Abstract The medial entorhinal cortex (MEC) hosts many of the brain’s circuit elements for spatial navigation and episodic memory, operations that require neural activity to be organized across long durations of experience 1 . While location is known to be encoded by a plethora of spatially tuned cell types in this brain region 2–6 , little is known about how the activity of entorhinal cells is tied together over time. Among the brain’s most powerful mechanisms for neural coordination are network oscillations, which dynamically synchronize neural activity across circuit elements 7–10 . In MEC, theta and gamma oscillations provide temporal structure to the neural population activity at subsecond time scales 1,11–13 . It remains an open question, however, whether similarly powerful coordination occurs in MEC at behavioural time scales, in the second-to-minute regime. Here we show that MEC activity can be organized into a minute-scale oscillation that entrains nearly the entire cell population, with periods ranging from 10 to 100 seconds. Throughout this ultraslow oscillation, neural activity progresses in periodic and stereotyped sequences. This activity was elicited while mice ran at free pace on a rotating wheel in darkness, with no change in its location or running direction and no scheduled rewards. The oscillation sometimes advanced uninterruptedly for tens of minutes, transcending epochs of locomotion and immobility. Similar oscillatory sequences were not observed in neighboring parasubiculum or in visual cortex. The ultraslow oscillation of activity sequences in MEC may have the potential to couple its neurons and circuits across extended time scales and to serve as a scaffold for processes that unfold at behavioural time scales, such as navigation and episodic memory formation.

Summary The medial entorhinal cortex (MEC) creates a map of local space, based on the firing patterns of grid, head direction (HD), border, and object-vector (OV) cells. How these cell types are organized anatomically is debated. In-depth analysis of this question requires collection of precise anatomical and activity data across large populations of neurons during unrestrained behavior, which neither electrophysiological nor previous imaging methods fully afford. Here we examined the topographic arrangement of spatially modulated neurons in MEC and adjacent parasubiculum using miniaturized, portable two-photon microscopes, which allow mice to roam freely in open fields. Grid cells exhibited low levels of co-occurrence with OV cells and clustered anatomically, while border, HD and OV cells tended to intermingle. These data suggest that grid-cell networks might be largely distinct from those of border, HD and OV cells and that grid cells exhibit strong coupling among themselves but weaker links to other cell types. Highlights - Grid and object vector cells show low levels of regional co-occurrence - Grid cells exhibit the strongest tendency to cluster among all spatial cell types - Grid cells stay separate from border, head direction and object vector cells - The territories of grid, head direction and border cells remain stable over weeks

Memories are dynamic constructs whose properties change with time and experience. The biological mechanisms underpinning these dynamics remain elusive, particularly concerning how shifts in the composition of memory-encoding neuronal ensembles influence a memory properties’ evolution over time. By leveraging a developmental approach to target distinct subpopulations of principal neurons, we show that memory encoding results in the concurrent establishment of multiple memory traces in the mouse hippocampus. Two of these traces are instantiated in subpopulations of early- and late-born neurons and follow distinct reactivation trajectories post-encoding. Notably, the divergent recruitment of these subpopulations underpins memory ensembles’ gradual reorganization, and modulates memory persistence and plasticity across multiple learning episodes. Thus, our findings reveal profound and intricate relationships between ensemble dynamics and memories’ progression over time.

The rules governing neural circuit formation in mammalian central nervous systems are poorly understood. NMDA receptors are involved in synaptic plasticity mechanisms in mature neurons, but their contribution to circuit formation and dendritic maturation remains controversial. Using pharmacological and genetic interventions to disrupt NMDA receptor signaling in hippocampal CA1 pyramidal neurons in vitro and in vivo, we identify an early critical window for a synapse-specific function in wiring Schaffer collateral connections and dendritic arborization. Through in vivo imaging, we show that NMDA receptors are frequently activated during early development and elicit minute-long calcium transients, which immediately precede the emergence of filopodia. These results demonstrate that NMDA receptors drive synapto- and dendritogenesis during development, challenging the view that these processes are primarily mediated by molecular cues.

Summary Neuronal firing patterns are the result of inputs converging onto single cells. Identifying these inputs, anatomically and functionally, is essential to understand how neurons integrate information. Single-cell electroporation of helper genes and subsequent local injection of recombinant rabies viruses enable precise mapping of inputs to individual cells in superficial layers of the intact cortex. However, access to neurons in deeper structures requires more invasive procedures, including removal of overlying tissue. We have developed a method that through a combination of virus injections allows us to target ≤4 hippocampal cells 48% of the time and a single cell 16% of the time in wildtype mice without the use of electroporation or tissue aspiration. We identify local and distant monosynaptic inputs that can be functionally characterised in vivo . By expanding the toolbox for monosynaptic circuit tracing, this method will help further our understanding of neuronal integration at the level of single cells.