Encountering and adaptively responding to unfamiliar or novel stimuli is a fundamental challenge facing animals and is linked to fitness. Behavioral responses to novel stimuli can differ strongly between closely related species; however, the ecological and evolutionary factors underlying these differences are not well understood, in part because most comparative investigations have focused on only two species. In this study, we investigate behavioral responses to novel environments, or exploratory behaviors, sampling from a total of 20 species in a previously untested vertebrate system, Lake Malawi cichlid fishes, which comprises hundreds of phenotypically diverse species that have diverged in the past one million years. We show generally conserved behavioral response patterns to different types of environmental stimuli in Lake Malawi cichlids, spanning multiple assays and paralleling other teleost and rodent lineages. Next, we demonstrate that more specific dimensions of exploratory behavior vary strongly among Lake Malawi cichlids, and that a large proportion of this variation is explained by species differences. We further show that species differences in open field behaviors are explained by microhabitat and by a major evolutionary split between the mbuna and benthic/utaka radiations in Lake Malawi. Lastly, we track some individuals across a subset of behavioral assays and show that patterns of behavioral covariation across contexts are characteristic of modular complex traits. Taken together, our results tie ecology and evolution to natural behavioral variation, and highlight Lake Malawi cichlids as a powerful system for understanding the biological basis of exploratory behaviors.

Variation in stress responses between individuals is linked to factors ranging from stress coping styles to sensitivity of neurotransmitter systems. Many anxiolytic compounds (e.g. ethanol) can increase stressor engagement through modulation of neurotransmitter systems and are used to investigate stress response mechanisms. Here we assessed the role of the GABAA system on the variation of the behavioral stress response by comparing individuals differing in stress coping styles that were chronically treated with ethanol. Specifically, we investigated resulting changes in stress-related behavior and whole-brain GABAA receptor subunits ( gabra1 , gabra2 , gabrd , & gabrg2 ) in response to a novelty stressor. There were significant main and interaction effects on two stress-related behaviors, where the ethanol-treated proactive individuals showed lower stress-related behaviors than their reactive counterparts. Proactive individuals showed significantly higher expression of gabra1 , gabra2 , and gabrg2 compared to reactive individuals and ethanol treatment resulted in upregulation of gabra1 and gabrg2 in both stress coping styles. These results show that differences in stress-related behaviors between stress coping styles may be facilitated in part by expression of select GABAA receptor subunits.

Animals frequently overcome stressors and the ability to learn and recall these salient experiences is essential to an individual's survival. As part of an animal's stress coping style, behavioral and physiological responses to stressors are often consistent across contexts and time. However, we are only beginning to understand how cognitive traits can be biased by different coping styles. Here we investigate learning and memory differences in zebrafish (Danio rerio) displaying proactive and reactive stress coping styles. We assessed learning rate and memory duration using an associative fear conditioning paradigm that trained zebrafish to associate a context with exposure to a natural olfactory alarm cue. Our results show that both proactive and reactive zebrafish learn and remember this fearful association. However, we note significant interaction effects between stress coping style and cognition. Zebrafish with the reactive stress coping style acquired the fear memory at a significantly faster rate than proactive fish. While both stress coping styles showed equal memory recall one day post-training, reactive zebrafish showed significantly stronger recall of the conditioned context relative to proactive fish four days post-training. Through understanding how stress coping strategies promote biases in processing salient information, we gain insight into mechanisms that can constrain adaptive behavioral responses.

Abstract Animals differ in their ability to learn. One potential factor contributing to learning differences is personality types. We investigated the relationship between learning and the bold-shy continuum by testing learning performance of bold and shy zebrafish across two associative learning tasks: conditioned place preference (CPP) and 2 choice. Bold fish learned significantly faster than the shy fish but there were no differences in the magnitude of change in behavior between the personality types in CPP. When tested in the 2 choice task, we found no clear evidence of learning between personality types or controls. Overall, our study suggests that bold fish tend to be faster learners when compared to shy fish. The lack of differences in the final change in behavior suggests that the learning difference is due to neophobic tendencies and resulting initial interactions with the learning stimulus.

