Hippocampal place cells are a model system of how the brain constructs cognitive representations and of how these representations support complex behavior, learning, and memory. There is, however, a lack of detailed knowledge about the properties of hippocampal afferents. We recorded multiple single units from the hippocampus and the medial and lateral entorhinal areas of behaving rats. Although many medial entorhinal neurons had highly specific place fields, lateral entorhinal neurons displayed weak spatial specificity. This finding demonstrates a fundamental dissociation between the information conveyed to the hippocampus by its major input streams, with spatial information represented by the medial and nonspatial information represented by the lateral entorhinal cortex.

Abstract This study presents a double dissociation between the dentate gyrus (DG) and CA1. Rats with either DG or CA1 lesions were tested on tasks requiring either spatial or spatial temporal order pattern separation. To assess spatial pattern separation, rats were trained to displace an object which covered a baited food‐well. The rats were then allowed to choose between two identical objects: one covered the same well as the sample phase object (correct choice), and a second object covered a different unbaited well (incorrect choice). Spatial separations of 15–105 cm were used to separate the correct object from the incorrect object. To assess spatial temporal order pattern separation, rats were allowed to visit each arm of a radial eight‐arm maze once in a randomly determined sequence. The rats were then presented with two arms and were required to choose the arm which occurred earliest in the sequence. The choice arms varied according to temporal separation (0, 2, 4, or 6) or the number of arms that occurred between the two choice arms in the sample phase sequence. On each task, once a preoperative criterion was reached, each rat was given either a DG, CA1, or control lesion and then retested. The results demonstrated that DG lesions resulted in a deficit on the spatial task but not the temporal task. In contrast, CA1 lesions resulted in a deficit on the temporal task but not the spatial task. Results suggest that the DG supports spatial pattern separation, whereas CA1 supports temporal pattern separation. Hippocampus 2001;11:626–636. © 2001 Wiley‐Liss, Inc.

Abstract Reactivation of place cells during sharp-wave ripples in the hippocampus is important for memory consolidation. However, whether hippocampal reactivation is affected by the values of events experienced by the animal is largely unknown. Here, we investigated whether place cells in the dorsal (dHP) and intermediate (iHP) hippocampus of rats are differentially reactivated depending on the value associated with a place during the learning of places associated with higher-value rewards in a T-maze. Place cells in the iHP representing the high-value location were reactivated significantly more frequently than those representing the low-value location, characteristics not observed in the dHP. In contrast, the activities of place cells in the dHP coding the routes leading to high-value locations were replayed more than those in the iHP. Our findings suggest that value-based differential reactivation patterns along the septotemporal axis of the hippocampus may play essential roles in optimizing goal-directed spatial learning for maximal reward. Teaser Information carried by sharp-wave ripples differ qualitatively between the dorsal and intermediate hippocampal regions.

The prelimbic cortex is essential for association of temporally separated events, and impedes extinction of learned association. The network mechanism underlying reversal learning, however, remains elusive. Here, we found that mitochondria-dependent post-tetanic potentiation at synapses onto prelimbic corticopontine neurons impedes extinction learning without affecting initial associative learning. Rats underwent trace fear conditioning followed by extinction sessions. Pharmacological inhibition of post-tetanic potentiation using tetaraphenylphosphnium (TPP), a mitochondrial Ca2+ release blocker, accelerated extinction of trace fear memory, leaving trace fear memory formation intact. Optogenetic inhibition of corticopontine, but not commissural, neurons phenocopied these effects. Electrophysiological recordings and Ca2+ imaging revealed that TPP treatment reduced the persistent activity of corticopontine neurons encoding tone presentation. Mechanistically, associative learning triggers the bursting activity of prelimbic pyramidal neurons that induces post-tetanic potentiation of corticopontine neurons, an effect blocked by TPP treatment. Thus, we identified a prelimbic cell type- and local circuit-specific mechanism that selectively gates extinction learning.

