Pattern completion, the ability to retrieve complete memories on the basis of incomplete sets of cues, is a crucial function of biological memory systems. The extensive recurrent connectivity of the CA3 area of hippocampus has led to suggestions that it might provide this function. We have tested this hypothesis by generating and analyzing a genetically engineered mouse strain in which the N -methyl- d -asparate (NMDA) receptor gene is ablated specifically in the CA3 pyramidal cells of adult mice. The mutant mice normally acquired and retrieved spatial reference memory in the Morris water maze, but they were impaired in retrieving this memory when presented with a fraction of the original cues. Similarly, hippocampal CA1 pyramidal cells in mutant mice displayed normal place-related activity in a full-cue environment but showed a reduction in activity upon partial cue removal. These results provide direct evidence for CA3 NMDA receptor involvement in associative memory recall.

Subcellular-sized, ultraflexible electrodes form seamless integration with the living brain and afford chronically reliable recording.

Abstract Fragile X syndrome (FXS) is the leading monogenetic cause of cognitive impairment and autism spectrum disorder. Area CA1 of the hippocampus receives current information about the external world from the entorhinal cortex via the temporoammonic (TA) pathway. Given its role in learning and memory, it is surprising that little is known about TA long-term potentiation (TA-LTP) in FXS. We found that TA-LTP was impaired in fmr1 KO mice. Furthermore, dendritic Ca 2+ influx was smaller and dendritic spike threshold was depolarized in fmr1 KO mice. Dendritic spike threshold and TA-LTP were restored by block of A-type K + channels. The impairment of TA-LTP coupled with enhanced Schaffer collateral LTP may contribute to spatial memory alterations in FXS. Furthermore, as both of these LTP phenotypes are attributed to changes in A-type K + channels in FXS, our findings provide a potential therapeutic target to treat cognitive impairments in FXS.

Abstract How episodic memories are stored within brains is poorly understood. While certain memory-retaining neurons have been potentially identified 1–3 , it is unclear if they retain learned information 4,5 . Further, there is considerable evidence that neuronal activity is unstable and may require additional mechanisms to support robust memory 6–11 . To examine these issues, we recorded the activity of a hippocampal CA1 neuronal population for 7 days as mice learned cued reward locations. These data and modelling results suggest that two place cell (PC) pools, distinguished by place field (PF) stability, are formed each day (transient: ~1.5 days; sustained: ~2 weeks) 8 . Notably, the proportions of these pools changed across the week as unstable transient PCs were progressively replaced by sustained PCs, markedly enhancing the stability of the total representation. This growing stable representation contained behaviorally relevant information and sustained PCs became active immediately at the start of each session. Finally, the initial formation of sustained PCs was associated with a higher rate and efficacy of behavioral timescale synaptic plasticity (BTSP) and these PCs showed elevated and more reliable activity. It, therefore, appears that BTSP stabilizes particularly informative PCs, incorporating them into an expanding and readily retrievable representation that displays hallmarks of a long-lasting memory.

Abstract Behavioral timescale synaptic plasticity (BTSP) is a type of non-Hebbian synaptic plasticity reported to underlie place field formation in the hippocampal CA1 neurons. Despite this important function, the molecular mechanisms underlying BTSP are poorly understood. The α-Calcium-calmodulin-dependent protein kinase II (αCaMKII) is activated by synaptic transmission-mediated calcium influx and its subsequent phosphorylation is central to synaptic plasticity. Because the activity of αCaMKII is known to outlast the event triggering phosphorylation, we hypothesized it could be involved in the extended timescale of the BTSP process. To examine the role of αCaMKII in BTSP, we performed whole-cell in-vivo and in-vitro recordings in CA1 pyramidal neurons from mice engineered to have a point mutation at the autophosphorylation site (T286A) causing accelerated signaling kinetics. Here we demonstrate a profound deficit in synaptic plasticity, strongly suggesting that αCaMKII signaling is required for BTSP. This study elucidates part of the molecular mechanism of BTSP and provides insight into the function of αCaMKII in place cell formation and ultimately learning and memory. Teaser The molecular mechanisms of BTSP have been revealed to require the autophosphorylation of CaMKII.