During our daily life, we depend on memories of past experiences to plan future behaviour. These memories are represented by the activity of specific neuronal groups or ‘engrams’1,2. Neuronal engrams are assembled during learning by synaptic modification, and engram reactivation represents the memorized experience 1 . Engrams of conscious memories are initially stored in the hippocampus for several days and then transferred to cortical areas 2 . In the dentate gyrus of the hippocampus, granule cells transform rich inputs from the entorhinal cortex into a sparse output, which is forwarded to the highly interconnected pyramidal cell network in hippocampal area CA3 3 . This process is thought to support pattern separation 4 (but see refs. 5,6). CA3 pyramidal neurons project to CA1, the hippocampal output region. Consistent with the idea of transient memory storage in the hippocampus, engrams in CA1 and CA2 do not stabilize over time7–10. Nevertheless, reactivation of engrams in the dentate gyrus can induce recall of artificial memories even after weeks 2 . Reconciliation of this apparent paradox will require recordings from dentate gyrus granule cells throughout learning, which has so far not been performed for more than a single day6,11,12. Here, we use chronic two-photon calcium imaging in head-fixed mice performing a multiple-day spatial memory task in a virtual environment to record neuronal activity in all major hippocampal subfields. Whereas pyramidal neurons in CA1–CA3 show precise and highly context-specific, but continuously changing, representations of the learned spatial sceneries in our behavioural paradigm, granule cells in the dentate gyrus have a spatial code that is stable over many days, with low place- or context-specificity. Our results suggest that synaptic weights along the hippocampal trisynaptic loop are constantly reassigned to support the formation of dynamic representations in downstream hippocampal areas based on a stable code provided by the dentate gyrus. Imaging of hippocampal neuron activity in mice performing a memory task across several days identifies both stable and dynamic memory engrams.

Representation of the environment by hippocampal populations is known to drift even within a familiar environment, which could reflect gradual changes in single cell activity or result from averaging across discrete switches of single neurons. Disambiguating these possibilities is crucial, as they each imply distinct mechanisms. Leveraging change point detection and model comparison, we found that CA1 population vectors decorrelated gradually within a session. In contrast, individual neurons exhibited predominantly step-like emergence and disappearance of place fields or sustained change in within-field firing. The changes were not restricted to particular parts of the maze or trials and did not require apparent behavioral changes. The same place fields emerged, disappeared, and reappeared across days, suggesting that the hippocampus reuses pre-existing assemblies, rather than forming new fields de novo. Our results suggest an internally-driven perpetual step-like reorganization of the neuronal assemblies.

A general wisdom is that experiences need to be tagged during learning for further consolidation. However, brain mechanisms that select experiences for lasting memory are not known. Combining large-scale neural recordings with a novel application of dimensionality reduction techniques, we observed that successive traversals in the maze were tracked by continuously drifting populations of neurons, providing neuronal signatures of both places visited and events encountered (trial number). When the brain state changed during reward consumption, sharp wave ripples (SPW-Rs) occurred on some trials and their unique spike content most often decoded the trial in which they occurred. In turn, during post-experience sleep, SPW-Rs continued to replay those trials that were reactivated most frequently during awake SPW-Rs. These findings suggest that replay content of awake SPW-Rs provides a tagging mechanism to select aspects of experience that are preserved and consolidated for future use.

The brain helps us survive by forming internal representations of the external world 1,2 . Excitatory cortical neurons are often precisely tuned to specific external stimuli 3,4 . However, inhibitory neurons, such as parvalbumin-positive (PV) interneurons, are generally less selective 5 . PV interneurons differ from excitatory cells in their neurotransmitter receptor subtypes, including AMPA receptors 6,7 . While excitatory neurons express calcium-impermeable AMPA receptors containing the GluA2 subunit, PV interneurons express receptors that lack the GluA2 subunit and are calcium-permeable (CP-AMPARs). Here we demonstrate a causal relationship between CP-AMPAR expression and the low feature selectivity of PV interneurons. We find a low expression stoichiometry of GluA2 mRNA relative to other subunits in PV interneurons which is conserved across ferrets, rodents, marmosets, and humans, causing abundant CP-AMPAR expression. Replacing CP-AMPARs in PV interneurons with calcium-impermeable AMPARs increased their orientation selectivity in the visual cortex. Sparse CP-AMPAR manipulations demonstrated that this increase was cell-autonomous and could occur well beyond development. Interestingly, excitatory-PV interneuron connectivity rates and unitary synaptic strength were unaltered by CP-AMPAR removal, suggesting that the selectivity of PV interneurons can be altered without drastically changing connectivity. In GluA2 knockout mice, where all AMPARs are calcium-permeable, excitatory neurons showed significantly reduced orientation selectivity, suggesting that CP-AMPARs are sufficient to drive lower selectivity regardless of cell type. Remarkably, hippocampal PV interneurons, which usually exhibit low spatial tuning, became more spatially selective after removing CP-AMPARs, indicating that CP-AMPARs suppress the feature selectivity of PV interneurons independent of modality. These results reveal a novel role of CP-AMPARs in maintaining a low-selectivity sensory representation in PV interneurons and suggest a conserved molecular mechanism that distinguishes the unique synaptic computations of inhibitory and excitatory neurons.