Sleep is a nearly universal behaviour with unclear functions 1 . The Synaptic Homeostasis Hypothesis (SHY) proposes that sleep is required to renormalize the increases in synaptic number and strength that occur during wakefulness 2 . Some studies examining either large neuronal populations 3 or small patches of dendrites 4 have found evidence consistent with SHY, but whether sleep merely serves as a permissive state or actively promotes synaptic downregulation at the scale of whole neurons is unknown. Here, by repeatedly imaging all excitatory synapses on single neurons across sleep/wake states of zebrafish larvae, we show that synapses are gained during periods of wake (either spontaneous or forced) and lost during sleep in a neuron-subtype dependent manner. However, synapse loss is greatest during sleep associated with high sleep pressure following prolonged wakefulness and low in the latter half of the night. Conversely, sleep induced pharmacologically during periods of low sleep pressure is insufficient to trigger synapse loss unless adenosine levels are boosted while noradrenergic tone is inhibited. We conclude that sleep-dependent synapse loss is regulated by sleep pressure at the level of the single neuron and that not all sleep periods are equally capable of fulfilling the functions of synaptic homeostasis.

Abstract Sleep pressure builds during wakefulness, but the mechanisms underlying this homeostatic process are poorly understood. One zebrafish model suggests that sleep pressure increases as a function of global neuronal activity, such as during sleep deprivation or acute exposure to drugs that induce widespread brain activation. Given that the arousal-promoting noradrenergic system is important for maintaining heightened neuronal activity during wakefulness, we hypothesised that genetic and pharmacological reduction of noradrenergic tone during drug-induced neuronal activation would dampen subsequent rebound sleep in zebrafish larvae. Unexpectedly, dampening noradrenergic tone with the α 2 -adrenoceptor agonist clonidine during acute caffeine or pentylenetetrazol treatment enhanced subsequent rebound sleep, while stimulating noradrenergic signalling during caffeine exposure with a cocktail of α 1 - and β-adrenoceptor agonists did not enhance sleep. Similarly, CRISPR/Cas9-mediated elimination of the dopamine β-hydroxylase ( dbh ) gene, which encodes an enzyme required for noradrenalin synthesis, enhanced baseline sleep in larvae but did not prevent additional rebound sleep following acute induction of neuronal activity. Across all drug conditions, c-fos expression immediately after drug exposure varied inversely with noradrenergic tone and correlated strongly with the amount of induced rebound sleep. These results are consistent with a model in which increases in neuronal activity, as reflected by brain-wide levels of c-fos induction, drive a sleep pressure signal that promotes rebound sleep independently of noradrenergic tone.