Cognitive processes require working memory (WM) that involves a brief period of memory retention known as the delay period. Elevated delay-period activity in the medial prefrontal cortex (mPFC) has been observed, but its functional role in WM tasks remains unclear. We optogenetically suppressed or enhanced activity of pyramidal neurons in mouse mPFC during the delay period. Behavioral performance was impaired during the learning phase but not after the mice were well trained. Delay-period mPFC activity appeared to be more important in memory retention than in inhibitory control, decision-making, or motor selection. Furthermore, endogenous delay-period mPFC activity showed more prominent modulation that correlated with memory retention and behavioral performance. Thus, properly regulated mPFC delay-period activity is critical for information retention during learning of a WM task.

Working memory is a critical function of the brain to maintain and manipulate information over delay periods of seconds. Sensory areas have been implicated in working memory; however, it is debated whether the delay-period activity of sensory regions is actively maintaining information or passively reflecting top-down inputs. We hereby examined the anterior piriform cortex, an olfactory cortex, in head-fixed mice performing a series of olfactory working memory tasks. Information maintenance is necessary in these tasks, especially in a dual-task paradigm in which mice are required to perform another distracting task while actively maintaining information during the delay period. Optogenetic suppression of the piriform cortex activity during the delay period impaired performance in all the tasks. Furthermore, electrophysiological recordings revealed that the delay-period activity of the anterior piriform cortex encoded odor information with or without the distracting task. Thus, this sensory cortex is critical for active information maintenance in working memory.

Abstract Understanding neuronal mechanisms of cognitive behaviors requires efficient behavioral assays. We designed a high-throughput automatic training system (HATS) for olfactory behaviors in head-fixed mice. The hardware and software were constructed to enable automatic training with minimal human intervention. The integrated system was composed of customized 3D-printing supporting components, an odor-delivery unit with fast response, Arduino based hardware-controlling and data-acquisition unit. Furthermore, the customized software was designed to enable automatic training in all training phases, including lick-teaching, shaping, and learning. Using HATS, we trained mice to perform delayed non-match to sample (DNMS), delayed paired association (DPA), Go/No-go (GNG), and GNG reversal tasks. These tasks probed cognitive functions including sensory discrimination, working memory, decision making, and cognitive flexibility. Mice reached stable levels of performance within several days in the tasks. HATS enabled an experimenter to train eight mice simultaneously, therefore greatly enhanced the experimental efficiency. Combined with causal perturbation and activity recording techniques, HATS can greatly facilitate our understanding of the neural-circuitry mechanisms underlying cognitive behaviors.

Abstract How does millisecond-scale neural activity mediate behaviors over seconds? We recorded brain-wide activity in mice performing an olfactory working-memory task to decipher cross-region organization of activity. Spike-correlograms revealed millisecond within- and cross-region spike couplings, more prominent among neurons encoding similar memories. Spike coupling linked neurons into motifs of chains, single loops, and nested loops, especially among hippocampal and prefrontal-cortex neurons. Direction of spike coupling and activity chains was in line with that of memory-associated activity waves. Intriguingly, activity motifs were replayed before and after task performance, and during inter-trial intervals. Motifs were hierarchically organized, with progressively increasing time constants and the number of participating neurons. Thus, hierarchically organized and replayed cross-region spiking motifs are modulated on demand during delay period to mediate perceptual working memory. One Sentence Summary Nested activity motifs of chains, single loops, and nested loops, with progressively increasing time constants and number of participating neurons, are hierarchically organized and replayed to mediate perceptual working-memory maintenance.