Divergence of exploratory locomotion and the underlying neuronal circuitry in two closely related vertebrate species
Divergence de la locomotion exploratoire et des circuits neuronaux sous-jacents chez deux espèces de vertébrés étroitement apparentées
Résumé
Walking, swimming, hopping and crawling –– are only a few examples of the diverse forms of locomotion in nature. Locomotion is adapted to the environmental constraints of an animal. In this thesis, I established an approach to understand how neuronal circuits underlying locomotion diverge in nature by compar¬ing larvae of two closely related species that occupy similar environments and exhibit different swimming behaviors. The classical genetic model organism Danio rer¬io or zebrafish (ZF) and the closely related Danionin species Danionella translucida (DT) were used in the study. I investigated the proximate (cellular and physiological) and ultimate (organismal) causes behind this divergence in swimming behavior despite the phylogenetic and environmental proximity that the two species share.To examine the swimming behavior in the two fishes, I developed a high-speed imaging system and an analysis pipeline. The swims were broken down into half tail beats to be able to probe comparable units of locomotion in the two species. The analysis showed that during spontaneous swimming, the DT larvae utilize lower tail-beat frequencies and lower tail angles to execute slower yet longer swim events. In comparison, the ZF larvae execute a fast and intermittent “burst-and-glide” swimming. However, during escapes, DT can attain high maximum speeds with the latency to the maximum speed being surprisingly lower than that of ZF. In spontaneously swimming fish, despite the large differences in the instantaneous speeds, the mean squared displacement was found to be comparable between the two animals. This is due to a slower randomization of orientation in DT compared to ZF which leads to a longer ballistic swimming regime in DT. In addition to the characterization of the fine structure of the swimming and the influence of the swimming pattern on exploration, from an organismal perspective, I proposed two observations – a lower availability of dissolved oxygen to DT due to its preference to the bottom layers of water column and a delayed inflation of swim bladder in DT – as factors contributing to the observed swimming pattern in DT.Using in-situ hybridization and immunohistochemistry, a high degree of similarity is shown in the distribution of excitatory and inhibitory neurons in the hindbrain. Moreover, based on backfill experiments, a strong conservation is observed in the distribution of reticulospinal neurons projecting from the brainstem to the spinal cord. To probe the physiological differences, I created a DT Tg(HuC:H2B-GCaMP6s), a transgenic DT with near pan-neuronal nucleus-localized expression of genetically encoded calcium indicator GCaMP6s. Using this transgenic DT and an equivalent transgenic ZF, I carried out light sheet imaging in spontaneously swimming DT and ZF. With this approach, we identified neuronal populations in the DT brain that scaled their activity with the increased swimming activity in DT. These regions are potential candidates for providing an excitatory drive to the downstream neurons to keep the central pattern generators in the spinal cord active to produce a long continuous swimming. Furthermore, the long swim events in DT allowed a further dissection of the swimming correlated neurons with respect to different phases of the swimming.In conclusion, the work provides a unique insight, from a behavioral and physiological perspective, into the ability of similar neuronal circuits to produce different behavioral outputs. The results were also briefly evaluated from an organismal viewpoint. To our knowledge, such a comprehensive comparison, combining behavior, anatomy and physiology has not been carried out directly between two vertebrate animals before. This work also lays a foundation for future comparative studies in vertebrate neuroscience, especially among Danionins, to gain a thorough understanding of neuronal circuits underlying behaviors.
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.
Domaines
Neurosciences [q-bio.NC]
Origine : Version validée par le jury (STAR)