ABSTRACT Spatial working memory (SWM) is a cognitive skill supporting survival-relevant behaviors, such as optimizing foraging behavior by remembering recent routes and visited sites. It is known that SWM decision-making in rodents requires the medial prefrontal cortex (mPFC) and dorsal hippocampus. The decision process in SWM tasks carries a specific electrophysiological signature of a brief, decision-related increase in neuronal communication in the form of an increase in the coherence of neuronal theta oscillations (4-12 Hz) between the mPFC and dorsal hippocampus, a finding we replicated here during spontaneous exploration of a plus maze in freely moving mice. We further evaluated SWM decision-related coherence changes within frequency bands above theta. Decision-related coherence increases occurred in seven frequency bands between 4 and 200 Hz and decision-outcome related differences in coherence modulation occurred within the beta and gamma frequency bands and in higher frequency oscillations up to 130 Hz. With recent evidence that Purkinje cells in the cerebellar lobulus simplex (LS) represent information about the phase and phase differences of gamma oscillations in the mPFC and dorsal hippocampus, we hypothesized that LS might be involved in the modulation of mPFC-hippocampal gamma coherence. We show that optical stimulation of LS significantly impairs SWM performance and decision-related mPFC-dCA1 coherence modulation, providing causal evidence for an involvement of cerebellar LS in SWM decision making at the behavioral and neuronal level. Our findings suggest that the cerebellum might contribute to SWM decision-making by optimizing the decision-related modulation of mPFC-dCA1 coherence.

The brain generates oscillatory neuronal activity at a broad range of frequencies and the presence and amplitude of certain oscillations at specific times and in specific brain regions are highly correlated with states of arousal, sleep, and with a wide range of cognitive processes. The neuronal mechanisms underlying the generation of brain rhythms are poorly understood, particularly for low-frequency oscillations. We recently reported that respiration-locked olfactory bulb activity causes delta band (0.5 - 4 Hz) oscillatory neuronal activity in the whisker sensory (barrel) cortex in mice. Furthermore, gamma oscillations (30 - 100Hz), which are widely implicated in cognitive processing, were power-modulated in synchrony with the respiratory rhythm. These findings link afferent sensory activity caused by respiration directly to cortical rhythms associated with cognitive functions. Here we review the related literature and present new evidence to propose that respiration has a direct influence on oscillatory cortical activity, including gamma oscillations, and on transitions between synchronous and asynchronous cortical network states (marked by phase transitions). Oscillatory cortical activity, as well as phase transitions, has been implicated in cognitive functions, potentially linking respiratory phase to cognitive processing. We further argue that respiratory influence on cortical activity is present in most, and possibly in all areas of the neocortex in mice and humans. We furthermore suggest that respiration had a role in modulating cortical rhythms from early mammalian evolution. Early mammals relied strongly on their olfactory sense and had proportionately large olfactory bulbs. We propose that to this day the respiratory rhythm remains an integral element of dynamic cortical activity in mammals. We argue that breathing modulates all cortical functions, including cognitive and emotional processes, which could elucidate the well-documented but largely unexplained effects of respiratory exercises on mood and cognitive function.

The cerebellum has long been recognized for its role in tasks involving precise timing, particularly the temporal coordination of movements. Here we asked whether cerebellar might be involved in the temporal coordination of the phases of neuronal oscillations in the medial prefrontal cortex (mPFC) and dorsal hippocampus CA1 region (CA1). These two structures and the cerebellum are jointly involved in spatial working memory. The phases of oscillations in the mPFC and CA1 have been shown to reach a stable alignment (coherence) during the decision making process in a spatial working memory task. Here we report that PC simple spike activity in the cerebellar lobulus simplex in awake, head-fixed mice represents specific phase differences between oscillations in the mPFC and CA1. Most PCs represented phase differences in more than one the conventional frequency bands (delta, theta, beta and gamma). Between the 32 PCs analyzed here, phase differences in all frequency bands were represented. PCs representing phase differences in the theta and low gamma bands showed significant population preference for mPFC phase leading CA1 phase. These findings support the possibility of a cerebellar involvement in the temporal coordination of phase relationships between oscillations in the mPFC and CA1.

Synchronization of neuronal spike activity is thought to play a key role in the transmission of information for sensory processing in the brain, and this synchronization is influenced by oscillatory population activity occurring in multiple frequency ranges at multiple stages of sensory pathways. In the neocortex, gamma frequency oscillations appear to play an important role in synchronizing neuronal ensembles and allowing for selective communication between regions, yet relatively little is known about whether gamma oscillations facilitate transmission of sensory information from thalamus to cortex. Here, we investigate the role of gamma oscillations in promoting synchronous spike activity between the visual thalamus (dLGN) and primary visual cortex (V1) in awake mice, a model sensory system with prominent gamma oscillations that are modulated by visual input. We demonstrate that transmission of visual information to cortex involves phase-synchronized oscillations in the high gamma range (50-90Hz), with concomitant millisecond-scale synchronization of thalamic and cortical spike activity. Transition from a full-field gray image to a high-contrast checkerboard image caused gamma activity to rapidly increase in amplitude, frequency, and bandwidth, yet the gamma oscillations in dLGN and V1 maintained a consistent phase relationship. High contrast stimulation also caused an increase in amplitude of oscillations in the beta and low gamma range, but those were not associated with synchronous thalamic activity. These results indicate a role for high gamma oscillations in mediating the functional connectivity between thalamic and cortical neurons in the visual pathway, a similar role to beta oscillations in primates.