ABSTRACT Memory engrams are both necessary and sufficient to mediate behavioral outputs. Defensive behaviors such as freezing and avoidance are commonly examined during hippocampal-mediated fear engram reactivation, yet how reactivation of these cellular populations across different contexts engages the brain to produce a variety of defensive behaviors is relatively unclear. To address this, we first optogenetically reactivated a tagged fear engram in the dentate gyrus (DG) subregion of the hippocampus across three distinct contexts. We found that there were differential amounts of light-induced freezing depending on the size of the context in which reactivation occurred: mice demonstrated robust light-induced freezing in the most spatially restricted of the three contexts but not in the largest. We then utilized graph theoretical analyses to identify brain-wide alterations in cFos co-activation during engram reactivation across the smallest and largest contexts. Our manipulations conferred greater positive cFos correlations and recruited regions spanning putative fear and defense systems as hubs in the respective networks. Moreover, reactivating DG-mediated engrams generated network topologies across experimental conditions, emphasizing both shared and distinct features. By identifying and manipulating the circuits supporting memory function, as well as their corresponding brain-wide activity patterns, it is thereby possible to resolve systems-level biological mechanisms mediating memory’s capacity to modulate behavioral states. SIGNIFICANCE STATEMENT Implementing appropriate defensive behaviors across disparate environments is essential for survival. Memories can be used to select these responses. Recent work identified and artificially manipulated cellular ensembles within the hippocampus that mediate fear memory recall, yet how these populations engage brain-wide pathways that mediate defensive behaviors under environmental contingencies is unclear. We demonstrated here that reactivation across environments of various sizes elicits different behavioral responses and corresponding brain-wide network dynamics. These findings establish the flexibility of memory-bearing ensembles in generating brain and behavior states.

Cross-species studies are important for a comprehensive understanding of brain functions. However, direct quantitative comparison of behaviors across species presents a significant challenge. To enable such comparisons in perceptual decision-making, we developed a synchronized evidence accumulation task for rodents and humans, by aligning mechanics, stimuli, and training. Rats, mice and humans readily learned the task and exhibited qualitatively similar performance. Quantitative model comparison revealed that all three species employed an evidence accumulation strategy, but differed in speed, accuracy, and key decision parameters. Human performance prioritized accuracy, whereas rodent performance was limited by internal time-pressure. Rats optimized reward rate, while mice appeared to switch between evidence accumulation and other strategies trial-to-trial. Together, these results reveal striking similarities and species-specific priorities in decision-making. Furthermore, the synchronized behavioral framework we present may facilitate future studies involving cross-species comparisons, such as evaluating the face validity of animal models of neuropsychiatric disorders.

Perceptual decision-making involves multiple cognitive processes, including accumulation of sensory evidence, planning, and executing a motor action. How these processes are intertwined is unclear; some models assume that decision-related processes precede motor execution, whereas others propose that movements reflecting on-going decision processes occur before commitment to a choice. Here we develop and apply two complementary methods to study the relationship between decision processes and the movements leading up to a choice. The first is a free response pulse-based evidence accumulation task, in which stimuli continue until choice is reported. The second is a motion-based drift diffusion model (mDDM), in which movement variables from video pose estimation constrain decision parameters on a trial-by-trial basis. We find the mDDM provides a better model fit to rats9 decisions in the free response accumulation task than traditional DDM models. Interestingly, on each trial we observed a period of time, prior to choice, that was characterized by head immobility. The length of this period was positively correlated with the rats9 decision bounds and stimuli presented during this period had the greatest impact on choice. Together these results support a model in which internal decision dynamics are reflected in movements and demonstrate that inclusion of movement parameters improves the performance of diffusion-to-bound decision models.

Summary Engrams, or the physical substrate of memory in the brain, recruit heterogeneous cell-types. Targeted reactivation of neurons processing discrete memories drives the behavioral expression of memory, though the underlying landscape of recruited cells and their real-time responses remain elusive. To understand how artificial stimulation of fear affects intra-hippocampal neuronal and astrocytic dynamics as well as their behavioral consequences, we expressed channelrhodopsin-2 in an activity-dependent manner in dentate gyrus neurons while performing fiber photometry of both cell types in ventral CA1 across learning and memory. Neurons and astrocytes were shock-responsive, while astrocytic calcium events were uniquely modulated by fear conditioning. Notably, optogenetic stimulation of a hippocampus-mediated engram recapitulated coordinated calcium signatures time-locked to freezing that were also observed during natural fear memory recall, suggesting that engram activation alters activity across different cell types within hippocampal circuits during the behavioral expression of fear. Together, our data reveals cell-type specific hippocampal dynamics during freezing behavior and points to neuronal-astrocytic coupling as a shared mechanism enabling the natural and artificial recall of a memory. Highlights Ventral hippocampal neurons and astrocytes are active during foot shock Calcium activity is time-locked to freezing during fear conditioning and recall Optogenetic reactivation of fear recapitulates cellular signatures seen during recall Reactivation of a fear memory allows prediction of freezing behavior

The dorsal hippocampus is a heterogeneous structure with numerous cell types involved in generating and maintaining detailed representations of space and time. Prior work has established that pyramidal cells contribute to these crucial aspects of episodic memory. For example, hippocampal "time cells" encode temporal information through sequential activity. However, the role of non-neuronal cell types are less often explored. In this study, we investigated dorsal hippocampal CA1 astrocytes using one-photon calcium imaging in freely moving animals during a contextual fear conditioning paradigm. To our knowledge, this is the first time a study has successfully performed longitudinal registration of astrocytic cell population using 1p calcium imaging, thus permitting the tracking of a stable population of these cells in freely-moving mice. In response to foot shock, astrocytes generated robust calcium-event sequences with a time-compressed structure akin to canonical hippocampal time cells. Upon re-exposure to the conditioned context, these astrocytic sequences persisted in the absence of shock, maintaining their time-compressed structure. Moreover, astrocytes active on the previous day retained a preserved sequential structure, indicating memory-specific properties. This phenomenon was not observed in a context different from the initial fear conditioning chamber. Taken together, these results present a potentially paradigm-shifting notion that astrocytes play a significant role in the representation of temporal information processing across learning and memory.

ABSTRACT The compounding symptomatology of comorbid alcohol use disorder (AUD) and post-traumatic stress disorder (PTSD) gives rise to an interaction of maladaptive neurobiological processes, the etiology of which remains elusive. Here, we devised an optogenetic strategy aimed at rescuing maladaptive responses to fearful stimuli in male c57BL/6 mice following chronic ethanol administration and forced abstinence. In the first experiment, we confirmed that fear acquisition and maladaptive contextual generalization was potentiated in ethanol-exposed mice during fear conditioning and exposure to a novel environment, respectively. In the second experiment, using an activity-dependent tet-tag system, we labeled and artificially inhibited the neural ensemble selectively activated by contextual fear conditioning in the dorsal hippocampus to attenuate behavioral dysfunctions resulting from ethanol exposure. We found that acute optogenetic inhibition during exposure to a novel environment suppressed maladaptive generalization in ethanol-exposed mice. These results provide further evidence for a crucial link between ethanol exposure and impaired fear memory processing by providing cellular and behavioral insights into the neural circuitry underlying AUD and PTSD comorbidity.