function, and discovered a new behavioral role for a genetically-defined population of central vestibular neurons in rhombomeres 5-7 of larval zebrafish. First, we found that neurons within this central population project preferentially to motoneurons that move the eyes downward. Concordantly, when the entire population of asymmetrically-projecting neurons was stimulated collectively, only downward eye rotations were observed, demonstrating a functional correlate of the anatomical bias. When these neurons are ablated, fish failed to rotate their eyes following either nose-up or nose-down body tilts. This asymmetrically-projecting central population thus participates in both up and downward gaze stabilization. In addition to projecting to motoneurons, central vestibular neurons also receive direct sensory input from peripheral afferents. To infer whether asymmetric projections can facilitate sensory encoding or motor output, we modeled differentially-projecting sets of central vestibular neurons. Whereas motor command strength was independent of projection allocation, asymmetric projections enabled more accurate representation of nose-up stimuli. The model shows how asymmetric connectivity could enhance the representation of imbalance during nose-up postures while preserving gaze-stabilization performance. Finally, we found that central vestibular neurons were necessary for a vital behavior requiring maintenance of a nose-up posture: swim bladder inflation. These observations suggest that asymmetric connectivity in the vestibular system facilitates representation of ethologically-relevant stimuli without compromising reflexive behavior.

Abstract The goal of this protocol is to enable better characterisation of multiphoton microscopy hardware across a large user base. The scope of this protocol is purposefully limited to focus on hardware, touching on software and data analysis routines only where relevant. The intended audiences are scientists using and building multiphoton microscopes in their laboratories. The goal is that any scientist, not only those with optical expertise, can test whether their multiphoton microscope is performing well and producing consistent data over the lifetime of their system.

Saccades are rapid eye movements that are used by all species with good vision. They have been extensively studied, especially in vertebrates, and are understood to be controlled by a conserved brainstem circuit. However, despite the fact that saccades play important roles during diverse visually guided behaviours, little is known about whether their properties, including the manner in which they are coordinated with head/body movements, vary in the context of different visuomotor tasks. Here, we characterise the saccadic repertoire of larval zebrafish and identify five saccade types, defined by systematic differences in kinematics and binocular coordination. Each type was differentially expressed during visually guided behaviours. Conjugate saccades form a large group that are used in at least four contexts: Fast phases of the optokinetic nystagmus, visual scanning in stationary animals, and to shift or maintain gaze during locomotion. Convergent saccades play a specialised role during hunting and are coordinated with body movements to foveate prey. Furthermore, conjugate and convergent saccades follow distinct velocity main sequence relationships and show differences in the millisecond coordination of the eyes and body, pointing to differences in underlying neurophysiology. In summary, this study reveals unexpected diversity in horizontal saccades and predicts saccade type-specific neural activity patterns.

Abstract Animals construct diverse behavioural repertoires by moving a limited number of body parts with varied kinematics and patterns of coordination. There is evidence that distinct movements can be generated by changes in activity dynamics within a common pool of motoneurons, or by selectively engaging specific subsets of motoneurons in a task-dependent manner. However, in most cases we have an incomplete understanding of the patterns of motoneuron activity that generate distinct actions and how upstream premotor circuits select and assemble such motor programmes. In this study, we used two closely related but kinematically distinct types of saccadic eye movement in larval zebrafish as a model to examine circuit control of movement diversity. In contrast to the prevailing view of a final common pathway, we found that in oculomotor nucleus, distinct subsets of motoneurons were engaged for each saccade type. This type-specific recruitment was topographically organised and aligned with ultrastructural differ-ences in motoneuron morphology and afferent synaptic innervation. Medially located motoneu-rons were active for both saccade types and circuit tracing revealed a type-agnostic premotor pathway that appears to control their recruitment. By contrast, a laterally located subset of motoneurons was specifically active for hunting-associated saccades and received premotor in-put from pretectal hunting command neurons. Our data support a model in which generalist and action-specific premotor pathways engage distinct subsets of motoneurons to elicit varied movements of the same body part that subserve distinct behavioural functions.

The vertebrate eye originates from the eyefield, a domain of cells specified by a small number of transcription factors. In this study, we show that Tcf7la is one such transcription factor that acts cell-autonomously to specify the eye field in zebrafish. Despite the much-reduced eyefield in tcf7l1a mutants, these fish develop normal eyes revealing a striking ability of the eye to recover from a severe early phenotype. This robustness is not mediated through compensation by paralogous genes; instead, the smaller optic vesicle of tcf7l1a mutants shows delayed neurogenesis and continues to grow until it achieves approximately normal size. Although the developing eye is robust to the lack of Tcf7l1a function, it is sensitised to the effects of additional mutations. In support of this, a forward genetic screen identified mutations in hesx1, cct5 and gdf6a, which give synthetically enhanced eye specification or growth phenotypes when in combination with the tcf7l1a mutation.

1. Abstract Zebrafish telencephalon acquires an everted morphology by a two-step process that occurs from 1 to 5 days post-fertilization (dpf). Little is known about how this process affects the positioning of discrete telencephalic cell populations, hindering our understanding of how eversion impacts telencephalic structural organisation. In this study, we characterise the neurochemistry, cycle state and morphology of an EGFP positive (+) cell population in the telencephalon of Et( gata2 : EGFP ) bi105 transgenic fish during eversion and up to 20dpf. We map the transgene insertion to the early-growth-response-gene-3 ( egr3 ) locus and show that EGFP expression recapitulates endogenous egr3 expression throughout much of the pallial telencephalon. Using the gata2:EGFP bi105 transgene, in combination with other well-characterised transgenes and structural markers, we track the development of various cell populations in the zebrafish telencephalon as it undergoes the morphological changes underlying eversion. These datasets were registered to reference brains to form an atlas of telencephalic development at key stages of the eversion process (1dpf, 2dpf and 5dpf) and compared to expression in adulthood. Finally, we registered gata2:EGFP bi105 expression to the Zebrafish Brain Browser 6dpf reference brain (ZBB, see Marquart et al., 2015, 2017; Tabor et al. 2019), to allow comparison of this expression pattern with anatomical data already in ZBB.