Danionella translucida, ein transparenter und genetisch manipulierbarer Modelorganismus mit komplexem Verhalten zum Studium des Vertebraten-Gehirns

Understanding how the brain orchestrates behaviours is a major objective in systems neuroscience. This quest involves accomplishing the following tasks: First, to characterise the behaviour of interest. Second, to identify the neurons and their networks responsible for the behaviour. Third, to study the computations performed by these neurons and fourth, to reveal the underlying mechanisms. As of yet, tackling all of these steps in adult vertebrates has been very challenging due to the size and opacity of their brains. Molecular component of cells, especially lipids and proteins, have light scattering properties and prevent excitation and retrieval of fluorescent signals in deeper brain areas. As a result, only limited optical access can be achieved using microscopy techniques in adult vertebrate brains. In this thesis I introduce a freshwater teleost fish, Danionella translucida (DT), as a new laboratory species. Unlike other vertebrates, it remains small and transparent throughout adulthood, with a majority of its cells accessible to optical recording techniques. Furthermore, DT shows rich social behaviours e.g. sexual behaviour, shoaling, schooling, fighting and, remarkably, vocalisation. This thesis focuses on foundational experiments to establish DT as a new model organism for systems neuroscience. First, I characterise essentials of DT behaviour, in particular its ability to vocalise. Second, I demonstrate genetic tractability to tailor DT for anatomical and functional circuit studies using Tol2-mediated gene insertion of a calcium-sensor and Crispr/Cas9-targeted gene editing for depigmentation. Third, I implement a proof of-principle experiment to show that circuit functionality during sensory stimulation can be tested in the immobilised transgenic animal using two-photon calcium imaging. DT’s optical features combined with rich behaviour and genetic amenability open the way to investigate the underlying mechanisms for neural computations performed by single cells. Hence, establishing DT as a new model organism throughout this thesis enables targeting the fourth and ultimate goal of systems neuroscience in the adult vertebrate.Im Forschungsbereich systemische Neurowissenschaften ist eine der grossen Herausforderung zu verstehen, wie das Gehirn Verhalten dirigiert. Dieses Ziel erfordert vier Schritte beginnend mit dem Charakterisieren eines interessanten Verhaltens. Zweitens, müssen dazu entsprechend relevante Neurone und neuronale Netzwerke identifizieren werden. Drittens gilt es die Verrechnungen innerhalb beteiligter Neurone zu studieren und letztlich die dahinter steckenden Mechanismen zu erkennen. Durch die Grösse und Undurchsichtigkeit von Gehirnen adulter Wirbeltiere war es bis dato unmöglich all diese Ziele gemeinsam in einem Modell zu studieren. Zellulaere Bestandteile, insbesondere Lipide und Proteine, haben lichtstreuende Eigenschaften und verhindern das Anregen und Messen von Fluoreszenzsignalen in tieferen Bereichen des Gehirns. Als Folge koennen nur sehr begrenzte Ausschnitte des erwachsenen Wirbeltiergehirns optisch untersucht werden. In dieser Doktorarbeit etabliere ich einen neuen Modelorganismus - den teleosten Süsswasserfisch Danionella translucida (DT). Anders als die meisten Vertebraten bleibt die DT auch während erwachsener Entwicklungsstadien klein und transparent, welches die Mehrheit ihrer Neurone optischen Methoden zugänglich macht. Desweiteren zeigt die DT komplexe Verhalten wie Fortpflanzungsverhalten, koordiniertes Schwimmen in der Gruppe, Kampfverhalten und beachtlicherweise Vokalisierungsverhalten. Ziel dieser Arbeit war es grundlegende Experimente durchzufuehren, um die DT als neuen Modelorganismus für systemische Neurowissenschaften zu etablieren. Dazu charakterisiere ich als Erstes die Grundzüge verschiedener Verhalten mit Schwerpunkt auf dem Vokalisierungsverhalten. Zweitens zeige ich, dass die DT genetisch manipulierbar ist, um sie für optische Studien neuronaler Netzwerkanatomie und -funktionalität anzupassen. Dazu inseriere ich mit Tol2-Transgenese einen Kalziumsensor in das Genom der DT und unterbinde mit Crispr/Cas9 ihre Pigmentierung durch Genveränderung des Enzyms Tyrosinase. Drittens, demonstriere ich in einem proof-of-principle Experiment am transgenen Tier, dass die DT sich während sensorischer Stimulierung unter dem Zwei-photonen Mikroskop auf Aktivitätseigenschaften in einzelnen Zellen innerhalb neuronaler Netzwerke untersuchen lässt. Die genetisch veränderbare DT eignet sich durch ihre optischen Eigenschaften und ihr komplex ausgebildetes Verhalten sehr gut zur Untersuchung neuronaler Netzwerke und der mechanistischen Verarbeitung innerhalb individueller Zellen. Damit trägt das Etablieren der DT als neuen Modelorganismus innerhalb dieser Arbeit direkt zur Adressierung der vierten Fragestellung systemischer Neurowissenschaften bei