Abstract A prominent theory proposes that the temporal order of a sequence of items held in memory is reflected in ordered firing of neurons at different phases of theta oscillations 1 . We probe this theory by directly measuring single neuron activity (1420 neurons) and local field potentials (LFP, 921 channels) in the medial temporal lobe of 16 epilepsy patients performing a working memory task for temporal order. We observe theta oscillations and preferential firing of single neurons at theta phase during memory maintenance. We find that - depending on memory performance - phase of firing is related to item position within a sequence. However, in contrast to the theory, phase order did not match item order. To investigate underlying mechanisms, we subsequently trained recurrent neural networks (RNNs) to perform an analogous task. Similar to recorded neural activity, we show that RNNs generate theta oscillations during memory maintenance. Importantly, model neurons exhibit theta phase-dependent firing related to item position, where phase of firing again did not match item order. Instead, we observed a mechanistic link between phase order, stimulus timing and oscillation frequency - a relationship we subsequently confirmed in our neural recordings. Taken together, in both biological and artificial neural networks we provide validating evidence for the role of phase-of-firing in memory processing while at the same time challenging a long-held theory about the functional role of spiking and oscillations in sequence memory.

Abstract The attentional blink (AB) refers to an impaired identification of target stimuli (T2), which are presented shortly after a prior target (T1) within a rapid serial visual presentation (RSVP) stream. It has been suggested that the AB is related to a failed transfer of T2 into working memory and that hippocampus (HC) and entorhinal (EC) cortex are regions crucial for this transfer. Since the event-related P3 component has been linked to inhibitory processes, we hypothesized that the hippocampal P3 elicited by T1 may impact on T2 processing within HC and EC. To test this hypothesis, we reanalyzed microwire data from 21 patients, who performed an RSVP task, during intracranial recordings for epilepsy surgery assessment (Reber et al., 2017). We identified T1-related hippocampal P3 components in the local field potentials (LFPs) and determined the temporal onset of T2 processing in HC/EC based on single-unit response onset activity. In accordance with our hypothesis, T1-related single-trial P3 amplitudes at the onset of T2 processing were clearly larger for unseen compared to seen T2-stimuli. Moreover, increased T1-related single-trial P3 peak latencies were found for T2[unseen] versus T2[seen] trials in case of lags 1 to 3, which was in line with our predictions. In conclusion, our findings support inhibition models of the AB and indicate that the hippocampal P3 elicited by T1 plays a central role in the AB.

Abstract Neurons of the medial temporal lobe (MTL) form the basis of semantic representation in the human brain. While known to contain category-selective cells, it is unclear how the MTL processes naturalistic, dynamic stimuli. We studied 2286 neurons recorded from the hippocampus, parahippocampal cortex, amygdala, and entorhinal cortex of 29 intracranially-implanted patients during a full-length movie. While few neurons responded preferentially to semantic features, we could reliably predict the presence of characters, location, and visual transitions from the neuronal populations using a recurrent neural network. We show that decoding performance differs across regions based on the feature category, and that the performance is driven by feature-selective single neurons when decoding visual transitions such as camera cuts. These findings suggest that semantic representation in the MTL varies based on semantic category, with decoding information embedded in specific subsets of neurons for event-related features or distributed across the entire population for character and location-related features.

Abstract Auditory beats are composed of two sine waves using nearby frequencies, which can either be applied as a superposed signal to both ears or to each ear separately. In the first case, the beat sensation results from hearing an amplitude-modulated signal (monaural beat). In the second case, it is generated by phase-sensitive neurons in the brain stem (binaural beat). We investigated the effects of monaural and binaural 5 Hz beat stimulation on neural activity and memory performance in neurosurgical patients performing an associative recognition task. Previously, we had reported that these beat stimulation conditions modulated memory performance in opposite directions. Here, we analyzed data from a patient subgroup, in which microwires were implanted in the amygdala, hippocampus, entorhinal cortex and parahippocampal cortex. We identified neurons responding with firing rate changes to binaural versus monaural 5 Hz beat stimulation. In these neurons, we correlated the differences in firing rates for binaural versus monaural beats to the memory-related differences for remembered versus forgotten items and associations. In the left hemisphere for these neurons, we detected statistically significant negative correlations between firing rate differences for binaural versus monaural beats and remembered versus forgotten items/associations. Importantly, such negative correlations were also observed between beat stimulation-related firing rate differences in the baseline window and memory-related firing rate differences in the poststimulus windows. In line with concepts of homeostatic plasticity, we interpret our findings as indicating that beat stimulation is linked to memory performance via shifting baseline firing levels.