Mensch et al. investigate how neuronal activity regulates CNS myelination in vivo, using zebrafish as a model. They find that blocking synaptic vesicle release reduces, and that stimulating neuronal activity increases, the number of myelin sheath made by the myelinating glia of the CNS (oligodendrocytes). These data show that neuronal activity regulates the myelinating capacity of individual oligodendrocytes. The myelination of axons by oligodendrocytes markedly affects CNS function, but how this is regulated by neuronal activity in vivo is not known. We found that blocking synaptic vesicle release impaired CNS myelination by reducing the number of myelin sheaths made by individual oligodendrocytes during their short period of formation. We also found that stimulating neuronal activity increased myelin sheath formation by individual oligodendrocytes. These data indicate that neuronal activity regulates the myelinating capacity of single oligodendrocytes.

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 Myelinating Schwann cells of the peripheral nervous system (PNS) express numerous ion channels and transporters, and have the capacity to respond to neuronal activity. However, it remains unknown how the response of Schwann cells to neuronal activity affects peripheral nerve formation, health or function in vivo. Through a genetic screen in zebrafish, we identified a mutant, ue58 , with severe disruption to the morphology of myelin along peripheral nerves and associated nerve oedema. Molecular analyses indicated that this phenotype was caused by the loss of function of a previously uncharacterized gene, slc12a2b , which encodes a zebrafish paralog of the solute carrier NKCC1. NKCC1 is a co-transporter of Na + , K + , and Cl − ions and water, typically from the extracellular space into cells. Upon impairing slc12a2b function, constitutively, or specifically in neurons or myelinating Schwann cells, we observed disruption to myelin and nerve oedema. Strikingly, we found that treatment of slc12a2b mutants with TTX completely prevented the emergence of these pathologies. Furthermore, TTX treatment rescued pathology in animals with cell-type specific loss of slc12a2b from myelinating Schwann cells. Together our data indicate that NKCC1 regulates ion homeostasis following neuronal activity and that this is required to maintain myelinated axon and peripheral nerve integrity.

Abstract Myelin is required for rapid nerve signaling and is emerging as a key driver of CNS plasticity and disease. How myelin is built and remodeled remains a fundamental question of neurobiology. Central to myelination is the ability of oligodendrocytes to add vast amounts of new cell membrane, expanding their surface areas by many thousand-fold. However, how oligodendrocytes add new membrane to build or remodel myelin is unknown. Here, we show that CNS myelin membrane addition requires exocytosis mediated by the vesicular SNARE proteins VAMP2/3. Genetic inactivation of VAMP2/3 in myelinating oligodendrocytes caused severe hypomyelination and premature death without overt loss of oligodendrocytes. Through live imaging, we discovered that VAMP2/3-mediated exocytosis drives membrane expansion within myelin sheaths to initiate wrapping and power sheath elongation. In conjunction with membrane expansion, mass spectrometry of oligodendrocyte surface proteins revealed that VAMP2/3 incorporates axon-myelin adhesion proteins that are collectively required to form nodes of Ranvier. Together, our results demonstrate that VAMP2/3-mediated membrane expansion in oligodendrocytes is indispensable for myelin formation, uncovering a cellular pathway that could sculpt myelination patterns in response to activity-dependent signals or be therapeutically targeted to promote regeneration in disease.

Myelin, the insulating sheath that surrounds neuronal axons, is produced by oligodendrocytes in the central nervous system (CNS). This evolutionary innovation, which first appears in jawed vertebrates, enabled rapid transmission of nerve impulses, more complex brains and greater morphological diversity. Here we report that RNA level expression of RNLTR12-int, a retrotransposon of retroviral origin, is essential for myelination. We show RNLTR12-int-encoded non-coding RNA binds to the transcription factor SOX10 to regulate transcription of myelin basic protein (Mbp, the major constituent of myelin) in rodents. RNLTR12-int like sequences (which we name RetroMyelin ) are found in all jawed-vertebrates and we further demonstrate their function in regulating myelination in two different vertebrate phyla (zebrafish and frogs). Our study therefore suggests that retroviral endogenization was a key step in the emergence of vertebrate myelin.

Optical recording of intricate molecular dynamics is becoming an indispensable technique for biological studies, accelerated by the development of new or improved biosensors and microscopy technology. This creates major computational challenges to extract and quantify biologically meaningful spatiotemporal patterns embedded within complex and rich data sources, many of which cannot be captured with existing methods. Here, we introduce Activity Quantification and Analysis (AQuA2), a fast, accurate, and versatile data analysis platform built upon advanced machine learning techniques. It decomposes complex live imaging-based datasets into elementary signaling events, allowing accurate and unbiased quantification of molecular activities and identification of consensus functional units. We demonstrate applications across a wide range of biosensors, cell types, organs, animal models, and imaging modalities. As exemplar findings, we show how AQuA2 identified drug-dependent interactions between neurons and astroglia, and distinct sensorimotor signal propagation patterns in the mouse spinal cord.

Summary The spacing of nodes of Ranvier crucially affects conduction properties along myelinated axons. It has been assumed that node position is primarily driven by the growth of myelin sheaths. Here, we reveal an additional mechanism of node positioning that is driven by the axon. We show through longitudinal live imaging of node formation dynamics that stable clusters of the cell adhesion molecule Neurofascin A accumulate at specific sites along axons prior to myelination. While some of these clusters change position upon encounter with growing myelin sheaths, others restrict sheath extension and are therefore predictive of future node position. Animals that lack full-length Neurofascin A showed increased internodal distances and less regular spacing of nodes along single axons. Together, our data reveal the existence of an axonal mechanism to position its nodes of Ranvier that does not depend on regulation of myelin sheath length.