Prenatal alcohol exposure (PAE) is among the most common developmental insults to the nervous system and is characterized by memory disruption. There is a pressing need to identify physiological alterations that help explain this memory impairment. Hippocampal sharp-wave ripples (SPW-Rs) are a compelling candidate for this purpose as they are the electrophysiological signatures of memory consolidation. We report that rats exposed to moderate prenatal alcohol display abnormalities restricted to SPW-R episodes that manifest as decreased recruitment of CA1 pyramidal cells and interneurons to SPW-R events, altered excitation during SPW-Rs, and decreased cell assembly activation rate. These differences observed at the single neuron and the population level may limit the ability of memory trace reactivation during SPW-Rs through the disruption of the intrinsic structure of cell sequences. Together, our results suggest that alterations in hippocampal SPW-R spike dynamics may underlie alcohol exposure-related memory deficits.

Memory consolidation involves the synchronous reactivation of hippocampal cells active during recent experience in sleep sharp-wave ripples (SWRs). How this increase in firing rates and synchrony after learning is counterbalanced to preserve network stability is not understood. We discovered a network event generated by an intrahippocampal circuit formed by a subset of CA2 pyramidal cells to cholecystokinin-expressing (CCK+) basket cells, which fire a barrage of action potentials (“BARR”) during non–rapid eye movement sleep. CA1 neurons and assemblies that increased their activity during learning were reactivated during SWRs but inhibited during BARRs. The initial increase in reactivation during SWRs returned to baseline through sleep. This trend was abolished by silencing CCK+ basket cells during BARRs, resulting in higher synchrony of CA1 assemblies and impaired memory consolidation.

Abstract Interictal epileptiform discharges (IEDs) are transient abnormal electrophysiological events commonly observed in epilepsy patients but are also present in other neurological disease, such as Alzheimer’s Disease (AD). Understanding the role IEDs have on the hippocampal circuit is important for our understanding of the cognitive deficits seen in epilepsy and AD. We characterize and compare the IEDs of human epilepsy patients from microwire hippocampal recording with those of AD transgenic mice with implanted multi-layer hippocampal silicon probes. Both the local field potential features and firing patterns of pyramidal cells and interneurons were similar in mouse and human. We found that as IEDs emerged from the CA3-1 circuits, they recruited pyramidal cells and silenced interneurons, followed by post-IED suppression. IEDs suppressed the incidence and altered the properties of physiological sharp-wave ripples (SPW-Rs), altered their physiological properties, and interfered with the replay of place field sequences in a maze. In addition, IEDs in AD mice inversely correlated with daily memory performance. Together, our work implicates that IEDs may present a common and epilepsy-independent phenomenon in neurodegenerative diseases that perturbs hippocampal-cortical communication and interferes with memory. Significant Statement Prevalence of neurodegenerative diseases and the number of people with dementia is increasing steadily. Therefore, novel treatment strategies for learning and memory disorders are urgently necessary. IEDs, apart from being a surrogate for epileptic brain regions, have also been linked to cognitive decline. Here we report that IEDs in human epilepsy patients and AD mouse models have similar local field potential characteristics and associated firing patterns of pyramidal cells and interneurons. Mice with more IEDs displayed fewer hippocampal SPW-Rs, poorer replay of spatial trajectories, and decreased memory performance. IED suppression is an unexplored target to treat cognitive dysfunction in neurodegenerative diseases.

Spatial navigation is impaired in early stages of Alzheimers disease (AD), and may be a defining behavioral marker of preclinical AD. Nevertheless, limitations of diagnostic criteria for AD and within animal models of AD make characterization of preclinical AD difficult. A new rat model (TgF344-AD) of AD overcomes many of these limitations, though spatial navigation has not been comprehensively assessed. Using the hidden and cued platform variants of the Morris water task, a longitudinal assessment of spatial navigation was conducted on TgF344-AD (n=16) and Fischer 344 (n=12) male and female rats at three age ranges: 4 to 5 months, 7 to 8, and 10 to 11 months of age. TgF344-AD rats exhibited largely intact navigation at 4-5 and 7-8 months of age, with deficits in the hidden platform task emerging at 10-11 months of age. In general, TgF344-AD rats displayed less accurate swim trajectories to the platform and a wider search area around the platform region compared to wildtype rats. Impaired navigation occurred in the absence of deficits in acquiring the procedural task demands or navigation to the cued platform location. Together, the results indicate that TgF344-AD rats exhibit comparable deficits to those found in individuals in the early stages of AD.

Prenatal alcohol exposure (PAE) leads to profound deficits in spatial memory and synaptic and cellular alterations to the hippocampus that last into adulthood. Neurons in the hippocampus, called place cells, discharge as an animal enters specific places in an environment, establish distinct ensemble codes for familiar and novel places, and are modulated by local theta rhythms. Spatial memory is thought to critically depend on the integrity of hippocampal place cell firing. We therefore tested the hypothesis that hippocampal place cell firing is impaired after PAE by performing in-vivo recordings from the hippocampi (CA1 and CA3) of moderate PAE and control adult rats. Our results show that hippocampal CA3 neurons from PAE rats have reduced spatial tuning. Secondly, CA1 and CA3 neurons from PAE rats are less likely to orthogonalize their firing between directions of travel on a linear track and between contexts in an open arena compared to control neurons. Lastly, reductions in the number of hippocampal place cells exhibiting significant theta rhythmicity and phase precession were observed which may suggest changes to hippocampal microcircuit function. Together, the reduced spatial tuning and sensitivity to context provides a neural systems-level mechanism to explain spatial memory impairment after moderate PAE.