Abstract Brain anatomy is highly variable and it is widely accepted that anatomical variation impacts brain function and ultimately behavior. The structural complexity of the brain, including differences in volume and shape, presents an enormous barrier to define how variability underlies differences in function. In this study, we sought to investigate the evolution of brain anatomy in relation to brain region volume and shape across the brain of a single species with variable genetic and anatomical morphs. We generated a high-resolution brain atlas for the blind Mexican cavefish and coupled the atlas with automated computational tools to directly assess brain region shape and volume variability across all populations. We measured the volume and shape of every neuroanatomical region of the brain and assess correlations between anatomical regions in surface, cavefish and surface to cave F 2 hybrids, whose phenotypes span the range of surface to cave. We find that dorsal regions of the brain are contracted in cavefish, while ventral regions have expanded. Interestingly, in hybrid fish the volume and shape of dorsal regions are inversely proportional to ventral regions. This trend is true for both volume and shape, suggesting that these two parameters share developmental mechanisms necessary for remodeling the entire brain. Given the high conservation of brain anatomy and function among vertebrate species, we expect these data to studies reveal generalized principles of brain evolution and show that Astyanax provides a system for functionally determining basic principles of brain evolution by utilizing the independent genetic diversity of different morphs, to test how genes influence early patterning events to drive brain-wide anatomical evolution.

Environmental perturbation can drive the evolution of behavior and associated brain structure and function. Generation of high-resolution whole-brain atlases have provided insights into neuroanatomy and neural circuit connectivity associated with behaviors in many model systems, but these approaches have yet to be applied to models of brain evolution. The Mexican tetra, A. mexicanus, comprises river-dwelling surface fish and multiple independently evolved populations of blind cavefish, providing a unique opportunity to identify evolved neurological differences associated with divergent behaviors including sleep loss and alterations in foraging behavior. We employed intact brain imaging combined with image registration to generate neuroanatomical atlases of surface fish and three different cave populations of A. mexicanus. Analyses of neuroanatomical brain regions and neural circuits associated with behavioral regulation identified convergence on hypothalamic expansion, as well as changes in transmitter systems including elevated numbers of catecholamine and hypocretin/orexin neurons in cave populations. To define changes in neural function associated with the evolution of behavior, we quantified changes in neural activity associated with sleep and feeding. Together, these analyses identified broad alterations in brain structure and function associated with differences in foraging behavior and sleep loss across independently evolved populations. These atlases represent the first comparative brain-wide study of intraspecies variation and provide a resource for studying the neural basis underlying behavioral evolution.

Abstract Aggression is a complex behavior that is observed across the animal kingdom, and plays roles in resource acquisition, defense, and reproductive success. While there are many individual differences in propensity to be aggressive within and between populations, the mechanisms underlying differences in aggression between individuals in natural populations are not well understood. We addressed this using the Mexican tetra, Astyanax mexicanus , a powerful model organism to understand behavioral evolution. A. mexicanus exists in two forms: a river-dwelling surface form and multiple populations of a blind cave form. We characterized aggression in surface fish and cavefish in a resident/intruder assay through quantifying multiple behaviors occurring during social interactions. Surface fish, which are aggressive, display multiple social behaviors in this context, which we characterized into two types of behaviors: aggression- associated and escape-associated behaviors. The majority of these behaviors were reduced or lost in Pachón cavefish. Further, both aggression-associated and escape-associated behaviors were not dependent on the presence of light, and both surface fish and cavefish remained aggressive or non-aggressive, respectively, when opposed to fish from a different population. Additionally, we found that within populations, levels of stress response were not correlated with aggression- or escape-associated behaviors. Finally, when we compared aggression- and escape- associated behaviors across four cavefish populations, we found that both types of behaviors are reduced in three cave populations, while still present in one. Together, these results reveal that multiple cavefish populations have repeatedly evolved reduced aggression through shared behavioral components, while other cavefish have retained aggression. Summary Statement Comparison of aggression between surface fish and cavefish demonstrates that multiple complex behaviors compose aggression in surface fish and reveals heterogeneity in loss of aggression in cave populations.