Effects of the hatchery environment on neurobiology and behaviour in Atlantic salmon : implications for stocking

The Atlantic salmon (Salmo salar) is an iconic fish species with a widespread historic abundance, but recent decades have witnessed a dramatic decline in wild stocks due to a variety of anthropogenic factors, especially overfishing and loss of habitat. To mitigate the impacts of these anthropogenic effects, millions of hatchery-reared Atlantic salmon are released yearly into rivers through stocking programs, which aim to augment the productivity of wild populations. However, these stocked fish are reared under uniform and stimulus-poor hatchery conditions and consequently, they are behaviourally naïve at time of release. For example, hatchery-reared salmonids often show impaired foraging and antipredator behaviour compared to wild conspecifics, which contributes to the observed high post-release mortality rates in stocked fish. Although the effects of the hatchery environment on fish behaviour are relatively well described, the brain, which is the key organ that translates environmental stimuli into appropriate behavioural responses, remains gravely understudied. The few studies which have investigated the impact of the hatchery environment on the fish central nervous system have mostly mapped the expression of neuroplasticity and neurogenesis genes in the entire brain, or large brain structures, such as the whole telencephalon. However, the brain is a complex organ, composed of a plethora of neural subpopulations, each with distinct functionalities and characteristics. When quantifying whole-brain levels of neuroplasticity markers, one studies a conglomerate of many different neural subregions, and regional differences can therefore not be detected. The aim of this thesis is to gain a better insight into the neural differences between wild and hatchery-reared fish, specifically within neural subpopulations of the telencephalon, and how innovative hatchery protocols can improve the neurobiology, behaviour and post-release survival of hatchery-reared salmon. First, we made a detailed characterisation of the neurobiology of juvenile wild and hatchery-reared Atlantic salmon parr. This was achieved by quantifying the expression of the neuroplasticity marker brain-derived neurotrophic factor (bdnf) and the neural activity marker cfos in five neural populations within the telencephalon of wild and hatchery-reared juvenile salmon under both basal and acute-stress conditions (Paper I). We found that expression of bdnf and cfos varied greatly between the studied telencephalic subregions, confirming that these subregions have a distinct responsiveness to environmental stimuli. Compared to wild fish, hatchery-reared fish of the same genetic origin showed higher post-stress neural activation in the ventral area of the dorsolateral pallium (Dlv), which is an important brain region associated with relational memory and spatial orientation. Furthermore, wild fish displayed stress-induced upregulation of bdnf in the dorsomedial pallium (Dm), which regulates emotional learning and stress reactivity, while this was not the case for hatchery-reared individuals. This study showed that targeting telencephalic subregions can reveal expression patterns that escape detection when studying the entire telencephalon as a whole. Moreover, we demonstrated that the hatchery environment affects neuroplasticity and neural activation in brain regions which are important for learning processes and stress reactivity, providing a neuronal foundation for the behavioural differences observed between wild and hatchery-reared fish. After we had characterised neural differences in telencephalic subregions between wild and hatchery-reared salmon, we assessed whether structural environmental enrichment (EE) of the rearing environment could increase region-specific neural plasticity and stocking success in hatchery-reared salmon (Paper II). After seven weeks of treatment, EE-reared parr showed higher post-release freshwater survival rates compared to control individuals, which were reared in standard uniform hatchery tanks. This improved stocking performance did not, however, appear to be linked to significant changes in the expression of telencephalic plasticity