Social modulation of neuronal complexity in zebrafish

Abstract

O ambiente social é a pressão externa mais complexa que os animais enfrentam, uma vez que inclui interações com outros indivíduos, que produzem respostas comportamentais imprevisíveis. Em resposta à variação do ambiente social, os indivíduos podem alterar os seus fenótipos comportamentais, um fenómeno conhecido como plasticidade fenotípica, que se baseia normalmente na plasticidade neural. A plasticidade neural é a capacidade que o cérebro tem de reorganizar a sua conectividade neural em resposta às mudanças ambientais e isto pode incluir mudanças na morfologia, nas funções neurofisiológicas, assim como modificações nas redes neuronais. O principal objetivo deste trabalho é avaliar o impacto da complexidade ambiental na arborização dendrítica e no tamanho das diferentes regiões do cérebro em peixe-zebra que cresceram em ambientes sociais distintos. Para alcançar este objetivo, a complexidade do ambiente social foi induzida através da variação do tamanho do grupo (pequeno vs. grande) e da estabilidade do grupo (estável vs. instável) levando a quatro tratamentos experimentais (pequeno estável, pequeno instável, grande estável, grande instável). A quantificação das dendrites foi realizada em cinco áreas cerebrais diferentes - Telencéfalo, Diencéfalo, Tecto ótico, Cerebelo e Tronco cerebral - utilizando a proteína 2 associada a microtúbulos, que se define como um marcador dendrítico. Encontrámos diferenças no tamanho e densidade dendrítica do cérebro relacionadas com a complexidade do ambiente social, de tal forma que os animais que cresceram em ambientes sociais menos complexos (cardumes pequenos e estáveis) apresentam uma diminuição na sua área cerebral e densidade dendrítica, que é acompanhada por alterações no comportamento social. Os nossos resultados indicam a relevância do ambiente social na modulação da complexidade neuronal durante o desenvolvimento, que é coincidente com as alterações a nível do comportamento. Esta modulação é induzida de forma diferente dependendo das área do cérebro, indicando uma diferenciação regional.

The social environment is the most complex external pressure that animals face since it includes interactions with other individuals, which have unpredictable outcomes. In response to variation in the social environment, individuals can alter their behavioural phenotypes, a phenomenon known as phenotypic plasticity, which is normally based on neural plasticity. Neural plasticity is the ability of the brain to reorganize its neural connectivity in response to environmental changes and might include changes in morphology, neurophysiological functions, as well as modifications in the neural networks. The main goal of this work was to assess the impact of environmental complexity in the dendritic arborization and the size of different brain regions in zebrafish reared in distinct social environments. To accomplish this objective the complexity of the social environment was induced through variation in group size (small vs. large) and group stability (stable vs. unstable) leading to four experimental treatments (SS, SU, LS, LU). The quantification of dendrites was performed in five different brain areas - Telencephalon, Diencephalon, Optic tectum, Cerebellum, and Brainstem -, using the microtubule-associated protein 2 has a dendritic marker. We found differences in brain size and dendritic density related to the complexity of the social environment, such that animals raised in less complex social environments (small and stable shoals) present a decrease in their brain area and dendritic density, which was paralleled by changes in their social behaviour. Our results indicate the relevance of the social environment in the modulation of neuronal complexity during development, which is paralleled by changes in behavioural performance. This modulation was also area-specific pointing to regional differentiation.