Understanding how the nervous system recognizes salient stimuli in the environment and selects and executes the appropriate behavioral responses is a fundamental question in systems neuroscience. To facilitate the neuroethological study of visually guided behavior in larval zebrafish, we developed "virtual reality" assays in which precisely controlled visual cues can be presented to larvae whilst their behavior is automatically monitored using machine vision algorithms. Freely swimming larvae responded to moving stimuli in a size-dependent manner: they directed multiple low amplitude orienting turns (∼20°) toward small moving spots (1°) but reacted to larger spots (10°) with high-amplitude aversive turns (∼60°). The tracking of small spots led us to examine how larvae respond to prey during hunting routines. By analyzing movie sequences of larvae hunting paramecia, we discovered that all prey capture routines commence with eye convergence and larvae maintain their eyes in a highly converged position for the duration of the prey-tracking and capture swim phases. We adapted our virtual reality assay to deliver artificial visual cues to partially restrained larvae and found that small moving spots evoked convergent eye movements and J-turns of the tail, which are defining features of natural hunting. We propose that eye convergence represents the engagement of a predatory mode of behavior in larval fish and serves to increase the region of binocular visual space to enable stereoscopic targeting of prey.

Visuomotor circuits filter visual information and determine whether or not to engage downstream motor modules to produce behavioral outputs. However, the circuit mechanisms that mediate and link perception of salient stimuli to execution of an adaptive response are poorly understood. We combined a virtual hunting assay for tethered larval zebrafish with two-photon functional calcium imaging to simultaneously monitor neuronal activity in the optic tectum during naturalistic behavior. Hunting responses showed mixed selectivity for combinations of visual features, specifically stimulus size, speed, and contrast polarity. We identified a subset of tectal neurons with similar highly selective tuning, which show non-linear mixed selectivity for visual features and are likely to mediate the perceptual recognition of prey. By comparing neural dynamics in the optic tectum during response versus non-response trials, we discovered premotor population activity that specifically preceded initiation of hunting behavior and exhibited anatomical localization that correlated with motor variables. In summary, the optic tectum contains non-linear mixed selectivity neurons that are likely to mediate reliable detection of ethologically relevant sensory stimuli. Recruitment of small tectal assemblies appears to link perception to action by providing the premotor commands that release hunting responses. These findings allow us to propose a model circuit for the visuomotor transformations underlying a natural behavior.

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.

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.

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 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.

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.