markers. Although structural EE has shown some, albeit inconsistent, beneficial effects on fish stocking success across studies, hatchery managers are reluctant to implement this measure in their hatcheries because of hygienic and operational limitations. Therefore, it is important to develop alternative rearing methods which can enhance fish neural development and are more practical to implement in the hatchery. One of these alternative rearing methods is swimming exercise, which has previously been linked to increased post-release survival in salmonids. As running exercise is associated with increased neural plasticity in mammals, we investigated in Paper III whether swimming exercise could serve as an alternative rearing strategy to promote Atlantic salmon neural plasticity and cognition. After eight weeks of sustained swimming, we found increased expression of neuroplasticity-related transcripts in the telencephalon transcriptome of exercised salmon. However, we did not find any evidence for increased cognition in exercised fish, in terms of their ability to solve a spatial orientation task in a maze test. While previous studies have reported positive physiological effects of swimming exercise, such as improved growth efficiency and stress reduction, this is the first time that exercise-enhanced neural plasticity has been reported in salmonids, building a case for exploring further the potential of implementing swimming exercise to improve the stocking success of reared salmonids. In summary, the results presented in this thesis advance the field of applied fish neurobiology in a stocking context by characterising telencephalic neural plasticity markers in Atlantic salmon on a more detailed level than previously studied. We demonstrate that EE can improve juvenile salmon survival during freshwater residency, but that the effects of EE on neural plasticity are limited in the studied telencephalic regions. We identify swimming exercise as a promising novel tool to improve neural plasticity in salmon, and we remark that exercise has additional physiological benefits and is relatively easy to implement in hatcheries. We therefore suggest that future work should aim at validating the potential use of exercise in the optimisation of hatchery conditions for stocking programs, and that further research is needed to increase our understanding on the link between the rearing environment, the brain and behaviour.

Laks (Salmo salar) er en ikonisk fiskeart som historisk sett har funnes i overflod, men som de siste tiår har opplevd en dramatisk nedgang i villpopulasjonen. Denne nedgangen skyldes hovedsakelig antropogene faktorer som overfisking og habitatinnskrenkning. Som en motkraft til den minkende populasjon blir det gjennom kultiveringsprogrammer satt ut millioner av fisk fra klekkerier og ut i elvene årlig. Disse fiskene er imidlertid vokst opp under uniforme og stimuluslave omgivelser, noe som gjør dem atferdsmessig naive i møte med elven. For eksempel viser utsatt laks nedsatt forings- og antipredatorevne sammenlignet med villaks, noe som bidrar til høyere dødelighet hos denne gruppen. Selv om klekkerimiljøets effekter på atferd er relativt godt beskrevet, så er hjernen, selve hovedorganet som omsetter omgivelsenes stimuli til en passende atferd, fremdeles underbeskrevet. De få studiene som har undersøkt påvirkningen fra klekkerimiljøet på fiskens sentrale nervesystem har stort sett kartlagt uttrykket av gener involvert i nevroplastisitet og nevrogenese i enten hele hjernen eller større hjernestrukturer, som telencephalon. Hjernen er imidlertid et komplekst organ, sammensatt av et utall nevrale subpopulasjoner, hver med distinkte funksjonaliteter og karakteristikker som driver ulike atferder. Når man kvantifiserer markører for nevroplastisitet på helhjerne-nivå, så studerer man et konglomerat av ulike nevrale regioner på samme tid og kan dermed ikke detektere eventuelle regionale forskjeller. Hensikten bak denne avhandlingen var dels å bedre forståelsen av potensielle nevrale forskjeller mellom klekkeri- og villfisk, og dels å undersøke om innovative klekkeriprotokoller kan forbedre nevrobiologien, atferden og overlevelsen til kultivert laks etter elveutsettelsen. Arbeidet startet med en detaljert karakterisering av nevrobiologien til kultivert