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.