Abstract The importance of the hippocampal theta oscillation (4–8 Hz) to memory formation has been well‐established through studies in animals, prompting researchers to propose comprehensive theories of memory and learning that rely on theta oscillations for integrating information in the hippocampus and neocortex. Yet, empirical evidence for the importance of 4–8 Hz hippocampal theta oscillations to memory formation in humans is equivocal at best. To clarify this apparent interspecies discrepancy, we recorded intracranial EEG (iEEG) data from 237 hippocampal electrodes in 33 neurosurgical patients as they performed an episodic memory task. We identified two distinct patterns of hippocampal oscillations, at ∼3 and ∼8 Hz, which are at the edges of the traditional 4–8 Hz human theta band. The 3 Hz “slow‐theta” oscillation exhibited higher power during successful memory encoding and was functionally linked to gamma oscillations, but similar patterns were not present for the 8 Hz “fast‐theta” oscillation. For episodic memory, slow‐theta oscillations in the human hippocampus appear to be analogous to the memory‐related theta oscillations observed in animals. Both fast‐theta and slow‐theta oscillations exhibit evidence of phase synchrony with oscillations in the temporal cortex. We discuss our findings in the context of recent research on the electrophysiology of human memory and spatial navigation, and explore the implications of this result for theories of cortico–hippocampal communication. © 2011 Wiley Periodicals, Inc.

Abstract The medial temporal lobe (MTL) is widely implicated in supporting episodic memory and navigation, but its precise functional role in organizing memory across time and space remains elusive. Here we examine the specific cognitive processes implemented by MTL structures (hippocampus and entorhinal cortex) to organize memory by using electrical brain stimulation, leveraging its ability to establish causal links between brain regions and features of behavior. We studied neurosurgical patients of both sexes who performed spatial-navigation and verbal-episodic memory tasks while brain stimulation was applied in various regions during learning. During the verbal memory task, stimulation in the MTL disrupted the temporal organization of encoded memories such that items learned with stimulation tended to be recalled in a more randomized order. During the spatial task, MTL stimulation impaired subjects’ abilities to remember items located far away from boundaries. These stimulation effects were specific to the MTL. Our findings thus provide the first causal demonstration in humans of the specific memory processes that are performed by the MTL to encode when and where events occurred. Significance Statement Numerous studies have implicated the medial temporal lobe (MTL) in encoding spatial and temporal memories, but they have not been able to causally demonstrate the nature of the cognitive processes by which this occurs in real-time. Electrical brain stimulation is able to demonstrate causal links between a brain region and a given function with high temporal precision. By examining behavior in a memory task as subjects received MTL stimulation, we provide the first causal evidence demonstrating the role of the MTL in organizing the spatial and temporal aspects of episodic memory.

Abstract The representation of episodes is a fundamental requirement for forming episodic memories, but the specific electrophysiological mechanisms supporting episode construction in the human hippocampus remain unknown. Experiments in rodent models indicate that a population of neurons sensitive to edges of an environment, termed border or boundary neurons in spatial navigation, fulfills a role analogous to episode demarcation. We hypothesized that such boundary neurons could be identified in the human mesial temporal lobe, with firing rates sensitive specifically to the beginning and end of mnemonically-relevant episodes in the free recall task. Using a generalized linear model to control for factors such as encoding success and item onset times along with other variables, we found 44 Boundary neurons out of a total 736 single neurons recorded across 27 subjects. We distinguish boundary neurons from a separate population of ramping neurons, which are time-sensitive neurons whose activity provides complementary but distinct information during episodic representation. We also describe evidence that the firing of boundary neurons within the preferred windows (at the beginning and end of episodes) is organized by hippocampal theta oscillations, using spike-field coherence metrics.

Abstract Episodic recall depends upon the reinstatement of cortical activity present during the formation of a memory. We identified dissociable cortical networks via functional connectivity that uniquely reinstated semantic content and temporal context of previously studied stimuli during free recall. Network-specific reinstatement predicted the temporal and semantic organization of recall sequences, demonstrating how specialized cortical systems enable the human brain to target specific memories.

Summary Paragraph Episodic memories, or consciously accessible memories of unique events, represent a key aspect of human cognition. Evidence from rodent models suggests that the neural representation of these complex memories requires cooperative firing of groups of neurons on short time scales 1 , organized by gamma oscillations 2, 3 . These co-firing groups, termed “neuronal assemblies,” 4 represent a fundamental neurophysiological unit supporting memory. Using microelectrode data from neurosurgical patients 5 , we identify neuronal assemblies in the human MTL and show that they exhibit consistent organization in their firing pattern based on gamma phase information. We connect these properties to memory performance across recording sessions. Finally, we describe how human neuronal assemblies flexibly adjust 6-9 over longer time scales. Our findings provide key evidence linking assemblies to human episodic memory for the first time.

Abstract Traumatic brain injury (TBI) is a leading cause of cognitive disability and is often associated with significant impairment in episodic memory. In TBI survivors, as in healthy controls, there is marked variability between individuals in memory ability. Using recordings from indwelling electrodes, we characterized and compared the oscillatory biomarkers of mnemonic variability in two cohorts of epilepsy patients: a group with a history of moderate-to-severe TBI ( n = 37) and a group of non-TBI controls ( n = 111) closely matched for demographics and electrode coverage. Analysis of these recordings demonstrated that increased high frequency power and decreased theta power across a broad set of brain regions mark periods of successful memory formation in both groups. As features in a logistic-regression classifier, spectral power biomarkers effectively predicted recall probability, with little difference between TBI and non-TBI controls. The two groups also displayed similar patterns of theta-frequency connectivity during successful encoding periods. These biomarkers of successful memory, highly conserved between TBI patients and controls, could serve as the basis for novel therapies that target disordered memory across diverse forms of neurological disease.

