Neurophysiological and behavioral measures were obtained from 32 senescent (28--34 mo) and 32 mature adult (10--16 mo) rats. Extracellularly recorded synaptic responses were obtained from electrodes chronically implanted in the fascia dentata and perforant path. The rats were first tested on a circular platform, which favored the use of spatial cues for its solution, and the senescent rats were shown to exhibit poorer memory for the rewarded place. When granule cell synaptic responses were recorded after a single session of very brief high-frequency stimulation, the amount of elevation and time course of decline were equivalent between age groups. Af ter three repetitions, however, the young rats maintained the increased synaptic strength for at least 14 days, whereas the old rats declined after the first session. The amount of synaptic enhancement was statistically correlated with the ability to perform the circular platform task both within and between groups. Furthermore, the aftereffects of the high-frequency stimulation selectively impaired the old rats' spontaneous alternation behavior on a T-maze. Certain other neurophysiological and electroencephalographic measures did not distinguish between age groups. The results are discussed in terms of the synaptic theory of memory formation and of their relevance to the aging process.

O'Keefe and Recce [1993] Hippocampus 3:317–330 described an interaction between the hippocampal theta rhythm and the spatial firing of pyramidal cells in the CA1 region of the rat hippocampus: they found that a cell's spike activity advances to earlier phases of the theta cycle as the rat passes through the cell's place field. The present study makes use of large-scale parallel recordings to clarify and extend this finding in several ways: 1) Most CA1 pyramidal cells show maximal activity at the same phase of the theta cycle. Although individual units exhibit deeper modulation, the depth of modulation of CA1 population activity is about 50%. The peak firing of inhibitory interneurons in CA1 occurs about 60° in advance of the peak firing of pyramidal cells, but different interneurons vary widely in their peak phases. 2) The first spikes, as the rat enters a pyramidal cell's place field, come 90°–120° after the phase of maximal pyramidal cell population activity, near the phase where inhibition is least. 3) The phase advance is typically an accelerating, rather than linear, function of position within the place field. 4) These phenomena occur both on linear tracks and in two-dimensional environments where locomotion is not constrained to specific paths. 5) In two-dimensional environments, place-related firing is more spatially specific during the early part of the theta cycle than during the late part. This is also true, to a lesser extent, on a linear track. Thus, spatial selectivity waxes and wanes over the theta cycle. 6) Granule cells of the fascia dentata are also modulated by theta. The depth of modulation for the granule cell population approaches 100%, and the peak activity of the granule cell population comes about 90° earlier in the theta cycle than the peak firing of CA1 pyramidal cells. 7) Granule cells, like pyramidal cells, show robust phase precession. 8) Cross-correlation analysis shows that portions of the temporal sequence of CA1 pyramidal cell place fields are replicated repeatedly within individual theta cycles, in highly compressed form. The compression ratio can be as much as 10:1. These findings indicate that phase precession is a very robust effect, distributed across the entire hippocampal population, and that it is likely to be inherited from the fascia dentata or an earlier stage in the hippocampal circuit, rather than generated intrinsically within CA1. It is hypothesized that the compression of temporal sequences of place fields within individual theta cycles permits the use of long-term potentiation for learning of sequential structure, thereby giving a temporal dimension to hippocampal memory traces. © 1996 Wiley-Liss, Inc.

Prostaglandins play important and diverse roles in the CNS. The first step in prostaglandin synthesis involves enzymatic oxidation of arachidonic acid, which is catalyzed by prostaglandin H(PGH) synthase, also referred to as cyclooxygenase. We have cloned an inducible form of this enzyme from rat brain that is nearly identical to a murine, mitogen-inducible cyclooxygenase identified from fibroblasts. Our studies indicate that this gene, here termed COX-2, is expressed throughout the forebrain in discrete populations of neurons and is enriched in the cortex and hippocampus. Neuronal expression is rapidly and transiently induced by seizures or NMDA-dependent synaptic activity. No expression is detected in glia or vascular endothelial cells. Basal expression of COX-2 appears to be regulated by natural synaptic activity in the developing and adult brain. Both basal and induced expression of COX-2 are inhibited by glucocorticoids, consistent with COX-2 regulation in peripheral tissues. Our studies indicate that COX-2 expression may be important in regulating prostaglandin signaling in brain. The marked inducibility in neurons by synaptic stimuli suggests a role in activity-dependent plasticity.

