High-frequency ripple oscillations, observed most prominently in the hippocampal CA1 pyramidal layer, are associated with memory consolidation. The cellular and network mechanisms underlying the generation, frequency control, and spatial coherence of the rhythm are poorly understood. Using multisite optogenetic manipulations in freely behaving rodents, we found that depolarization of a small group of nearby pyramidal cells was sufficient to induce high-frequency oscillations, whereas closed-loop silencing of pyramidal cells or activation of parvalbumin- (PV) or somatostatin-immunoreactive interneurons aborted spontaneously occurring ripples. Focal pharmacological blockade of GABAA receptors abolished ripples. Localized PV interneuron activation paced ensemble spiking, and simultaneous induction of high-frequency oscillations at multiple locations resulted in a temporally coherent pattern mediated by phase-locked interneuron spiking. These results constrain competing models of ripple generation and indicate that temporally precise local interactions between excitatory and inhibitory neurons support ripple generation in the intact hippocampus.

Declarative memory encompasses representations of specific events as well as knowledge extracted by accumulation over multiple episodes. To investigate how these different sorts of memories are created, we developed a new behavioral task in rodents. The task consists of three distinct conditions (stable, overlapping, random). Rodents are exposed to multiple sample trials, in which they explore objects in specific spatial arrangements. In the stable condition, the locations are constant during all sample trials; in the test trial, one objects location is changed. In the random condition, object locations are presented in the sample phase without a specific spatial pattern. In the overlapping condition, one location is shared (overlapping) between all trials while the other location changes during sample trials. We show that in the overlapping condition, instead of only remembering the last sample trial, rodents form a cumulative memory of the sample trials. Here we could show that both mice and rats can accumulate information across multiple trials and express a long-term abstracted memory.

New information is rarely learned in isolation, instead most of what we experience can be incorporated into or uses previous knowledge networks in some form. However, most rodent laboratory tasks assume the animal to be naïve with no previous experience influencing the results. Previous knowledge in form of a schema can facilitate knowledge acquisition and accelerate systems consolidation: memories become more rapidly hippocampal independent and instead rely more on the prefrontal cortex. Here, we developed a new spatial navigation task where food locations are learned in a large, gangway maze – the HexMaze. Analysing performance across sessions as well as on specific trials, we can show simple memory effects as well as multiple effects of previous knowledge accelerating both online learning and performance increases over offline periods. Importantly, we are the first to show that schema build-up is dependent on how much time passes, not how often the animal is trained.

Summary Understanding the function of brain cortices requires simultaneous investigation at multiple spatial and temporal scales and to link neural activity to an animal’s behavior. A major challenge is to measure within- and across-layer information in actively behaving animals, in particular in mice that have become a major species in neuroscience due to an extensive genetic toolkit. Here we describe the Hybrid Drive, a new chronic implant for mice that combines tetrode arrays to record within-layer information with silicon probes to simultaneously measure across-layer information. The design of our device combines up to 14 tetrodes and 2 silicon probes, that can be arranged in custom arrays to generate unique areas-specific (and multi-area) layouts. We show that large numbers of neurons and layer-resolved local field potentials can be recorded from the same brain region across weeks without loss in electrophysiological signal quality. The drive’s lightweight structure ( ≈ 3.5 g) leaves animal behavior largely unchanged during a variety of experimental paradigms. We demonstrate how the data collected with the Hybrid Drive allow state-of-the-art analysis in a series of experiments linking the spiking activity of CA1 pyramidal layer neurons to the oscillatory activity across hippocampal layers. Our new device fits a gap in the existing technology and increases the range and precision of questions that can be addressed about neural computations in freely behaving mice.