Behavioral Profiling The complexity of the brain makes it difficult to predict how a drug will affect behavior without direct testing in live animals. Rihel et al. (p. 348 ) developed a high-throughput assay to assess the effects of thousands of drugs on sleep/wake behaviors of zebrafish larvae. The data set reveals a broad conservation of zebrafish and mammalian sleep/wake pharmacology and identifies pathways that regulate sleep. Moreover, the biological targets of poorly characterized small molecules can be predicted by matching their behavioral profiles to those of well-known drugs. Thus, behavioral profiling in zebrafish offers a cost-effective way to characterize neuroactive drugs and to predict biological targets of novel compounds.

Transcription factors of the Myc proto-oncogene family promote cell division, but how they do this is poorly understood. Here we address the functions of Drosophila Myc (dMyc) during development. Using mosaic analysis in the fly wing, we show that loss of dMyc retards cellular growth (accumulation of cell mass) and reduces cell size, whereas dMyc overproduction increases growth rates and cell size. dMyc-induced growth promotes G1/S progression but fails to accelerate cell division because G2/M progression is independently controlled by Cdc25/String. We also show that the secreted signal Wingless patterns growth in the wing primordium by modulating dMyc expression. Our results indicate that dMyc links patterning signals to cell division by regulating primary targets involved in cellular growth and metabolism.

As many as 10% of humans suffer chronic sleep disturbances, yet the genetic mechanisms that regulate sleep remain essentially unknown. It is therefore crucial to develop simple and cost-effective vertebrate models to study the genetic regulation of sleep. The best characterized mammalian sleep/wake regulator is hypocretin/orexin (Hcrt), whose loss results in the sleep disorder narcolepsy and that has also been implicated in feeding behavior, energy homeostasis, thermoregulation, reward seeking, addiction, and maternal behavior. Here we report that the expression pattern and axonal projections of embryonic and larval zebrafish Hcrt neurons are strikingly similar to those in mammals. We show that zebrafish larvae exhibit robust locomotive sleep/wake behaviors as early as the fifth day of development and that Hcrt overexpression promotes and consolidates wakefulness and inhibits rest. Similar to humans with insomnia, Hcrt-overexpressing larvae are hyperaroused and have dramatically reduced abilities to initiate and maintain rest at night. Remarkably, Hcrt function is modulated by but does not require normal circadian oscillations in locomotor activity. Our zebrafish model of Hcrt overexpression indicates that the ancestral function of Hcrt is to promote locomotion and inhibit rest and will facilitate the discovery of neural circuits, genes, and drugs that regulate Hcrt function and sleep.

We performed a comprehensive assessment of rare inherited variation in autism spectrum disorder (ASD) by analyzing whole-genome sequences of 2,308 individuals from families with multiple affected children. We implicate 69 genes in ASD risk, including 24 passing genome-wide Bonferroni correction and 16 new ASD risk genes, most supported by rare inherited variants, a substantial extension of previous findings. Biological pathways enriched for genes harboring inherited variants represent cytoskeletal organization and ion transport, which are distinct from pathways implicated in previous studies. Nevertheless, the de novo and inherited genes contribute to a common protein-protein interaction network. We also identified structural variants (SVs) affecting non-coding regions, implicating recurrent deletions in the promoters of DLG2 and NR3C2. Loss of nr3c2 function in zebrafish disrupts sleep and social function, overlapping with human ASD-related phenotypes. These data support the utility of studying multiplex families in ASD and are available through the Hartwell Autism Research and Technology portal.

Abstract Sleep is a nearly universal feature of animal behaviour, yet many of the molecular, genetic, and neuronal substrates that orchestrate sleep/wake transitions lie undiscovered. Employing a viral insertion sleep screen in larval zebrafish, we identified a novel gene, dreammist ( dmist ), whose loss results in behavioural hyperactivity and reduced sleep at night. The neuronally expressed dmist gene is conserved across vertebrates and encodes a small single-pass transmembrane protein that is structurally similar to the Na + ,K + -ATPase regulator, FXYD1/Phospholemman. Disruption of either fxyd1 or atp1a3a , a Na + ,K + -ATPase alpha-3 subunit associated with several heritable movement disorders in humans, led to decreased night-time sleep. Since atpa1a3a and dmist mutants have elevated intracellular Na + levels and non-additive effects on sleep amount at night, we propose that Dmist-dependent enhancement of Na + pump function modulates neuronal excitability to maintain normal sleep behaviour. Significance statement Sleep is an essential behavioral state, but the genes that regulate sleep and wake states are still being uncovered. A viral insertion screen in zebrafish identified a novel sleep mutant called dreammist , in which a small, highly-conserved transmembrane protein is disrupted. The discovery of dreammist highlights the importance of a class of small transmembrane-protein modulators of the sodium pump in setting appropriate sleep duration.

