Neural patterns in the hippocampus
Abstract
Summary:
Memories make us who we are. Personal memories are tightly coupled to space – we often
remember what happened where and when. Accordingly, by investigating how spatial memories are
represented in the rodent brain we can begin to increase our knowledge about higher cognitive brain
functions, specifically and in general. The hippocampus is crucial for storing and retrieving memories
for experiences as well as locations. Place specific neurons in the hippocampus are involved in
personal and spatial memories, and have been found in the brains of both humans and animals.
During our lifetime we experience countless of different events. We questioned therefore whether
there is a limit to the storage capacity for memories of different places, and if the hippocampus
consists of a sparse and heterogeneous population of cells, and if we could see signs of this by testing
rats in navigational memory tasks.
In paper I, rats were exposed to numerous (eleven) separate spatial locations chasing chocolate
crumbles while we recorded activity from place cells in one of the hippocampal subregions. Despite
several overlapping features between all the elven rooms, the hippocampus generated distinct and
independent representations for each and every room. The findings indicate that hippocampal
storage capacity is large. Immediate formation of a new spatial memory was also observed, as
activity patterns were reactivated when animals re-experienced a location they had experienced only
once before, several hours earlier and after many similar but different locations were experienced in
the meantime. The rats remembered a novel location instantly, demonstrating the hippocampal
involvement in rapid one-trial learning.
We also noticed, in Paper I, that the majority of the place specific neurons were active in very few
rooms while a small percentage of cells were active in most of the rooms. This implies that activation
probability differs between cells and points towards a heterogeneous cell population. We did the
same observation in Paper II and III, using a different technique for indirect measurement of neural
activity, namely expression of activity-dependent immediate early genes. Here we observed an
underrecruitment of cells compared to what was expected if each individual cell had an equal
probability for activation. Observations from all three papers indicate that the hippocampal activity is
sparse and that the connectivity pattern of cell populations is not random.
In the work comprising this thesis we have shown that the hippocampal storage capacity is large and
that the hippocampus consist of a sparse and heterogeneous population of cells. The findings in the
thesis provides an explanation for why and how the ancient memory technique, called the Method of
Loci works. By creating an independent representation for each room in a memory palace, it is
possible to remember many separate episodes and at the same time avoid confusion by intermixing
spatially related memories. Norsk sammendrag:
Nevrale representasjoner i hippocampus
Hukommelsen vår utgjør hvem vi er - vi er hva vi husker, og våre personlige minner er som regel
knyttet tett opp mot stedsminner. Vi husker hva som skjedde hvor og når. Vi kan altså øke vår
forståelse av høyere kognitive funksjoner, som hukommelse, ved å undersøke hvordan
stedsinformajon er representert i rottehjernen. Hippocampus er en hjernestruktur som er særdeles
viktig for lagring og gjenhenting av minner for hendelser så vel som steder. I hippocampus finner vi
hjerneceller som er aktive i et spesifikt og avgrenset område av et rom og disse cellene har blitt
observert både hos rotter og mennesker. I løpet av livet opplever vi utrolig mange episoder og
hendelser. Vi lurte derfor på om det er en begrensning i antall hendelser vi kan huske. I tillegg lurte vi
på om representatsjonen av et sted i hippocampus er sparsom og hvorvidt hippocampus består av en
cellepopulasjon som er uensartet (ulike celler har ulike egenskaper). Vi søkte etter svar på disse
spørsmålene ved å teste rotter i oppgaver som omhandler stedssans og hukommelse.
I artikkel I, presenterte vi rotter for elleve ulike rom og målte hjerneaktiviteten til celler i
hippocampus mens rottene løp rundt og spiste sjokoladekjeks. På tross av vår innsats i å gjøre
rommene så like som mulig viste det seg at hippcampus laget helt egne og uavhengige kart, eller
minner for hvert eneste rom. Disse funnene indikerer at lagringskapasiteten er stor. Vi observerte
også hurtig innlæring som var evident gjennom at en representasjon for et rom, som kun var opplevd
en eneste gang, ble reaktivert når rottene ble presentert for det samme rommet flere timer senere,
etter å ha opplevd mange andre men like hendelser i mellomtiden.
Vi observerte også, i artikkel I, at de aller fleste stedsspesifikke cellene i hippocampus var aktive i
veldig få av de elleve rommene mens en liten andel av cellene var aktive i de aller fleste rommene.
Dette kan bety at sannsynligheten for at en celle aktiveres i et rom, er ulik på tvers av celler og at
populasjonen av celler er heterogen. Vi observerte det samme resultatet i artikkelene II og III, hvor vi
tok i bruk en annen metode som måler nervecelleaktiviteten etter atferd på en indirekte måte ved å
se på uttrykkingen av aktivitets-avhengige gener. Vi så en underrekrutering av antall aktive celler
sammenliknet med hva som er forventet hvis hver enkelt hjernecelle har like sjanse for å bli aktivert.
Alle tre artiklene presentert i denne doktorgradstesen fant at aktiveringen er sparsom og at
koblingsmønstrene sannsynligvis ikke er tifeldige.
Vi har vist, i arbeidet som utgjør denne doktorgradstesen, at lagringskapasiteten er stor, samt at
hippocampus består av en sparsom og heterogen cellepopulasjon. Disse funnene bidrar til å forklare
hvordan den antikke hukommelsesteknikken, Method of Loci, fungerer. Gjennom å lagre et unikt
minne, eller kart, for hvert eneste sted, er det mulig å lage og lagre mange ulike minner samtidig som
man unngår å blande sammen like hendelser.