Gokul Rajan

Divergence de la locomotion exploratoire et des circuits neuronaux sous-jacents chez deux espèces de vertébrés étroitement apparentées: Marcher, nager, sauter et ramper sont quelques exemples des diverses formes de locomotion retrouvées dans la nature qui sont adaptées aux contraintes environnementales d'un animal. Au cours de ma thèse, j'ai établi une approche pour comprendre comment les circuits neuronaux sous-jacents à la locomotion divergent en comparant les larves de deux espèces de Danionins étroitement apparentées, occupant des environnements similaires et présentant des nages différentes : l'organisme modèle Danio rerio ou poisson-zèbre (ZF) et Danionella translucida (DT). J'ai étudié les causes immédiates (cellulaires et physiologiques) et ultimes (au niveau de l’organisme) pouvant expliquer cette divergence dans leurs nages malgré leur proximité phylogénétique et environnementale.Afin d’étudier le comportement des deux poissons, j'ai développé un système d'imagerie à grande vitesse et un pipeline d'analyse. Les nages sont décomposées en demi-battements de queue pour pouvoir définir des unités comparables de locomotion chez les deux espèces. Ceci a montré qu’en nage spontanée, les larves DT utilisent des fréquences de battement de queue plus basses et des angles de queue inférieurs, exécutant des événements de nage plus lents mais plus longs. En comparaison, les larves ZF effectuent une nage rapide et intermittente par « rafale et glissement ». Cependant, lors des fuites DT peut atteindre des vitesses maximales élevées avec une latence pour atteindre cette vitesse étonnamment inférieure à celle de ZF. En nage spontanée, malgré de grandes différences de vitesses instantanées, le déplacement quadratique moyen s'est révélé comparable entre les deux animaux. Cela est dû à une randomisation plus lente de l'orientation chez DT que chez ZF, ce qui conduit à un régime de nage balistique plus long chez DT. En plus d’une fine caractérisation de la nage et de son influence sur l'exploration, au niveau de l’organisme j'ai proposé deux observations faites chez DT et contribuant au schéma de nage observé : une disponibilité moindre d'oxygène en raison de sa préférence pour les couches inférieures de la colonne d'eau et un retard de l’inflation de la vessie natatoire.Par hybridation in situ et immunohistochimie, une forte similitude de la distribution des neurones excitateurs et inhibiteurs du cerveau postérieur est montrée. De plus, avec des expériences de « backfill », une forte conservation de la distribution des neurones réticulospinaux se projetant du tronc cérébral vers la moelle épinière est observée. Pour étudier les différences physiologiques, j'ai créé une lignée transgénique DT, Tg (HuC:H2B-GCaMP6s), exprimant l’indicateur de calcium GCaMP6s dans les noyaux de la majorité des neurones. Avec cette lignée et une lignée transgénique ZF équivalente, j'ai effectué de la microscopie à feuillet de lumière sur des larves nageant spontanément. Nous avons ainsi identifié des populations neuronales du cerveau de DT pour lesquelles leur activité est mesurée avec l'augmentation de la nage. Ces régions sont donc des candidats potentiels pour fournir une stimulation excitatrice des neurones en aval afin de maintenir le réseau locomoteur spinal actifs et produire une longue nage continue. De plus, les événements de nage longue de DT ont permis une dissection supplémentaire des neurones corrélés à la nage par rapport aux différentes phases de la nage.Ce travail fournit une vision unique, à l’échelle comportemental et physiologique, de la capacité de circuits neuronaux similaires à produire des comportements différents. Ces résultats ont été brièvement évalués au niveau de l'organisme. À notre connaissance, une comparaison aussi complète, combinant comportement, anatomie et physiologie, n'a jamais été réalisée directement entre deux vertébrés. Ces travaux donnent les bases de futures études comparatives de vertébrés en neurosciences, en particulier chez les Danionins, afin d’acquérir une compréhension approfondie des circuits neuronaux sous-jacents aux comportements.