A critical and emerging question in human episodic memory is how the hippocampus interacts with the prefrontal cortex during the encoding and retrieval of items and their contexts. In the present study, participants performed an episodic memory task (free recall) while intracranial electrodes were simultaneously inserted into the hippocampus and multiple prefrontal locations, allowing the quantification of relative onset times of gamma band activity in the cortex and the hippocampus in the same individual. We observed that in left anterior ventrolateral prefrontal cortex (aVLPFC) gamma band activity onset was significantly later than in the hippocampus during memory encoding, whereas its activity significantly preceded that in the hippocampus during memory retrieval. These findings provide direct evidence to support models of prefrontal-hippocampal interactions derived from studies of rodents, but suggest that in humans, it is the aVLPFC rather than medial prefrontal cortex that demonstrate these reciprocal interactions.

1. Abstract Models of memory formation posit that recollection as compared to familiarity-based memory depends critically on the hippocampus, which binds features of an event to its context. For this reason, the contrast between study items that are later recollected versus those that are recognized on the basis of familiarity should reveal electrophysiological patterns in the hippocampus selectively involved in associative memory encoding. Extensive data from studies in rodents support a model in which theta oscillations fulfill this role, but results in humans results have not been as clear. Here, we employed an associative recognition memory procedure to identify hippocampal correlates of successful associative memory encoding and retrieval in patients undergoing intracranial EEG monitoring. We identified a dissociation between 2– 5 Hz and 5–9 Hz theta oscillations, by which 2–5 Hz oscillations uniquely were linked with successful associative memory in both the anterior and posterior hippocampus. These oscillations exhibited a significant phase reset that also predicted successful associative encoding, distinguished recollected from familiar items at retrieval, and contributed to reinstatement of encoding-related patterns that distinguished these items. Our results provide direct electrophysiological evidence that 2–5 Hz hippocampal theta oscillations support the encoding and retrieval of memories based on recollection but not familiarity. 2. Significance Statement Extensive fMRI evidence suggests that the hippocampus plays a selective role in recollection rather than familiarity, during both encoding and retrieval. However, there is little or no electrophysiological evidence that speaks to whether the hippocampus is selectively involved in recollection. Here, we used intracranial EEG from human participants engaged in an associative recognition paradigm. The findings suggest that oscillatory power and phase reset in the hippocampus are selectively associated with recollection rather than familiarity-based memory judgements. Furthermore, reinstatement of oscillatory patterns in the hippocampus was stronger for successful recollection than familiarity. Collectively, the findings support a role for hippocampal theta oscillations in human episodic memory.

Abstract Functional magnetic resonance imaging (fMRI) is among the foremost methods for mapping human brain function but provides only an indirect measure of underlying neural activity. Recent findings suggest that the neurophysiological correlates of the fMRI blood-oxygen-level-dependent (BOLD) signal might be regionally specific. We examined the neurophysiological correlates of the fMRI BOLD signal in the hippocampus and neocortex, where differences in neural architecture might result in a different relationship between the respective signals. Fifteen human neurosurgical patients (10 female, 5 male) implanted with depth electrodes performed a verbal free recall task while electrophysiological activity was recorded simultaneously from hippocampal and neocortical sites. The same patients subsequently performed a similar version of the task during a later fMRI session. Subsequent memory effects (SMEs) were computed for both imaging modalities as patterns of encoding-related brain activity predictive of later free recall. Linear mixed-effects modelling revealed that the relationship between BOLD and gamma-band SMEs was moderated by the lobar location of the recording site. BOLD and high gamma (70-150 Hz) SMEs positively covaried across much of the neocortex. This relationship was reversed in the hippocampus, where a negative correlation between BOLD and high gamma SMEs was evident. We also observed a negative relationship between BOLD and low gamma (30-70 Hz) SMEs in the medial temporal lobe more broadly. These results suggest that the neurophysiological correlates of the BOLD signal in the hippocampus differ from those observed in the neocortex. Significance Statement The blood-oxygen-level-dependent (BOLD) signal forms the basis of fMRI but provides only an indirect measure of neural activity. Task-related modulation of BOLD signals are typically equated with changes in gamma-band activity; however, relevant empirical evidence comes largely from the neocortex. We examined neurophysiological correlates of the BOLD signal in the hippocampus, where the differing neural architecture might result in a different relationship between the respective signals. We identified a positive relationship between encoding-related changes in BOLD and gamma-band activity in frontal, temporal, and parietal cortex. This effect was reversed in the hippocampus, where BOLD and gamma-band effects negatively covaried. These results suggest regional variability in the transfer function between neural activity and the BOLD signal in the hippocampus and neocortex.

How does the brain represent and differentiate memories that share a common context, such as separate experiences encoded in one environment? To answer this question, we recorded single neurons in the medial temporal lobe (MTL) of neurosurgical patients during cued recall of object-location memories in a virtual-reality environment. We observed cells that remapped their spatial firing fields to the location subjects were instructed to remember, reflecting a putative memory trace driven by the specific memory that was cued for retrieval on a trial. In addition to binding memories to locations in this way, the activity of these "trace cells" in entorhinal cortex was predictive of specific cued memories whether subjects were moving through the remembered location or were stationary at the start of the track. The influence of cued memory retrieval on the activity of entorhinal trace cells suggests their importance in representing and differentiating past experiences.