Abstract Different animal behavioral phenotypes maintained and selectively bred over multiple generations may be underscored by dissimilar gut microbial community compositions or not have any significant dissimilarity in community composition. Operating within the microbiota-gut-brain axis framework, we anticipated differences in gut microbiome profiles between zebrafish ( Danio rerio ) selectively bred to display the bold and shy personality types. This would highlight gut microbe-mediated effects on host behavior. To this end, we amplified and sequenced a fragment of the 16S rRNA gene from the guts of bold and shy zebrafish individuals (n=10) via Miseq. We uncovered no significant difference in within-group microbial diversity nor between-group microbial community composition of the two behavioral phenotypes. Interestingly, though not statistically different, we determined that the gut microbial community of the bold phenotype was dominated by Burkholderiaceae, Micropepsaceae, and Propionibacteriaceae . In contrast, the shy phenotype was dominated by Beijerinckaceae, Pirelullacaeae, Rhizobiales_Incertis_Sedis , and Rubinishaeraceae. The absence of any significant difference in gut microbiota profiles between the two phenotypes would suggest that in this species, there might exist a stable “core” gut microbiome, regardless of behavioral phenotypes, and or possibly, a limited role for the gut microbiota in modulating this selected-for host behavior. This is the first study to characterize the gut microbial community of distinct innate behavioral phenotypes of the zebrafish (that are not considered dysbiotic states) and not rely on antibiotic or probiotic treatments to induce changes in behavior. Such studies are crucial to our understanding of the modulating impacts of the gut microbiome on normative animal behavior.

Abstract Learning to anticipate potentially dangerous contexts is an adaptive behavioral response to coping with stressors. An animal’s stress coping style (e.g. proactive-reactive axis) is known to influence how it encodes salient events. However, the neural and molecular mechanisms underlying these stress coping style differences in learning are unknown. Further, while a number of neuroplasticity-related genes have been associated with alternative stress coping styles, it is unclear if these genes may bias the development of conditioned behavioral responses to stressful stimuli, and if so, which brain regions are involved. Here, we trained adult zebrafish to associate a naturally aversive olfactory cue with a given context. Next, we investigated if expression of two neural plasticity and neurotransmission-related genes ( npas4a and gabbr1a ) were associated with the contextual fear conditioning differences between proactive and reactive stress coping styles. Reactive zebrafish developed a stronger conditioned fear response and showed significantly higher npas4a expression in the medial and lateral zones of the dorsal telencephalon (Dm, Dl), and the supracommissural nucleus of the ventral telencephalon (Vs). Our findings suggest that the magnitude of expression of activity-dependent genes like npas4a may be differentially expressed across several interconnected forebrain regions in response to fearful stimuli and promote biases in fear learning among different stress coping styles.

Olfactory sensory neurons (OSNs) are constantly exposed to pathogens, including viruses. However, serious brain infection via the olfactory route rarely occurs. When OSNs detect a virus, they coordinate local antiviral immune responses to stop virus progression to the brain. Despite effective immune control in the olfactory periphery, pathogen-triggered neuronal signals reach the CNS via the olfactory bulb (OB). We hypothesized that neuronal detection of a virus by OSNs initiates neuroimmune responses in the OB that prevent pathogen invasion. Using zebrafish ( Danio rerio ) as a model, we demonstrate viral-specific neuronal activation of OSNs projecting into the OB, indicating that OSNs are electrically activated by viruses. Further, behavioral changes are seen in both adult and larval zebrafish after viral exposure. By profiling the transcription of single cells in the OB after OSNs are exposed to virus, we found that both microglia and neurons enter a protective state. Microglia and macrophage populations in the OB respond within minutes of nasal viral delivery followed decreased expression of neuronal differentiation factors and enrichment of genes in the neuropeptide signaling pathway in neuronal clusters. Pituitary adenylate-cyclase-activating polypeptide ( pacap ), a known antimicrobial, was especially enriched in a neuronal cluster. We confirm that PACAP is antiviral in vitro and that PACAP expression increases in the OB 1 day post-viral treatment. Our work reveals how encounters with viruses in the olfactory periphery shape the vertebrate brain by inducing antimicrobial programs in neurons and by altering host behavior.

Social stress can increase reactive oxygen species and derail antioxidant function in the brain, which may contribute to the onset and progression of mental health disorders. In hierarchical species, repeated social defeat can raise oxidative stress in the brain. However, how oxidative balance in the brain is regulated across different levels in a social hierarchy is unknown. Here, we study the effect of social status on patterns of oxidative stress across several brain divisions in a highly social cichlid fish,