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.

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.