The design of modern scientific experiments requires the control and monitoring of many different data streams. However, the serial execution of programming instructions in a computer makes it a challenge to develop software that can deal with the asynchronous, parallel nature of scientific data. Here we present Bonsai, a modular, high-performance, open-source visual programming framework for the acquisition and online processing of data streams. We describe Bonsai's core principles and architecture and demonstrate how it allows for the rapid and flexible prototyping of integrated experimental designs in neuroscience. We specifically highlight some applications that require the combination of many different hardware and software components, including video tracking of behavior, electrophysiology and closed-loop control of stimulation.

Adult zebrafish are robustly social animals whereas larvae are not. We designed an assay to determine at what stage of development zebrafish begin to interact with and prefer other fish. One week old zebrafish show no social preference whereas most three week old zebrafish strongly prefer to remain in a compartment where they can view conspecifics. However, for some individuals, the presence of conspecifics drives avoidance instead of attraction. Social preference is dependent on vision and requires viewing fish of a similar age/size. In addition, over the same one to three week period larval zebrafish increasingly tend to coordinate their movements, a simple form of social interaction. Finally, social preference and coupled interactions are differentially modified by an NMDAR antagonist and acute exposure to ethanol, both of which are known to alter social behaviour in adult zebrafish.

Hundreds of human genes are associated with neurological diseases, but translation into tractable biological mechanisms is lagging. Larval zebrafish are an attractive model to investigate genetic contributions to neurological diseases. However, current CRISPR-Cas9 methods are difficult to apply to large genetic screens studying behavioural phenotypes. To facilitate rapid genetic screening, we developed a simple sequencing-free tool to validate gRNAs and a highly effective CRISPR-Cas9 method capable of converting >90% of injected embryos directly into F0 biallelic knockouts. We demonstrate that F0 knockouts reliably recapitulate complex mutant phenotypes, such as altered molecular rhythms of the circadian clock, escape responses to irritants, and multi-parameter day-night locomotor behaviours. The technique is sufficiently robust to knockout multiple genes in the same animal, for example to create the transparent triple knockout

Adult zebrafish are robustly social animals whereas larva is not. We designed an assay to determine at what stage of development zebrafish begin to interact with and prefer other fish. One week old zebrafish do not show significant social preference whereas most 3 weeks old zebrafish strongly prefer to remain in a compartment where they can view conspecifics. However, for some individuals, the presence of conspecifics drives avoidance instead of attraction. Social preference is dependent on vision and requires viewing fish of a similar age/size. In addition, over the same 1-3 weeks period larval zebrafish increasingly tend to coordinate their movements, a simple form of social interaction. Finally, social preference and coupled interactions are differentially modified by an NMDAR antagonist and acute exposure to ethanol, both of which are known to alter social behavior in adult zebrafish.

ABSTRACT Hundreds of human genes are associated with neurological diseases, but translation into tractable biological mechanisms is lagging. Larval zebrafish are an attractive model to investigate genetic contributions to neurological diseases. However, current CRISPR-Cas9 methods are difficult to apply to large genetic screens studying behavioural phenotypes. To facilitate rapid genetic screening, we developed a simple sequencing-free tool to validate gRNAs and a highly effective CRISPR-Cas9 method capable of converting >90% of injected embryos directly into F0 biallelic knockouts. We demonstrate that F0 knockouts reliably recapitulate complex mutant phenotypes, such as altered molecular rhythms of the circadian clock, escape responses to irritants, and multi-parameter day-night locomotor behaviours. The technique is sufficiently robust to knockout multiple genes in the same animal, for example to create the transparent triple knockout crystal fish for imaging. Our F0 knockout method cuts the experimental time from gene to behavioural phenotype in zebrafish from months to one week.

The design of modern scientific experiments requires the control and monitoring of many parallel data streams. However, the serial execution of programming instructions in a computer makes it a challenge to develop software that can deal with the asynchronous, parallel nature of scientific data. Here we present Bonsai, a modular, high-performance, open-source visual programming framework for the acquisition and online processing of data streams. We describe Bonsai's core principles and architecture and demonstrate how it allows for flexible and rapid prototyping of integrated experimental designs in neuroscience. We specifically highlight different possible applications which require the combination of many different hardware and software components, including behaviour video tracking, electrophysiology and closed-loop control of stimulation parameters.

Abstract Neurons on left and right sides of the nervous system frequently show asymmetric properties but how these differences arise is poorly understood. Through a forward genetic screen in zebrafish, we find that loss of function of the transmembrane protein Cachd1 results in right-sided habenula neurons adopting left-sided character. Cachd1 is expressed in habenula neuron progenitors, functions symmetrically downstream of asymmetric environmental signals that determine laterality and influences timing of the normally left-right asymmetric patterns of neurogenesis. Unbiased screening for Cachd1 partners identified the Wnt co-receptor Frizzled7 and further biochemical and structural analysis revealed Cachd1 can bind simultaneously to Fzd proteins and Lrp6, bridging between these two Wnt co-receptors. Consistent with these structural studies, lrp6 mutant zebrafish show symmetric habenulae with left-sided character and epistasis experiments with other Wnt pathway genes support an in vivo role for Cachd1 in modulating Wnt pathway activity in the brain. Together, these studies identify Cachd1 as a conserved novel Wnt-receptor interacting protein with roles in regulating neurogenesis and neuronal identity.

The zebrafish is used to assess the impact of social isolation on behaviour and brain function. As in humans and other social species, early social deprivation reduces social preference in juvenile zebrafish. Whole-brain functional maps of anti-social isolated fish were distinct from anti-social fish found in the normal population. These isolation-induced activity changes revealed profound disruption of neural activity in brain areas linked to social behaviour, such as the preoptic area and hypothalamus. Several of these affected regions are modulated by serotonin, and we found that social preference in isolated fish could be rescued by acutely reducing serotonin levels.