Memory in the lab versus memory in the wild: How effectively do mechanisms generalize across contexts?

Abstract

English summary A large portion of human interactions with the environment depends on the accurate estimation of spatial and temporal magnitudes in the order of seconds to minutes. Through these dynamic interactions, humans extract regularities to build a stable, predictive model of the environment: a cognitive map. A critical brain structure involved in this process is the hippocampal formation, typically associated with spatial information processing during navigation. In this thesis, the aim is to investigate whether the hippocampal formation contributes to the processing of temporal information for human timing behavior. The main assumption is that a general coding of statistical regularities by the hippocampal formation underlies the processing of spatial and temporal information. In a series of experiments, I explored how the encoding of task temporal regularities influences behavioral and functional magnetic resonance imaging (fMRI) activity patterns. The first project revealed how decreasing the reliability of sensory measurement of durations, by manipulating attention and working memory, increases the influence of prior knowledge on duration estimates. The second and third projects combine a dynamic sensorimotor timing task, fMRI and Bayesian modeling to show how the encoding of temporal regularities drives systematic behavioral, hippocampal, and entorhinal activity patterns. The results from these experiments provide the first evidence that hippocampal and entorhinal activity, together with entorhinal grid-like signals, may support dynamic human timing behavior. Finally, I discuss the idea that the neural population rescaling observed in neocortical regions during sensorimotor timing tasks could also be implemented in the hippocampal formation when processing episodic memory sequences. Such a mechanism may support flexible changes in sequence progression speed that underlie mental navigation. As a whole, this thesis paves the way for future work exploring domain-general coding principles in the hippocampal formation and their contribution to spatiotemporal sensorimotor cognitive maps.

Norsk sammendrag En stor del av menneskelig interaksjon med omgivelsene er avhengig av nøyaktig estimering av romlige og tidsmessige omfang i størrelsesorden fra sekunder til minutter. Gjennom disse dynamiske interaksjonene trekker mennesker ut regelmessigheter for å bygge en stabil, prediktiv modell av omgivelsene: et kognitivt kart. En kritisk hjernestruktur involvert i denne prosessen er hippocampusformasjonen, vanligvis assosiert med romlig informasjonsbehandling under navigering. I denne oppgaven er målet å undersøke om hippocampusformasjonen bidrar til prosessering av tidsinformasjon for menneskelig timingatferd. Hovedantakelsen er at hippocampusformasjonens generelle koding av statistiske regelmessigheter ligger til grunn for behandlingen av romlig og tidsmessig informasjon. I en serie eksperimenter undersøkte jeg hvordan kodingen av oppgavens tidsmessige regelmessigheter påvirker atferdsrelaterte og nevrale (kvantifisert med funksjonell magnetresonanstomografi, fMRI) aktivitetsmønstre. Det første prosjektet viste hvordan reduksjon av påliteligheten til sensorisk måling av varighet ved å manipulere oppmerksomhet og arbeidsminne øker innflytelsen av forkunnskaper på varighetsestimater. Det andre og tredje prosjektet kombinerer en dynamisk sensorimotorisk timingoppgave, fMRI og Bayesiansk modellering for å vise hvordan kodingen av tidsmessige regelmessigheter driver systematiske atferds-, hippocampale og entorhinale aktivitetsmønstre. Disse resultatene gir det første beviset på at hippocampal og entorhinal aktivitet, sammen med signaler som ligner på gridcellene, kan støtte dynamisk menneskelig timingatferd. Til slutt diskuterer jeg ideen om at den nevrale populasjonsreskaleringen observert i neokortikale regioner under sensorimotoriske timingoppgaver også kan implementeres i hippocampusformasjonen når episodiske minnesekvenser prosesseres. En slik mekanisme kan støtte fleksible endringer i sekvensprogresjonshastighet som ligger til grunn for mental navigasjon. I sin helhet baner denne oppgaven vei for fremtidig arbeid med å utforske domenegenerelle kodingsprinsipper i hippocampusformasjonen og deres bidrag til rom- og tidsmessige sensorimotoriske kognitive kart.