og vill parr (juvenil laks). Dette ble oppnådd ved å kvantifisere genuttrykket av en nevroplastisitetsmarkør, brain-derived neurotrophic factor (bdnf), og en nevral aktivitetsmarkør, cfos, i fem ulike nevrale populasjoner innad i telencephalon til parr av klekkeri- og villaks under både basale- og akutte stress-tilstander (Artikkel I). Her fant vi at genuttrykket av bdnf og cfos varier sterkt mellom de ulike delene av telencephalon, noe som bekrefter at disse delene har distinkte responser til omgivelsene. Sammenlignet med villfisk har klekkerifisk, med det samme genetiske opphav som villfisken, høyere nevral aktivering etter stress i den ventrale delen av det dorsolaterale pallium (Dlv), et viktig område av hjernen assosiert med deklarativ hukommelse og romlig orientering. Videre hadde villfisken en stressindusert oppregulering av bdnf i det dorsomediale pallium (Dm), et område som regulerer emosjonell læring og stressreaktivitet, mens dette ikke var tilfelle for klekkerifisken. Dette studiet illustrerte at å undersøke delregioner av telencephalon kan avsløre mønstre som blir maskert ved å undersøke telencephalon som en enhet. I tillegg ble det vist at klekkerimiljøet påvirker nevroplastisiteten og den nevrale aktiviteten i hjerneområder viktige for læreprosesser og stressreaktivitet, noe som gir et nevralt fundament for de atferdsmessige forskjeller som blir observert mellom vill og kultivert fisk. Etter karakteriseringen av de nevrale forskjellene i telencephalons delregioner mellom vill og kultivert laks, undersøkte vi videre om strukturell berikelse av oppvekstmiljøet (EE) kunne bedre den regionspesifikke nevrale plastisiteten og kultiveringssuksessen av klekkerilaksen (Artikkel II). Etter syv ukers behandling viste EE-oppfostret parr høyere overlevelse etter utsetting i ferskvann enn kontrollindivider oppfostret i standard uniforme klekkeritanker. Den forbedrede kultiveringen ble imidlertid ikke gjenspeilet i signifikante endringer i telencephalons genuttrykk av plastisitetsmarkører. Selv om strukturell EE har demonstrert å gi noen, dog inkonsekvente, fordelaktige effekter på kultivering i flere studier, er klekkeriledere motvillige til å implementere dette grunnet de hygieniske og operasjonelle begrensinger de kan føre med seg. Det er derfor viktig å utvikle alternative oppfostringsmetoder som kan bedre fiskens nevrale utvikling og samtidig være mer praktisk å innføre i produksjonen. Ett slikt alternativ er svømmetrening, noe som tidligere har blitt knyttet til økt overlevelse hos laksefisk etter utsetting. Ettersom løping er assosiert med økt nevroplastisitet i pattedyr, undersøkte vi i Artikkel III om svømming kunne virke som en alternativ strategi for å bedre laksens nevroplastisitet og kognisjon. Etter åtte uker med vedvarende svømming fant vi økt uttrykk av nevroplastisitet-relaterte gentranskripter i telencephalons transkriptom hos de trente laksene. Vi testet deres evne til romlig orientering i en labyrinttest, men fant ingen bevis for økt kognisjon hos den trente fisken. Til tross for at tidligere studier har rapportert positive fysiologiske effekter av svømmetrening, slik som økt vekst eller stressreduksjon, så er dette første gang at trenings-stimulert nevroplastisitet har blitt rapportert i laksefisk, noe som indikerer at svømmetrening bør utforskes som en potensiell måte å øke utsettingssuksessen av klekkerilaks. Oppsummert bidrar resultatene i denne avhandlingen til en avansering av den anvendte fiskenevrobiologien i kultiveringssammenheng gjennom å karakterisere telencephalons nevroplastisitetsmarkører i laks på et mer detaljert nivå enn tidligere beskrevet. Vi viser at EE kan forbedre overlevelsen til parr i ferskvann, men at effektene av EE på nevroplastisitet er avmålte i de områder av telencephalon som ble studert her. Videre demonstrerer vi svømmetrening som et lovende nytt verktøy for forbedring av nevroplastisiteten i laks, samtidig som vi understreker at trening har ytterligere fysiologiske fortrinn og er relativt lett å få implementert i klekkeriene. Vi foreslår derfor at fremtidige arbeid har som mål å validere den potensielle nytten av trening i optimaliseringen av klekkeribetingelsene for kultivering og at fremtidige undersøkelser søker å forstå sammenhengen mellom oppvekstmiljøet, hjernen og atferd.

