Investigating the thalamocortical-like circuitry in juvenile zebrafish

Abstract

Integrasjonen av sensorisk informasjon og dens transformasjon til adaptiv atferd er en grunnleggende funksjon i virveldyrhjernen, der den thalamokortikale banen utgjør et sentralt anatomisk substrat hos pattedyr. Hos sebrafisk (Danio rerio), til tross for artens betydning som dyremodell i nevrovitenskapelig forskning, er slike forbindelser fortsatt dårlig karakterisert. Selv om sebrafiskens pallium antas å være analogt med pattedyrhjernens hjernebark, er de afferente sensoriske banene fra periferien til palliet lite beskrevet. Spesielt krever preglomerulærkjernens (PG) rolle som thalamus-lignende sensorisk reléstasjon ytterligere utforskning. Dette studiet har som mål å undersøke konnektiviteten mellom PG og distinkte palliale delområder i juvenile sebrafisk ved bruk av fluorescerende dextranamin-nevrotracere. For å oppnå dette optimaliserte jeg eks-vivo nevrotracingsprotokoller for juvenile sebrafiskhjerner, noe som muliggjorde langdistansemerking av nevronale prosesser og cellelegemer. Deretter gjennomførte jeg nevrotracingsforsøk fra ulike palliale regioner (Dl, Dm, Dc) samt fra den egentlige thalamus, for å kartlegge thalamokortikal-lignende forbindelser i juvenile sebrafisk. Retrograd innsprøyting av tracere i palliet viste at PG utgjør den dominerende kilden til ekstrapalliale input, mens thalamus i liten grad bidro, noe som antyder at PG, snarere enn thalamus, fungerer som hovedrelé for sensorisk informasjon til palliet hos sebrafisk. Videre viste PG et topografisk organisert projeksjonsmønster: laterale PG-nevroner innerverte primært Dl, mediale PG-nevroner projiserte til Dm, og Dc mottok input fra bredt distribuerte celler i PG. Analyser av intrapallial konnektivitet avdekket tette og organiserte innerveringsmønstre i samsvar med regional spesifisitet. Interessant nok var krysshemisfæriske projeksjoner via den fremre kommissuren topografisk organiserte i Dl og Dc, men i stor grad fraværende i Dm, noe som ytterligere understreker de anatomiske forskjellene mellom disse delområdene. Samlet støtter våre funn eksistensen av romlig organiserte, parallelle input-strømmer fra PG til adskilte palliale domener, i likhet med den thalamokortikale organiseringen som observeres hos pattedyr. Resultatene styrker den anatomiske analogien mellom sebrafiskens PG og pattedyrthalamus, og gir bevis for regionsspesifikke forbindelsesmønstre i sebrafiskens pallium. Dette arbeidet bidrar med en kvantitativ tilnærming til en bedre forståelse av konnektomet hos juvenile sebrafisk.

The integration of sensory information and its transformation into adaptive behaviour is a fundamental function of the vertebrate brain, with the thalamocortical pathway serving as a key anatomical substrate in mammals. In zebrafish (Danio rerio) however, despite its relevance as an animal model in neuroscience, such circuits remain poorly characterized. Although the zebrafish pallium is believed to be analogous to the mammalian cortex, the afferent sensory pathways from the periphery to the pallium are not extensively described. In particular, the role of the preglomerular nucleus (PG) as thalamus-like sensory relay still needs to be further studied. This study aims to investigate the connectivity between the PG and distinct pallial subdivisions in juvenile zebrafish using fluorescent dextran amine neurotracers. To achieve this, I optimized ex-vivo neurotracing protocols in juvenile zebrafish brain, enabling long-distance labelling of neuronal processes and somata. I then conducted neurotracing experiments from distinct pallial regions (Dl, Dm, Dc) and from the thalamus proper, to assess thalamocortical-like connectivity in juvenile zebrafish. Retrograde tracer injections into the pallium revealed that the PG is the predominant source of extrapallial inputs, whereas the thalamus proper contributed minimally, suggesting that the PG, rather than the thalamus, serves as the primary sensory relay to the pallium in zebrafish. Moreover, the PG displayed a topographically organized projection pattern: lateral PG neurons preferentially innervated Dl, medial PG neurons projected to Dm, and Dc received input from cells widely distributed in the PG. Intrapallial connectivity analyses revealed dense, organized innervation patterns within the pallium consistent with regional specificity. Interestingly, cross-hemispheric projections via the anterior commissure were topographically organized in Dl and Dc, but largely absent in Dm, further emphasizing the anatomical distinctions of these subdivisions. Collectively, our findings support the existence of spatially organized, parallel input streams from the PG to discrete pallial domains, mirroring the thalamocortical organization observed in mammals. These results corroborate the anatomical analogy between the zebrafish PG and the mammalian thalamus and provide evidence for region-specific connectivity patterns within the zebrafish pallium. This work contributes with a quantitative approach to a better understanding of the juvenile zebrafish connectome.