Neuronal activity is an essential stimulus for induction of plasticity and normal development of the CNS. We have used differential cloning techniques to identify a novel immediate-early gene (IEG) cDNA that is rapidly induced in neurons by activity in models of adult and developmental plasticity. Both the mRNA and the encoded protein are enriched in neuronal dendrites. Analysis of the deduced amino acid sequence indicates a region of homology with alpha-spectrin, and the full-length protein, prepared by in vitro transcription/translation, coprecipitates with F-actin. Confocal microscopy of the native protein in hippocampal neurons demonstrates that the IEG-encoded protein is enriched in the subplasmalemmal cortex of the cell body and dendrites and thus colocalizes with the actin cytoskeletal matrix. Accordingly, we have termed the gene and encoded protein Arc (activity-regulated cytoskeleton-associated protein). Our observations suggest that Arc may play a role in activity-dependent plasticity of dendrites.

It is widely believed that the brain processes information and stores memories by modifying and stabilizing synaptic connections between neurons. In experimental models of synaptic plasticity, such as long-term potentiation (LTP), the stabilization of changes in synaptic strength requires rapid de novo RNA and protein synthesis. Candidate genes, which could underlie activity-dependent plasticity, have been identified on the basis of their rapid induction in brain neurons. Immediate-early genes (IEGs) are induced in hippocampal neurons by high-frequency electrical stimulation that induces LTP and by behavioral training that results in long-term memory (LTM) formation. Here, we investigated the role of the IEG Arc (also termed Arg3.1) in hippocampal plasticity. Arc protein is known to be enriched in dendrites of hippocampal neurons where it associates with cytoskeletal proteins (Lyford et al., 1995). Arc is also notable in that its mRNA and protein accumulate in dendrites at sites of recent synaptic activity (Steward et al., 1998). We used intrahippocampal infusions of antisense oligodeoxynucleotides to inhibit Arc protein expression and examined the effect of this treatment on both LTP and spatial learning. Our studies show that disruption of Arc protein expression impairs the maintenance phase of LTP without affecting its induction and impairs consolidation of LTM for spatial water task training without affecting task acquisition or short-term memory. Thus, Arc appears to play a fundamental role in the stabilization of activity-dependent hippocampal plasticity.

Hippocampal neurons were recorded under conditions in which the recording chamber was varied but its location remained unchanged versus conditions in which an identical chamber was encountered in different places. Two forms of neuronal pattern separation occurred. In the variable cue-constant place condition, the firing rates of active cells varied, often over more than an order of magnitude, whereas the location of firing remained constant. In the variable place-constant cue condition, both location and rates changed, so that population vectors for a given location in the chamber were statistically independent. These independent encoding schemes may enable simultaneous representation of spatial and episodic memory information.

During slow wave sleep (SWS), traces of neuronal activity patterns from preceding behavior can be observed in rat hippocampus and neocortex. The spontaneous reactivation of these patterns is manifested as the reinstatement of the distribution of pairwise firing-rate correlations within a population of simultaneously recorded neurons. The effects of behavioral state [quiet wakefulness, SWS, and rapid eye movement (REM)], interactions between two successive spatial experiences, and global modulation during 200 Hz electroencephalographic (EEG) “ripples” on pattern reinstatement were studied in CA1 pyramidal cell population recordings. Pairwise firing-rate correlations during often repeated experiences accounted for a significant proportion of the variance in these interactions in subsequent SWS or quiet wakefulness and, to a lesser degree, during SWS before the experience on a given day. The latter effect was absent for novel experiences, suggesting that a persistent memory trace develops with experience. Pattern reinstatement was strongest during sharp wave–ripple oscillations, suggesting that these events may reflect system convergence onto attractor states corresponding to previous experiences. When two different experiences occurred in succession, the statistically independent effects of both were evident in subsequent SWS. Thus, the patterns of neural activity reemerge spontaneously, and in an interleaved manner, and do not necessarily reflect persistence of an active memory (i.e., reverberation). Firing-rate correlations during REM sleep were not related to the preceding familiar experience, possibly as a consequence of trace decay during the intervening SWS. REM episodes also did not detectably influence the correlation structure in subsequent SWS, suggesting a lack of strengthening of memory traces during REM sleep, at least in the case of familiar experiences.