Exploration of larval zebrafish internal states using temperature

Les animaux doivent constamment s'adapter à leur environnement pour survivre. Le comportement spontané de l'animal est donc modulé par les informations sensorielles qu'il extrait de son environnement, mais présente une variabilité intrinsèque, à la fois entre individus et au sein d'un même individu. La régulation de l'état interne qui définit à chaque instant le comportement observé, et comment celui-ci peut être modulé par les conditions environnementales, reste mal comprise. Dans le cadre de cette thèse, nous utilisons la larve de poisson-zèbre, un vertébré permettant l’enregistrement de l’ensemble du cerveau, pour sonder cette dynamique interne. La température permet la modulation des dynamiques internes individuelles et sert de levier pour l'étude de la variabilité chez cet animal. Une étude comportementale nous a permis d’établir comment les paramètres qui contrôlent la navigation du poisson dépendaient à la fois de la température absolue et de sa variation temporelle, permettant à l’animal de se confiner dans une plage de température de 22--28\degree C. Nous avons par ailleurs établi les cartes de réponses neuronales à l'échelle du cerveau entier à de brefs stimuli thermiques. Elles démontrent que les régions impliquées dans le traitement des signaux chauds et froids sont distinctes et toutes deux largement distribuées dans l'ensemble du cerveau. Dans une deuxième partie, nous nous sommes intéressés au comportement exploratoire et à sa variabilité pour des larves nageant dans de l'eau à différentes températures en l’absence de gradient thermique. Nous avons montré que la dynamique de nage est contrainte à un espace fixe défini par la structure statistique des différents paramètres cinématiques, espace sondé par l’animal sur des temps caractéristiques de plusieurs dizaines de minutes. Nous nous sommes ensuite focalisés sur un circuit neuronal qui contrôle l'orientation de la nage (droite vs gauche), dont l'activité présente une propriété de persistance sur des temps longs. Nous avons montré que les temps de persistance orientationnelle comportementaux et neuronaux évoluent de manière cohérente avec la température du bain. Ces données d’enregistrement neuronaux ont servi à entraîner un modèle sur réseau (modèle d'Ising) capable de reproduire la dynamique neuronale observée. En conclusion, ce travail a permis de fournir une description quantitative de la dynamique exploratoire spontanée de la larve de poisson zèbre, son caractère stochastique et variable, et l’influence de la température sur ce comportement. L’imagerie fonctionnelle, couplée à la modélisation des circuits neuronaux, nous a permis d’éclairer certains des mécanismes neuronaux à l’origine de ces observations.Animals have to continuously adapt to their environment. Spontaneous behavior is thus modulated by sensory cues extracted from its environment, but shows an intrinsic variability, both between individuals and within individuals. The regulation of the internal state that defines the observed behavior at each moment, and how it is modulated by environmental conditions, remains elusive. In this thesis, we use zebrafish larva, a vertebrate amenable to whole-brain imaging, to probe these internal dynamics. Temperature allows the modulation of individual internal dynamics and serves as a lever for the study of variability in this animal. A behavioral study allowed us to establish how the paramaters that control fish navigation were dependent on both absolute temperature and its temporal variation, allowing the animal to confine itself to a temperature range of 22--28\degree{C}. We also mapped whole-brain neural response to brief thermal stimuli. These demonstrate that regions involved in processing hot and cold signals are distinct and both widely distributed throughout the brain. In a second part, we focused on exploratory behavior and its variability for larvae swimming in water at different temperatures without thermal gradient. We showed that the swimming dynamics is constrained within a fixed space defined by the statistical structure of the different kinematic parameters, a space probed by the animal over several tens of minutes. We then focused on a neural circuit controlling the orientation of the swim (right vs left), whose activity shows a persistence property over long times. We showed that behavioral and neural orientational persistence times evolve consistently with bath temperature. These neural recording data were used to train a network model (Ising model) able to reproduce the observed neural dynamics. In conclusion, this work has provided a quantitative description of the spontaneous exploratory dynamics of larval zebrafish, its stochastic and variable character, and the influence of temperature on this behavior. Functional imaging, coupled with neural circuit modeling, has allowed us to shed light on some of the neural mechanisms behind these oberservations