Grid cell activity in the rodent and non-human primate entorhinal cortex is thought to provide spatial location information to the hippocampus for navigation and spatial processing. Here, Jacobs et al. examined single neuron spiking activities from human subjects performing a virtual spatial navigation task and show the presence of grid-like firing activity. Grid cells in the entorhinal cortex appear to represent spatial location via a triangular coordinate system. Such cells, which have been identified in rats, bats and monkeys, are believed to support a wide range of spatial behaviors. Recording neuronal activity from neurosurgical patients performing a virtual-navigation task, we identified cells exhibiting grid-like spiking patterns in the human brain, suggesting that humans and simpler animals rely on homologous spatial-coding schemes.

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.

Summary The hippocampus and surrounding medial-temporal-lobe (MTL) structures are critical for both memory and spatial navigation, but we do not fully understand the neuronal representations used to support these behaviors. Much research has examined how the MTL neurally represents spatial information, such as with “place cells” that represent the current location or “head-direction cells” that code for the current heading. In addition to behaviors that require an animal to attend to the current spatial location, navigating to remote destinations is a common part of daily life. To examine the neural basis of these behaviors we recorded single-neuron activity from neurosurgical patients playing Treasure Hunt, a virtual-reality spatial-memory task. By analyzing how the activity of these neurons related to behavior in Treasure Hunt, we found that the firing rates of many MTL neurons during navigation significantly changed depending on the position of the current spatial target. In addition, we observed neurons whose firing rates during navigation were tuned to specific heading directions in the environment, and others whose activity changed depending on the timing within the trial. By showing that neurons in our task represent remote locations rather than the subject’s own position, our results suggest that the human MTL can represent remote spatial information according to task demands.

Environmental boundaries play a crucial role in spatial navigation and memory across a wide range of distantly-related species. In rodents, boundary representations have been identified at the single-cell level in the subiculum and entorhinal cortex of the hippocampal formation. While studies of hippocampal function and spatial behavior suggest that similar representations might exist in humans, boundary-related neural activity has not been identified electrophysiologically in humans until now. Here we present direct intracranial recordings from the hippocampal formation of surgical epilepsy patients while they performed a virtual spatial navigation task. Our results suggest that encoding target locations near boundaries elicited stronger theta oscillations than for target locations near the center of the environment and that this difference cannot be explained by variables such as trial length, speed, or movement. These findings provide the first direct evidence of boundary-dependent neural activity localized in humans to the subiculum, the homologue of the hippocampal subregion in which most rodent boundary cells are found.

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.

Based on rodent models, researchers have theorized that the hippocampus supports episodic memory and navigation via the theta oscillation, a ~4–10-Hz rhythm that coordinates brain-wide neural activity. However, recordings from humans have indicated that hippocampal theta oscillations are lower in frequency and less prevalent than in rodents, suggesting interspecies differences in theta’s function. To characterize human hippocampal theta, we examined the properties of theta oscillations throughout the anterior–posterior length of the hippocampus as neurosurgical subjects performed a virtual spatial navigation task. During virtual movement, we observed hippocampal oscillations at multiple frequencies from 2 to 14 Hz. The posterior hippocampus prominently displayed oscillations at ~8-Hz and the precise frequency of these oscillations correlated with the speed of movement, implicating these signals in spatial navigation. We also observed slower ~3-Hz oscillations, but these signals were more prevalent in the anterior hippocampus and their frequency did not vary with movement speed. Our results converge with recent findings to suggest an updated view of human hippocampal electrophysiology. Rather than one hippocampal theta oscillation with a single general role, high-and low-theta oscillations, respectively, may reflect spatial and non-spatial cognitive processes.

We previously demonstrated that the phase of oscillations modulates neural activity representing categorical information using human intracranial recordings and high-frequency activity from local field potentials (Watrous et al., 2015b). We extend these findings here using human single-neuron recordings during a navigation task. We identify neurons in the medial temporal lobe with firing-rate modulations for specific navigational goals, as well as for navigational planning and goal arrival. Going beyond this work, using a novel oscillation detection algorithm, we identify phase-locked neural firing that encodes information about a person's prospective navigational goal in the absence of firing rate changes. These results provide evidence for navigational planning and contextual accounts of human MTL function at the single-neuron level. More generally, our findings identify phase-coded neuronal firing as a component of the human neural code.

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.