Abstract Kv1.2 expression in rodent CA3 pyramidal cells (CA3-PC) is polarized to distal apical dendrites, and regulate the synaptic responses to perforant pathway (PP) inputs. Accordingly, Kv1.2 haploinsufficiency ( Kcna2 +/−) in CA3-PCs, but not Kv1.1 ( Kcna1 +/−), lowered the threshold for long-term potentiation at PP-CA3 synapses. The Kcna2 +/− mice, but not Kcna1 +/−, displayed impairments in contextual fear discrimination task. The size and overlap of CA3 ensembles activated by the first visits to slightly different contexts were not different between wildtype and Kcna2 +/− mice, but these ensemble parameters diverged over training days between genotypes, suggesting abnormal plastic changes in the CA3 network of Kcna2 +/− mice. Eventually, the Kcna2 +/− mice exhibited larger ensemble size and overlap upon retrieval of two contexts, compared to wildtype or Kcna1 +/− mice. These results suggest that Kv1.2 subunits prevent promiscuous plastic changes at PP-CA3 synapses, and contribute to sparse representation of memories and pattern separation in the CA3 network.

Abstract The subiculum is positioned at a critical juncture at the interface of the hippocampus with the rest of the brain. However, the exact roles of the subiculum in most hippocampal-dependent memory tasks remain largely unknown. One obstacle to make analytical comparisons of neural firing patterns between the subiculum and hippocampal CA1 is the broad firing fields of the subicular cells. Here, we used spiking phases in relation to theta rhythm to parse the broad firing field of a subicular neuron into multiple subfields to find the unique functional contribution of the subiculum while male rats performed a hippocampal-dependent visual scene memory task. Some of the broad firing fields of the subicular neurons were successfully divided into multiple subfields by using the theta-phase precession cycle. The resulting phase-based fields in the subiculum were more similar to those in CA1 in terms of the field size and phase-precession strength. The new method significantly improved the detection of task-relevant information in subicular cells without affecting the information content represented by CA1 cells. Notably, multiple fields of a single subicular neuron, unlike those in the CA1, could carry heterogeneous task-related information such as visual context and choice response. Our findings suggest that the subicular cells integrate multiple task-related factors by using theta rhythm to associate environmental context with action.

The perirhinal cortex (PER) supports multimodal object recognition, but how multimodal information of objects is integrated within the PER remains unknown. Here, we recorded single units within the PER while rats performed a PER-dependent multimodal object-recognition task. In this task, audiovisual cues were presented simultaneously (multimodally) or separately (unimodally). We identified 2 types of object-selective neurons in the PER: crossmodal cells, showing constant firing patterns for an object irrespective of its modality, and unimodal cells, showing a preference for a specific modality. Unimodal cells further dissociated unimodal and multimodal versions of the object by modulating their firing rates according to the modality condition. A population-decoding analysis confirmed that the PER could perform both modality-invariant and modality-specific object decoding-the former for recognizing an object as the same in various conditions and the latter for remembering modality-specific experiences of the same object.

Abstract Reactivation of place cells during sharp-wave ripples (SWRs) in the hippocampus is pivotal for memory consolidation, yet the SWR dynamics between the hippocampus and its neighboring subiculum remain underexplored. This study examined the differential SWR-associated reactivations of task-demand-associated representations in the subiculum and CA1 during a visual scene memory task in rats. In the task, the spiking activities of place-cell ensembles were reactivated during a SWR event according to task demands. These reactivations were more frequent and associated with more heterogeneous task-demand types in the subiculum compared to CA1. These subicular characteristics were driven by multiple subfields within the subicular place field, parcellated by the theta phase precession cycle. In contrast, CA1 exhibited a higher incidence of spatial replay than the subiculum. These findings indicate that the subiculum plays a key role in transmitting task-specific variables from the hippocampus to other brain regions. Teaser The subiculum more frequently and dynamically reactivates the neural representations linked to task demands than the hippocampal CA1.