The basolateral amygdala (BLA) is intimately involved in the development of conditional fear. Converging lines of evidence support a role for this region in the storage of fear memory but do not rule out a time-limited role in the memory consolidation. To examine this issue, we assessed the stability of BLA contribution to fear memories acquired across the adult lifetime of rats. Fear conditioning consisted of 10 tone–shock pairings in one context (remote memory), followed 16 months later by 10 additional tone–shock pairings with a novel tone in a novel context (recent memory). Twenty-four hours after recent training, rats were given NMDA or sham lesions of the BLA. Contextual and tone freezing were independently assessed in individual test sessions. Sham-lesioned rats showed high and comparable levels of freezing across all context and tone tests. In contrast, BLA-lesioned rats displayed robust freezing deficits across both recent and remote tests. Subsequent open-field testing revealed no effects of BLA lesions on activity patterns in a dark open field or during bright light exposure. Lesioned rats were able to reacquire normal levels of context-specific freezing after an overtraining procedure (76 unsignaled shocks). Together, these findings indicate that BLA lesions do not disrupt freezing behavior by producing hyperactivity, an inability to suppress behavior, or an inability to freeze. Rather, the consistent pattern of freezing deficits at both training-to-lesion intervals supports a role for the BLA in the permanent storage of fear memory.

It is shown that the formation of amyloid-β oligomers, one of the histopathological signatures of Alzheimer’s disease, can be triggered by small quantities of a specifically truncated and post-translationally modified version of amyloid-β. Here it is demonstrated that the formation of hypertoxic amyloid-β (Aβ) oligomers can be triggered by small quantities of a specifically truncated and post-translationally modified (pyroglutamylated) version of Aβ, called pEAβ. Previous studies have shown that pE modification of Aβ enhances its aggregation kinetics, toxicity and resistance to degradation, but a mechanistic explanation for these observations was lacking. This study shows that pEAβ causes template-induced misfolding of Aβ1–42 into small hypertoxic structurally distinct oligomers that propagate through a prion-like mechanism. Tau expression is required for the cytotoxicity of these oligomers, and similar molecules can be isolated from the brains of people with Alzheimer's disease. Extracellular plaques of amyloid-β and intraneuronal neurofibrillary tangles made from tau are the histopathological signatures of Alzheimer’s disease. Plaques comprise amyloid-β fibrils that assemble from monomeric and oligomeric intermediates, and are prognostic indicators of Alzheimer’s disease. Despite the importance of plaques to Alzheimer’s disease, oligomers are considered to be the principal toxic forms of amyloid-β1,2. Interestingly, many adverse responses to amyloid-β, such as cytotoxicity3, microtubule loss4, impaired memory and learning5, and neuritic degeneration6, are greatly amplified by tau expression. Amino-terminally truncated, pyroglutamylated (pE) forms of amyloid-β7,8 are strongly associated with Alzheimer’s disease, are more toxic than amyloid-β, residues 1–42 (Aβ1–42) and Aβ1–40, and have been proposed as initiators of Alzheimer’s disease pathogenesis9,10. Here we report a mechanism by which pE-Aβ may trigger Alzheimer’s disease. Aβ3(pE)–42 co-oligomerizes with excess Aβ1–42 to form metastable low-n oligomers (LNOs) that are structurally distinct and far more cytotoxic to cultured neurons than comparable LNOs made from Aβ1–42 alone. Tau is required for cytotoxicity, and LNOs comprising 5% Aβ3(pE)–42 plus 95% Aβ1–42 (5% pE-Aβ) seed new cytotoxic LNOs through multiple serial dilutions into Aβ1–42 monomers in the absence of additional Aβ3(pE)–42. LNOs isolated from human Alzheimer’s disease brain contained Aβ3(pE)–42, and enhanced Aβ3(pE)–42 formation in mice triggered neuron loss and gliosis at 3 months, but not in a tau-null background. We conclude that Aβ3(pE)–42 confers tau-dependent neuronal death and causes template-induced misfolding of Aβ1–42 into structurally distinct LNOs that propagate by a prion-like mechanism. Our results raise the possibility that Aβ3(pE)–42 acts similarly at a primary step in Alzheimer’s disease pathogenesis.

The hippocampus is assumed to retrieve memory by reinstating patterns of cortical activity that were observed during learning. To test this idea, we monitored the activity of individual cortical neurons while simultaneously inactivating the hippocampus. Neurons that were active during context fear conditioning were tagged with the long-lasting fluorescent protein H2B-GFP and the light-activated proton pump ArchT. These proteins allowed us to identify encoding neurons several days after learning and silence them with laser stimulation. When tagged CA1 cells were silenced, we found that memory retrieval was impaired and representations in the cortex (entorhinal, retrosplenial, perirhinal) and the amygdala could not be reactivated. Importantly, hippocampal inactivation did not alter the total amount of activity in most brain regions. Instead, it selectively prevented neurons that were active during learning from being reactivated during retrieval. These data provide functional evidence that the hippocampus reactivates specific memory representations during retrieval.

Lesions of the rodent hippocampus invariably abolish context fear memories formed in the recent past but do not always prevent new learning. To better understand this discrepancy, we thoroughly examined the acquisition of context fear in rats with pretraining excitotoxic lesions of the dorsal hippocampus. In the first experiment, animals received a shock immediately after placement in the context or after variable delays. Immediate shock produced no context fear learning in lesioned rats or controls. In contrast, delayed shock produced robust context fear learning in both groups. The absence of fear with immediate shock occurs because animals need time to form a representation of the context before shock is presented. The fact that it occurs in both sham and lesioned rats suggests that they learn about the context in a similar manner. However, despite learning about the context in the delay condition, lesioned rats did not acquire as much fear as controls. The second experiment showed that this lesion-induced deficit could be overcome by increasing the number of conditioning trials. Lesioned animals learned normally after multiple shocks, regardless of freezing level or trial spacing. The last experiment showed that animals with complete hippocampus lesions could also learn about the context, although the same lesions produced devastating retrograde amnesia. These results demonstrate that alternative systems can acquire context fear but do so less efficiently than the hippocampus.

