SUMMARY Brain activity and connectivity alter drastically during epileptic seizures. Throughout this transition, brain networks shift from a balanced resting state to a hyperactive and hypersynchronous state, spreading across the brain. It is, however, less clear which mechanisms underlie these state transitions. By studying neuronal and glial activity across the zebrafish brain, we observed striking differences between these networks. During the preictal period, neurons displayed a small increase in synchronous activity only locally, while the entire glial network was highly active and strongly synchronized across large distances. We observed that the transition from a preictal state to a generalized seizure leads to an abrupt increase in neuronal activity and connectivity, which is accompanied by a strong functional coupling between glial and neuronal networks. Optogenetic activation of glia induced strong and transient burst of neuronal activity, emphasizing a potential role for glia-neuron connections in the generation of epileptic seizures.

ABSTRACT The switch between non-seizure and seizure states involves profound alterations in network excitability and synchrony. Both increased and decreased excitability may underlie the state transitions, as shown in epilepsy patients and animal models. Inspired by video-electroencephalography recordings in patients, we developed a framework to study spontaneous and photic-evoked neural and locomotor activity in zebrafish larvae. We combined high-throughput behavioral tracking and whole-brain in vivo two-photon calcium imaging to perform side-by-side comparison of multiple zebrafish seizure and epilepsy models. Our setup allowed us to dissect behavioral and physiological features that are divergent or convergent across multiple models. We observed that locomotor and neural activity during interictal and spontaneous ictal periods exhibit great diversity across models. Yet, during photic stimulation, hyperexcitability and rapid response dynamics was well conserved across multiple models, highlighting the reliability of photic-evoked seizure activity for high-throughput assays. Intriguingly, in several models, we observed that the initial elevated photic response is often followed by fast decay of neural activity and a prominent depressed state. We argue that such depressed states are likely due to homeostatic mechanisms triggered by excessive neural activity. An improved understanding of the interplay between elevated and depressed excitability states might suggest tailored epilepsy therapies. KEY POINTS Features of spontaneous locomotor and neural activity varies across zebrafish epilepsy and seizure models. We propose photic stimulation as a reliable tool to investigate behavioral and physiological phenotypes in zebrafish epilepsy and seizure models. We observed elevated activity with faster dynamics in response to photic stimulation in all tested zebrafish models. Photic-evoked neural responses were often followed by depressed state in seizure-prone networks

ABSTRACT Astroglial excitatory amino acid transporter 2 (EAAT2, GLT-1, SLC1A2) regulates the duration and extent of neuronal excitation by removing glutamate from the synaptic cleft. Hence, an impairment in EAAT2 function could lead to an imbalanced neural network excitability. Here, we investigated the functional alterations of neuronal and astroglial networks associated with the loss of function in the astroglia predominant eaat2a gene in zebrafish. We observed that eaat2a -/- mutant zebrafish larvae display recurrent spontaneous and light-induced seizures in neurons and astroglia, which coincide with an abrupt increase in extracellular glutamate levels. In stark contrast to this hyperexcitability, basal neuronal and astroglial activity was surprisingly reduced in eaat2a -/- mutant animals, which manifested in decreased overall locomotion. Our results reveal an essential and mechanistic contribution of EAAT2a in balancing brain excitability, and its direct link to epileptic seizures.