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 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.

The medial temporal lobe (MTL) is a locus of episodic memory in the human brain. It is comprised of cytologically distinct subregions that, in concert, give rise to successful encoding and retrieval of context-dependent memories. However, the functional connections between these subregions are poorly understood. To determine functional connectivity among MTL subregions, we had 126 subjects fitted with indwelling electrodes perform a verbal memory task, and asked how encoding or retrieval correlated with interregional synchronization. Using phase-based measures of connectivity, we found that synchronous theta (4-8 Hz) activity underlies successful episodic memory, whereas high-frequencies exhibit desynchronization. Moreover, theta functional connectivity during encoding aligned with key anatomic connections, including critical links between the entorhinal cortex, dentate gyrus, and CA1 of the hippocampus. Retrieval-associated networks demonstrated enhanced involvement of the subiculum, reflecting a substantial reorganization of the encoding-associated network. We posit that coherent theta activity within the MTL marks periods of successful memory, but distinct patterns of connectivity dissociate key stages of memory processing.

Focal electrical stimulation of the brain incites a cascade of neural activity that propagates from the stimulated region to both nearby and remote areas, offering the potential to control the activity of brain networks. Understanding how exogenous electrical signals perturb such networks in humans is key to its clinical translation. To investigate this, we applied electrical stimulation to subregions of the medial temporal lobe in 26 neurosurgical patients fitted with indwelling electrodes. Networks of low-frequency (5-13 Hz) spectral coherence predicted stimulation-evoked changes in theta (5-8 Hz) power, but only when stimulation was applied in or adjacent to white matter. Furthermore, these power changes aligned with control-theoretic predictions of how exogenous stimulation flows through complex networks, such as a dispersal of induced activity when functional hubs are targeted. Our results demonstrate that functional connectivity is predictive of causal changes in the brain, but that access to structural connections is necessary to observe such effects.

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.

Closed-loop direct brain stimulation is a promising tool for modulating neural activity and behavior. However, it remains unclear how to optimally target stimulation to modulate brain activity in particular brain networks that underlie particular cognitive functions. Here, we test the hypothesis that stimulation's behavioral and physiological effects depend on the stimulation target's anatomical and functional network properties. We delivered closed-loop stimulation as 47 neurosurgical patients studied and recalled word lists. Multivariate classifiers, trained to predict momentary lapses in memory function, triggered stimulation of the lateral temporal cortex (LTC) during the study phase of the task. We found that LTC stimulation specifically improved memory when delivered to targets near white matter pathways. Memory improvement was largest for targets near white matter that also showed high functional connectivity to the brain's memory network. These targets also reduced low-frequency activity in this network, an established marker of successful memory encoding. These data reveal how anatomical and functional networks mediate stimulation's behavioral and physiological effects, provide further evidence that closed-loop LTC stimulation can improve episodic memory, and suggest a method for optimizing neuromodulation through improved stimulation targeting.

A core feature of episodic memory is representational drift, the gradual change in aggregate oscillatory features that supports temporal association of memory items. However, models of drift overlook the role of episodic boundaries, which indicate a shift from prior to current context states. Our study focuses on the impact of task boundaries on representational drift in the parietal and temporal lobes in 99 subjects during a free recall task. Using intracranial EEG recordings, we show boundary representations reset gamma band drift in the medial parietal lobe, selectively enhancing the recall of early list (primacy) items. Conversely, the lateral temporal cortex shows increased drift for recalled items but lacked sensitivity to task boundaries. Our results suggest regional sensitivity to varied contextual features: the lateral temporal cortex uses drift to differentiate items, while the medial parietal lobe uses drift-resets to associate items with the current context. We propose drift represents relational information tailored to a region's sensitivity to unique contextual elements. Our findings offer a mechanism to integrate models of temporal association by drift with event segmentation by episodic boundaries.

Can the brain improve the retrievability of an experience after it has occurred? Systems consolidation theory proposes that cortical reactivation during long post-encoding rest periods facilitates the formation of stable memory representations, a prediction supported by neural evidence in humans and animals. But such reactivation may also occur on short time scales as spontaneous thoughts come to mind during encoding, offering a potential account of classic list memory phenomena but lacking in support from neural data. Leveraging the high-temporal specificity of intracranial electroencephalography (iEEG), we investigate spontaneous reactivation of previously experienced items during brief periods between individual encoding events. Across two large-scale free recall experiments, we show that reactivation, as measured by spectral iEEG similarity, during these periods predicts subsequent recall. In a third experiment, we show that the same methodology can identify post-encoding reactivation that correlates with subsequent memory, consistent with previous results. Thus, spontaneous study-phase reinstatement reliably predicts memory behavior, linking psychological accounts to neural mechanisms and providing the first evidence for sub-second consolidation processes during encoding.

Researchers have used direct electrical brain stimulation to treat a range of neurological and psychiatric disorders. However, for brain stimulation to be maximally effective, clinicians and researchers should optimize stimulation parameters according to desired outcomes. To examine how different kinds of stimulation affect human brain activity, we compared the changes in neuronal activity that resulted from stimulation at a range of frequencies, amplitudes, and locations with direct human brain recordings. We recorded human brain activity directly with electrodes that were implanted in widespread regions across 106 neurosurgical epilepsy patients while systematically stimulating across a range of parameters and locations. Overall, stimulation most often had an inhibitory effect on neuronal activity, consistent with earlier work. When stimulation excited neuronal activity, it most often occurred from high-frequency stimulation. These effects were modulated by the location of the stimulating electrode, with stimulation sites near white matter more likely to cause excitation and sites near gray matter more likely to inhibit neuronal activity. By characterizing how different stimulation parameters produced specific neuronal activity patterns on a large scale, our results help guide clinicians and researchers when designing stimulation protocols to cause precisely targeted changes in human brain activity.