De Atlantische zalm (Salmo salar) is een iconische vissoort die oorspronkelijk in overvloed voorkwam, maar door menselijk handelen zijn de wereldwijde aantallen in de afgelopen decennia sterk gedaald, met name door overbevissing en verlies van leefgebied. Om afnemende wilde zalmpopulaties te ondersteunen worden jaarlijks miljoenen Atlantische zalmen gekweekt en vervolgens in rivieren vrijgelaten via uitzettingsprogramma’s. De omstandigheden in de kwekerijen zijn echter zeer uniform en prikkelarm, wat tot gevolg heeft dat de vis zich naïef gedraagt na vrijlating in de natuur. Vaak vertonen gekweekte zalmen bijvoorbeeld minder efficïent foerageergedrag en vallen ze snel ten prooi aan predators, en mede daardoor hebben ze een lage overlevingskans in het wild. De effecten van het kweken op het gedrag van vissen zijn redelijk goed beschreven, maar de effecten op de hersenen – het orgaan dat omgevingsprikkels vertaalt in geschikt gedrag – zijn tot nu toe sterk onderbelicht gebleven. De weinige studies die de impact van de kwekerijomgeving op het centraal zenuwstelsel van vissen hebben bestudeerd, hebben met name de expressie van neuroplasticitiets- en neurogenesegenen in kaart gebracht in de gehele hersenen, of in grote hersenstructuren zoals de gehele voorhersenen (telencephalon). De hersenen zijn echter een zeer complex orgaan en bestaan uit een overvloed aan neurale subpopulaties, ieder met verschillende functionaliteiten en kenmerken die specifieke typen gedrag aansturen. Bij het kwantificeren van neuroplasticiteitsmarkers in de gehele hersenen bestudeert men een verzameling van al deze neurale populaties, en nuances tussen hersengebieden kunnen niet worden gedetecteerd. Het doel van dit proefschrift is om een beter inzicht te krijgen in de neurale verschillen in subregio’s van het telencephalon tussen wilde zalm en gekweekte zalm, en hoe innovatieve kweekmethoden verbeteringen kunnen bewerkstelligen in de neurobiologie, het gedrag en de overleving van gekweekte zalm. Allereerst hebben we een gedetailleerde karakterisatie gemaakt van de neurobiologie van juveniele wilde zalm en kweekzalm. Daarvoor hebben we de expressie van de neuroplasticiteitsmarker bdnf en de neurale activiteitsmarker cfos gekwantificeerd in vijf neurale subregio’s van het telencephalon in wilde zalm en kweekzalm, zowel voor als na blootstelling aan een acute stressor (Paper I). We ontdekten dat de expressie van bdnf en cfos sterk varieerde tussen de bestudeerde subregio’s, hetgeen bevestigt dat deze regio’s ieder individuele eigenschappen hebben met betrekking tot hun reactie op externe stimuli. Vergeleken met wilde vis vertoonde de kweekvis van dezelfde genetische oorsprong na blootstelling aan stress een hogere neurale activering in het ventrale gebied van het dorsolaterale pallium (Dlv), een hersengebied dat belangrijk is voor relationeel geheugen en ruimtelijke oriëntatie. Gestresste wilde zalm vertoonde een verhoogde expressie van bndf in het dorsomediale pallium (Dm), dat belangrijk is voor het emotioneel geheugen en de stressrespons, terwijl dit niet het geval was voor gekweekte zalm. Deze studie toont aan dat het bestuderen van neurale subregio’s in het telencephalon bepaalde expressiepatronen kan onthullen die niet gedetecteerd kunnen worden wanneer het telencephalon in zijn geheel bestudeerd wordt. Verder hebben we aangetoond dat het kweken van invloed is op de neuroplasticiteit en neurale activatie in hersenregio’s die belangrijk zijn voor leerprocessen en de