The hippocampus is crucial for spatial navigation and episodic memory formation. Hippocampal place cells exhibit spatially selective activity within an environment and have been proposed to form the neural basis of a cognitive map of space that supports these mnemonic functions. However, the direct influence of place cell activity on spatial navigation behavior has not yet been demonstrated. Using an 'all-optical' combination of simultaneous two-photon calcium imaging and two-photon optogenetics, we identified and selectively activated place cells that encoded behaviorally relevant locations in a virtual reality environment. Targeted stimulation of a small number of place cells was sufficient to bias the behavior of animals during a spatial memory task, providing causal evidence that hippocampal place cells actively support spatial navigation and memory.

Abstract Episodic memory formation and recall are complementary processes that put conflicting requirements on neuronal computations in the hippocampus. How this challenge is resolved in hippocampal circuits is unclear. To address this question, we obtained in vivo whole-cell patch-clamp recordings from dentate gyrus granule cells in head-fixed mice trained to explore and distinguish between familiar and novel virtual environments. We find that granule cells consistently show a small transient depolarization of their membrane potential upon transition to a novel environment. This synaptic novelty signal is sensitive to local application of atropine, indicating that it depends on metabotropic acetylcholine receptors. A computational model suggests that the observed transient synaptic response to novel environments may lead to a bias in the granule cell population activity, which can in turn drive the downstream attractor networks to a new state, thereby favoring the switch from generalization to discrimination when faced with novelty. Such a novelty-driven cholinergic switch may enable flexible encoding of new memories while preserving stable retrieval of familiar ones.

Abstract Bardet-Biedl syndrome (BBS), a ciliopathy, is a rare genetic condition characterised by retina degeneration, obesity, kidney failure and cognitive impairment. In spite of a progress made in general understanding of BBS aetiology, the molecular mechanism of cognitive impairment remains elusive. Here we report that loss of Bardet-Biedl syndrome proteins causes synaptic dysfunction in principal neurons providing possible explanation for cognitive impairment phenotype in BBS patients. Using synaptosomal proteomics and immunocytochemistry we demonstrate the presence of Bbs in postsynaptic density of hippocampal neurons. Loss of Bbs results in the significant reduction of dendritic spines in principal neurons of Bbs mice models. Furthermore, we demonstrate that spine deficiency correlates with events that destabilize spine architecture, such as, impaired spine membrane receptors signalling known to be involved in the maintenance of dendritic spines. Finally, we show that voluntary exercise rescues spine deficiency in the neurons. Based on our data, we propose a model in which Bbs proteins, similar to their function in primary cilia, regulate trafficking of signalling receptors into and out of the membrane of dendritic spines, thus providing the basis for synaptic plasticity.

The hippocampus is thought to provide the brain with a cognitive map of the external world by processing various types of spatial information. To understand how essential spatial variables such as direction, position, and distance are transformed along its circuits to construct this global map, we perform single-photon widefield microendoscope calcium imaging in the dentate gyrus and CA3 of mice freely navigating along a narrow corridor. We find that spatial activity maps in the dentate gyrus, but not in CA3, are correlated after aligning them to the running directions, suggesting that they represent the distance traveled along the track in egocentric coordinates. Together with population activity decoding, our data suggest that while spatial representations in the dentate gyrus and CA3 are anchored in both egocentric and allocentric coordinates, egocentric distance coding is more prevalent in the dentate gyrus than in CA3, providing insights into the assembly of the cognitive map.

The hippocampus is thought to encode similar events as distinct memory representations that are used for behavioral decisions. Where and how this "pattern separation" function is accomplished in the hippocampal circuit, and how it relates to behavior, is still unclear. Here we perform in vivo 2-photon Ca2+ imaging from hippocampal subregions of head-fixed mice performing a virtual-reality spatial discrimination task. We find that population activity in the input region of the hippocampus, the dentate gyrus, robustly discriminates small changes in environments, whereas spatial discrimination in CA1 reflects the behavioral performance of the animals and depends on the degree of differences between environments. Our results demonstrate that the dentate gyrus amplifies small differences in its inputs, while downstream hippocampal circuits will act as the final arbiter on this decorrelated information, thereby producing a "perceptual map" that will guide behaviour.

ABSTRACT Preparatory activity in the frontal cortex preceding movement onset is thought to represent a neuronal signature of motor planning. However, how excitatory and inhibitory synaptic inputs to frontal neurons are integrated during movement preparation remains unclear. Here we address this question by performing in vivo whole-cell patch-clamp recordings in the secondary motor cortex (MOs) of head-fixed mice moving on a treadmill. We find that both superficial and deep principal neurons show slowly increasing (~10 s) membrane potential and spike rate ramps preceding the onset of spontaneous, self-paced running periods. By contrast, in animals trained to perform a goal-directed task, both membrane potential and spike ramps are characterized by larger amplitudes and accelerated kinetics during preparation of goal-driven movement. To determine the role of local inhibitory neurons in shaping these task-dependent preparatory signals, we chemogenetically suppressed the activity of specific interneuron subpopulations in untrained animals. Inactivation of parvalbumin-positive (PV+) interneurons leads to depolarized membrane potential ramps with increased amplitudes during preparation of movement, while inactivation of somatostatin-positive (SOM+) interneurons abolishes membrane potential ramps. A computational model of the local MOs circuit shows that SOM+-mediated inhibition of PV+ interneurons in conjunction with recurrent connectivity among the principal neurons can reproduce slow ramping signals, while plasticity of excitatory synapses on SOM+ interneurons can explain the acceleration of these signals in trained animals. Together, our data reveal that local inhibitory neurons play distinct roles in controlling task-dependent preparatory ramping signals when MOs neurons integrate external inputs during motor planning. Highlights Principal neurons in MOs show slow preparatory membrane potential and firing rate ramps preceding the onset of spontaneous, self-paced running periods. In animals trained to perform a goal-directed task, both membrane potential and spike ramps are faster and larger in amplitude. Inactivation of PV+ interneurons disinhibits MOs principal neurons and increases the amplitude of membrane potential ramps, while inactivation of SOM+ interneurons abolishes membrane potential ramps. Our modeling results suggest that the concerted action of external inputs and local inactivation shapes task-dependent preparatory motor signals in MOs neurons.