Animals constantly perceive and integrate information across sensory modalities, and their nervous systems must select behavioral responses appropriate to the current situation and prior experience. Genetic factors supporting this behavioral flexibility are often disrupted in neuropsychiatric conditions, and our previous work revealed the disease-associated ap2s1 gene critically supports habituation learning in acoustically-evoked escape behavior of zebrafish. ap2s1 encodes a subunit of the AP2 endocytosis adaptor complex and has been linked to autism spectrum disorder, though its mechanism and direct behavioral importance have not been established. Here, we show that multiple subunits of the AP2 complex regulate acoustically-evoked behavior selection and habituation learning. Furthermore, ap2s1 biases the choice between distinct escape behaviors in sensory modality-specific manners, and more broadly regulates action selection across different sensory contexts. Using tissue-specific and inducible transgenic rescue, we demonstrate that the AP2 complex functions acutely and in the nervous system to modulate acoustically-evoked habituation learning, suggesting several spatially and/or temporally distinct mechanisms through which AP2 regulates different aspects of escape behavior selection and performance. Altogether, we demonstrate that the AP2 complex coordinates action selection across stimulus modalities and contexts, providing a new vertebrate model for the role of ap2s1 in human conditions including autism spectrum disorder. SIGNIFICANCE STATEMENT: The AP2S1 gene has been linked to learning disabilities and autism spectrum disorders (ASD), though the mechanisms underlying its impact on human behavior are unknown. We explored how, when, and where this gene regulates vertebrate behavior, developing a zebrafish model to identify the roles and mechanisms through which ap2s1 modulates behavior. We find that ap2s1 regulates simple acoustically-evoked learning, as well as how individuals bias behavioral choice in a wide variety of contexts. We show that ap2s1 acts at multiple distinct time periods and locations both within and outside of neuronal tissues, revealing the diverse mechanisms and pathways through which it modulates vertebrate behavior.

Locomotion exists in diverse forms in nature and is adapted to the environmental constraints of each species ¹ . However, little is known about how closely related species with similar neuronal circuitry can evolve different navigational strategies to explore their environments. We established a powerful approach in comparative neuroethology to investigate evolution of neuronal circuits in vertebrates by comparing divergent swimming pattern of two closely related larval fish species, Danionella translucida (DT) and Danio rerio or zebrafish (ZF) ^2,3 . During swimming, we demonstrate that DT utilizes lower half tail-beat frequency and amplitude to generate a slower and continuous swimming pattern when compared to the burst-and-glide swimming pattern in ZF. We found a high degree of conservation in the brain anatomy between the two species. However, we revealed that the activity of a higher motor region, referred here as the Mesencephalic Locomotion Maintenance Neurons (MLMN) correlates with the duration of swim events and differs strikingly between DT and ZF. Using holographic stimulation, we show that the activation of the MLMN is sufficient to increase the frequency and duration of swim events in ZF. Moreover, we propose two characteristics, availability of dissolved oxygen and timing of swim bladder inflation, which drive the observed differences in the swim pattern. Our findings uncover the neuronal circuit substrate underlying the evolutionary divergence of navigational strategies and how they are adapted to their respective environmental constraints.

Binocular stereopsis requires the convergence of visual information from corresponding points in visual space seen by two different lines of sight. This may be achieved by superposition of retinal input from each eye onto the same downstream neurons via ipsi- and contralaterally projecting optic nerve fibers. Zebrafish larvae can perceive binocular cues during prey hunting but have exclusively contralateral retinotectal projections. Here we report brain activity in the tectal neuropil ipsilateral to the visually stimulated eye, despite the absence of ipsilateral retinotectal projections. This activity colocalizes with arbors of commissural neurons, termed intertectal neurons (ITNs), that connect the tectal hemispheres. ITNs are GABAergic, establish tectal synapses bilaterally and respond to small moving stimuli. ITN-ablation impairs capture swim initiation when prey is positioned in the binocular strike zone. We propose an intertectal circuit that controls execution of the prey-capture motor program following binocular localization of prey, without requiring ipsilateral retinotectal projections.