stressrespons. Deze resultaten kunnen een mogelijke verklaring geven voor de gedragsverschillen die worden waargenomen tussen wilde zalm en gekweekte zalm. Nadat we de neurale verschillen tussen wilde zalm en gekweekte zalm hadden gekarakteriseerd in de subregio’s van het telencephalon, hebben we in Paper II onderzocht of de hersenplasticiteit en overlevingskansen van gekweekte zalm kunnen worden verbeterd door de kwekerij te verrijken met objecten als stenen en planten (‘milieuverrijking’). Na zeven weken in een verrijkte omgeving hadden gekweekte zalmen een significant hogere overlevingskans na uitzetting in de rivier, vergeleken met een controlegroep die onder standaard omstandigheden was gekweekt. De verhoogde overlevingskans leek echter niet gepaard te gaan te met significante veranderingen in hersenplasticiteit. Hoewel milieuverrijking een aantal (maar inconsistente) gunstige effecten heeft laten zien op het succes van uitzettingsprogramma’s, zijn de eigenaren van kwekerijen terughoudend om milieuverrijking te implementeren vanwege hygiënische en operationele bezwaren. Het is daarom belangrijk om alternatieve kweekmethoden te ontwikkelen die een gunstig effect hebben op de neurale ontwikkeling van vissen, zonder praktische nadelen mee te brengen voor kwekerijen. Een van deze alternatieve kweekmethoden is het implementeren van zwemtraining, waarvan in eerdere studies al is gebleken dat het de overlevingskans van uitgezette zalm ten goede kan komen. Daarnaast is bekend dat rennen positieve effecten heeft op hersenplasticiteit in zoogdieren, maar de neurologische effecten van zwemtraining zijn nog nooit grondig onderzocht in vis. Daarom hebben we in Paper III onderzocht of zwemtraining de hersenplasticiteit en cognitie van Atlantische zalm kan bevorderen. Na acht weken zwemtraining vonden we verhoogde expressie van hersenplasticiteit-gerelateerde genen in het telencephalon van getrainde zalm. Echter, we hebben geen bewijs gevonden van verhoogde cognitie in getrainde vissen met betrekking tot het ruimtelijk geheugen bij het oplossen van een doolhof. Hoewel eerdere studies positieve fysiologische effecten van zwemtraining in vissen beschrijven, zoals een efficiëntere lichaamsgroei en verminderde stress, is dit de eerste keer dat is aangetoond dat zwemtraining ook de hersenplasticiteit van zalmen kan bevorderen. Daarom lijkt zwemtraining een veelbelovende methode om de overlevingskansen van uitgezette zalm te bevorderen. De resultaten die gepresenteerd worden in dit proefschrift leveren een bijdrage op het terrein van de toegepaste visneurobiologie doordat we de expressie van hersenplasticiteitsmarkers in het telencephalon van Atlantische zalm op een meer gedetailleerd niveau hebben gekarakteriseerd dan ooit tevoren. We laten zien dat milieuverrijking de overlevingskans van jonge zalm in de zoetwaterfase kan verbeteren, maar dat effecten van milieuverrijking op hersenplasticiteit beperkt zijn in de bestudeerde regio’s van het telencephalon. We identificeren zwemtraining als een veelbelovende alternatieve kweekmethode om de hersenplasticiteit in zalm te bevorderen, en merken daarnaast op dat zwemtraining toegevoegde fysiologische voordelen biedt en relatief eenvoudig te implementeren is in de kwekerij. Daarom stellen we voor dat toekomstige studies zich richten op de validatie van zwemtraining als methode om kweekomstandigheden te optimaliseren, en dat verder onderzoek de samenhang tussen kweekomstandigheden, hersenen en gedrag nauwkeuriger in kaart brengt.