Mood-altering compounds hold promise for the treatment of many psychiatric disorders, such as depression, but connecting their molecular, circuit, and behavioral effects has been challenging. Here we find that, analogous to effects in rodent learned helplessness models, ketamine pre-exposure persistently suppresses futility-induced passivity in larval zebrafish. While antidepressants are thought to primarily act on neurons, brain-wide imaging in behaving zebrafish showed that ketamine elevates intracellular calcium in astroglia for many minutes, followed by persistent calcium downregulation post-washout. Calcium elevation depends on astroglial α1-adrenergic receptors and is required for suppression of passivity. Chemo-/optogenetic perturbations of noradrenergic neurons and astroglia demonstrate that the aftereffects of glial calcium elevation are sufficient to suppress passivity by inhibiting neuronal-astroglial integration of behavioral futility. Imaging in mouse cortex reveals that ketamine elevates astroglial calcium through conserved pathways, suggesting that ketamine exerts its behavioral effects by persistently modulating evolutionarily ancient neuromodulatory systems spanning neurons and astroglia.

Abstract Both neurons and glia communicate via diffusible neuromodulatory substances, but the substrates of computation in such neuromodulatory networks are unclear. During behavioral transitions in the larval zebrafish, the neuromodulator norepinephrine drives fast excitation and delayed inhibition of behavior and circuit activity. We find that the inhibitory arm of this feedforward motif is implemented by astroglial purinergic signaling. Neuromodulator imaging, behavioral pharmacology, and perturbations of neurons and astroglia reveal that norepinephrine triggers astroglial release of adenosine triphosphate, extracellular conversion into adenosine, and behavioral suppression through activation of hindbrain neuronal adenosine receptors. This work, along with a companion piece by Lefton and colleagues demonstrating an analogous pathway mediating the effect of norepinephrine on synaptic connectivity in mice, identifies a computational and behavioral role for an evolutionarily conserved astroglial purinergic signaling axis in norepinephrine-mediated behavioral and brain state transitions.

The duration of sleep varies dramatically between species, yet little is known about genetic bases or evolutionary factors driving this variation in behavior. The Mexican cavefish, Astyanax mexicanus, exists as surface populations that inhabit rivers, and multiple independently derived cave populations with convergent evolution on sleep loss. The number of Hypocretin/Orexin (HCRT)-positive hypothalamic neurons is increased significantly in cavefish, and HCRT is upregulated at both the transcript and protein levels. Pharmacological or genetic inhibition of HCRT signaling increases sleep duration in cavefish without affecting sleep in surface fish, suggesting enhanced HCRT signaling underlies sleep loss in cavefish. Ablation of the lateral line or starvation, manipulations that selectively promote sleep in cavefish, inhibit hcrt expression in cavefish while having little effect in surface fish. These findings provide the first evidence of genetic and neuronal changes that contribute to the evolution of sleep loss, and support a conserved role for HCRT in sleep regulation.

Abstract Experiments with biological samples require precise control of environmental conditions. In our work we use zebrafish ( Danio rerio ) to understand the neurobiology of sleep, which requires precise control of temperature and lighting. Like many labs, lighting and temperature in the animal facility are centrally controlled in the building. During behavioral experiments and microscopy sessions, we use custom-built heating systems and perform occasional manual checks of conditions. However, without a system to precisely record conditions, gradual changes in temperature can go unnoticed for a long time, and temporary failures may be missed entirely. Here we present the design and characterization of affordable open-source tools to record temperature and light conditions during animal experiments using an Arduino microcontroller or a Raspberry Pi compact computer. The waterproof temperature sensor has high stability over 50 days of recording and is precise to 0.1°C. The Arduino device can be used through a common serial port interface for which we present code in Python and MATLAB. The Raspberry Pi version can be accessed through a web interface, for which we provide an installation guide. We use the device to record and review temperature and lighting conditions in two zebrafish animal facilities. We use our platform to add a water heating system to maintain temperature at 28°C during in vivo light-sheet imaging of larval zebrafish. We show that a change in temperature from 28°C to 32°C affects resting heart rate of the animal, highlighting the importance of maintaining and recording conditions. The protocols presented here do not require advanced engineering, fabrication, or software skills, and provide an approach to accurately record and report experimental conditions.

ABSTRACT Although several sleep-regulating neurons have been identified, little is known about how they interact with each other for sleep/wake control. We previously identified neuropeptide VF (NPVF) and the hypothalamic neurons that produce it as a sleep-promoting system (Lee et al., 2017). Here we use zebrafish to describe a neural circuit in which neuropeptide VF ( npvf )-expressing neurons control sleep via the serotonergic raphe nuclei (RN), a hindbrain structure that promotes sleep in both diurnal zebrafish and nocturnal mice. Using genetic labeling and calcium imaging, we show that npvf -expressing neurons innervate and activate serotonergic RN neurons. We additionally demonstrate that optogenetic stimulation of npvf- expressing neurons induces sleep in a manner that requires NPVF and is abolished when the RN are ablated or lack serotonin. Finally, genetic epistasis demonstrates that NPVF acts upstream of serotonin in the RN to maintain normal sleep levels. These findings reveal a novel hypothalamic-hindbrain circuit for sleep/wake control.