Mutations that cause intellectual disability (ID) and autism spectrum disorder (ASD) are commonly found in genes that encode for synaptic proteins. However, it remains unclear how mutations that disrupt synapse function impact intellectual ability. In the SYNGAP1 mouse model of ID/ASD, we found that dendritic spine synapses develop prematurely during the early postnatal period. Premature spine maturation dramatically enhanced excitability in the developing hippocampus, which corresponded with the emergence of behavioral abnormalities. Inducing SYNGAP1 mutations after critical developmental windows closed had minimal impact on spine synapse function, whereas repairing these pathogenic mutations in adulthood did not improve behavior and cognition. These data demonstrate that SynGAP protein acts as a critical developmental repressor of neural excitability that promotes the development of life-long cognitive abilities. We propose that the pace of dendritic spine synapse maturation in early life is a critical determinant of normal intellectual development.

Abstract Locus coeruleus (LC) projections to the hippocampus play a critical role in learning and memory. However, the precise timing of LC-hippocampus communication during learning and which LC-derived neurotransmitters are important for memory formation in the hippocampus are currently unknown. Although the LC is typically thought to modulate neural activity via the release of norepinephrine, several recent studies have suggested that it may also release dopamine into the hippocampus and other cortical regions. In some cases, it appears that dopamine release from LC into the hippocampus may be more important for memory than norepinephrine. Here, we extend these data by characterizing the phasic responses of the LC and its projections to the dorsal hippocampus during trace fear conditioning. We find that the LC and its projections to the hippocampus respond to task-relevant stimuli and that amplifying these responses with optogenetic stimulation can enhance long-term memory formation. We also demonstrate that LC activity increases both norepinephrine and dopamine content in the dorsal hippocampus and that the timing of hippocampal dopamine release during trace fear conditioning is similar to the timing of LC activity. Finally, we show that hippocampal dopamine is important for trace fear memory formation, while norepinephrine is not.

Abstract The hippocampus is thought to combine “what” and “where” information from the cortex so that objects and events can be represented within the spatial context in which they occur. Surprisingly then, these distinct types of information remain partially segregated in the output region of the hippocampus, area CA1. In this region, objects preferentially activate neurons in the distal segment (adjacent to the subiculum) while spatial locations are precisely represented by neurons in the proximal segment (adjacent to CA2). This difference likely results from distinct anatomical connections; proximal CA1 receives direct input from the medial entorhinal cortex (which encodes spatial context) whereas distal CA1 has reciprocal connections with the lateral entorhinal cortex (which encodes objects and events). Based on these findings, it has been proposed that CA1 contains two distinct representations; one that encodes the animal’s spatial location and another that encodes objects that are present in the environment. The current study aimed to determine the role of distal CA1 in learning the location of objects in an environment. To do this, we first examined c-Fos expression in proximal and distal CA1 to see if we could replicate previous findings and confirm that neurons in these distinct segment are responsive to different stimuli. As previous studies indicate that catecholamines can regulate the activity of segments of CA1, we then investigate the role of catecholamines on learning object locations using 6-OHDA or SCH23390 to lesion catecholaminergic input and block D1/D5 receptors, respectively. Finally, we monitored calcium activity with fiber photometry while animals performed a hippocampal-dependent object location memory task.

Abstract The hippocampus can be divided into distinct segments that make unique contributions to learning and memory. The dorsal hippocampus supports cognitive processes like spatial learning and navigation while the ventral hippocampus regulates emotional behaviors related to fear, anxiety and reward. In the current study, we determined how pyramidal cells in ventral CA1 respond to spatial cues and aversive stimulation during a context fear conditioning task. We also examined the effects of high and low frequency stimulation of these neurons on defensive behaviors. Similar to previous work in the dorsal hippocampus, we found that cells in ventral CA1 expressed high-levels of c-Fos in response to a novel spatial environment. Surprisingly, however, the number of activated neurons did not increase when the environment was subsequently paired with footshock. This was true even in the subpopulation of ventral CA1 pyramidal cells that send direct projections to the amygdala. When these cells were stimulated at high-frequencies (20-Hz), we observed feedforward inhibition of basal amygdala neurons and impaired expression of context fear. In contrast, low-frequency stimulation (4-Hz) did not inhibit principal cells in the amygdala and produced a slight increase in fear generalization. Similar results have been reported in dorsal CA1. Therefore, despite the clear differences between the dorsal and ventral hippocampus, CA1 neurons in each segment appear to make similar contributions to context fear conditioning.

Summary Binding events that occur at different times is essential for memory formation. In trace fear conditioning, animals associate a tone and footshock despite no temporal overlap. The hippocampus is thought to mediate this learning by maintaining a memory of the tone until shock occurrence, however evidence for sustained hippocampal tone representations is lacking. Here we demonstrate a retrospective role for the hippocampus in trace fear conditioning. Bulk calcium imaging revealed sustained increases in CA1 activity after footshock that were not observed after tone termination. Optogenetic silencing of CA1 immediately after footshock impaired subsequent memory. Additionally, footshock increased the number of sharp wave-ripples compared to baseline during conditioning. Therefore, post-shock hippocampal activity likely supports learning by reactivating and linking latent tone and shock representations. These findings highlight an underappreciated function of post-trial hippocampal activity in enabling retroactive temporal associations during new learning, as opposed to persistent maintenance of stimulus representations.