Spatial Representation in the Brain: Hippocampal Impact on Entorhinal Grid Cells

Abstract

Spatial navigation depends on two processes; recognition of landmarks in the environment and internal calculation of current position based on direction and distance of self-motion. This thesis explores how these processes are being performed by neural networks in the brain areas hippocampus and the entorhinal cortex. While place cells in the hippocampus represent position in context of the local environment, grid cells in the entorhinal cortex use self-motion cues to create a metric map and represent current position. This code offers a unique insight into complex cognitive processing in higher-order cortical networks.

This thesis focuses on how the backprojections from the hippocampus affect entorhinal grid cell firing, how directional signals are organized in the entorhinal cortex and how brain rhythms contribute to network function. Spiking activity and local field potential from these two areas were recorded in freely behaving rats, partially during temporal inactivation of the hippocampus by local drug infusion.

Paper I and II explore how brain rhythms influence the code of entorhinal and hippocampal cells. In Paper I, we found that the temporal coding principle “theta phase precession” exists in entorhinal grid cells, independently of hippocampal backprojections. Paper II identifies a role of different gamma frequencies in dynamic routing of information, by demonstrating that frequency switch of the hippocampal gamma frequency dynamically can alter neuronal interaction between cell assemblies. Paper III shows that hippocampal backprojections are crucial for the generation of the periodic grid pattern of entorhinal grid cells, and supports a model for grid formation in inhibitory attractor networks. Furthermore, it dissociates the organization of directional and periodic spatial information in the MEC. Paper IV shows that head-direction cells in MEC layer III, like grid cells, are topographically organized according to directional tuning. In contrast to the discrete grid scale, the directional scale is continuous, which points towards different underlying mechanisms.

Together, the results reveal important features of topographical and temporal organization of information in the hippocampal-entorhinal system. These findings have implications for the mechanisms underlying the firing characteristics for entorhinal cell types, in particular the striking periodic pattern of entorhinal grid cells. Furthermore, the findings may reflect general principles for neural network function, and have implications for the understanding of brain disease.

Koding av sted i nevrale nettverk – betydningen av hippocampus for grid-celler i entorhinal cortex

For å navigere i omgivelsene bruker vi to strategier ; å kjenne igjen landemerker og å beregne aktuell posisjon utifra retning og distanse på bevegelsene våre. Denne avhandlingen utforsker hvordan disse prosessene utføres i nevrale nettverk i hjerneområdene hippocampus og entorhinal cortex. Steds-celler i hippocampus koder for sted utifra kjennetegn ved miljøet vi befinner oss i, mens grid-celler i entorhinal cortex lager et metrisk kart over omgivelsene og beregner hvordan vi beveger oss i dem. Koden til grid-cellene består av et triangulært rutenett over miljøet, et unikt mønster som gjør det mulig å undersøke komplekse kognitive prosesser i høyere hjernenettverk.

Denne avhandlingen fokuserer på hvordan hippocampus påvirker aktiviteten til grid-celler, hvordan retningssignaler er organisert i entorhinal cortex og hvordan hjernerytmer bidrar til nettverksprosesseringen. Disse spørsmålene studeres ved å registrere hjerneaktivitet hos rotter som beveger seg fritt rundt i et miljø, dels under farmakologisk inaktivering av hippocampus.

Artikkel I and II utforsker hvordan hjernerytmer påvirker den nevrale koden i entorhinal cortex og hippocampus. I Artikkel I fant vi at grid-celle-signalene er kodet i en spesiell relasjon til thetarytmen. Artikkel II viser hvordan frekvens-regulering av gamma-rytmen kan bestemme hvordan ulike hjerneområder samarbeider. Artikkel III viser at grid-cellene i entorhinal cortex avhenger av hippocampus for å lage grid-kart, og underbygger en ny modell for hvordan grid-mønsteret oppstår, basert på inhibitoriske attraktor-nettverk. Videre avdekker artikkelen aspekter for hvordan retningssignaler og periodiske stedssignaler prosesseres og integreres i entorhinal cortex. Artikkel IV viser at hoderetnings-celler i lag III av entorhinal cortex er topografisk organisert etter signaloppløsning, etter lignende prinsipp som grid-celler, men som følge av ulik mekanisme.

Til sammen avdekker resultatene viktige egenskaper for organisering og prosessering av informasjon i hippocampus-entorhinal-systemet. Disse funnene har betydning for å forstå mekanismene som ligger til grunn for nevral koding i disse områdene, som igjen kan reflektere generelle prinsipper for hvordan høyere hjernefunksjoner fungerer, og ha betydning for forståelsen av sykdommer i hjernen.