Saccade triggered local field potential modulations in the primate hippocampus

The hippocampus is a cortical structure highly conserved across mammalian species. It plays an essential role in memory function by encoding context dependent associations between features and organizing them across multiple dimensions (e.g. spatiotemporal). It is believed that hippocampal local field potential oscillations, reflecting the activity of groups of co-active neurons that represent associated parts of an experience, are important to this process. Oscillations within a narrow frequency band are further thought to bear particular importance: ~3 – 12 Hz, henceforth known as hippocampal theta oscillations. Individual theta cycles separate the continuous experience into successive "snapshots" of attended stimuli (e.g. spatial trajectory or viewpoint) and allow for the separation of individual features (e.g. locations or objects) within that snapshot by interacting with high frequency oscillations. Theta phase thus plays a significant role in coordinating neuronal activity and is thought to be "reset" by sensory events, such as stimulus onsets, and active sensing behaviors, such as whisking and saccades. However, conflicting results across stimuli conditions, such as complete darkness versus complex stimuli, and inconsistencies in experimental protocols, such as the interchangeable use of saccade and foveation onsets to measure phase reset, generate uncertainty about the prerequisites (e.g. task and stimuli), nature (e.g. sensory or motor) and information content of sensing triggered phase "resets". First, I created a virtual reality (VR) testing suite using a video game engine (Unreal Engine 3) and interfaced it with our electrophysiological recording system. This allowed for the creation of a context dependent associative memory task, specifically tailored to highlight hippocampal function. Under experimental conditions, the system achieved a temporal precision of a few milliseconds between VR position, on-screen gaze position and neuronal data. Second, I analyzed hippocampal local field potentials recorded around stimulus onsets and self-generated eye movements in the aforementioned associative memory task, in addition to two new tasks: an open-field foraging and a cued saccade task. I found that stimulus onsets, as well as saccades and foveation onsets, triggered significant phase resets in the primate hippocampus in a frequency-specific manner. Moreover, saccade triggered local field potentials correlated with saccade parameters (i.e. amplitude and direction) and were stimulus independent. On the other hand, stimulus and foveation triggered potentials occurred within a frequency band correlated with the presence of visual stimulation. Lastly, the undertaken VR task directly influenced the reliability of saccade triggered phase resets, where the associative memory task engendered a stronger signal. In summary, theta phase is not simply "reset" to a default state by active sensing but is behaviorally modulated to represent both the motor and sensory aspects of saccadic exploration, in a frequency-specific manner. These results are in accordance with the role of the primate hippocampus in binding together self-motion, spatiotemporal context and stimulus feature into a coherent representation of experience. The relationship between gaze and hippocampal activity further highlights important distinctions between primate and rodent hippocampal function that must be taken into consideration when trying to bridge the rodent and human literature.L'hippocampe est une structure corticale hautement conservée chez les mammifères. Elle joue un rôle essentiel dans la mémoire en formant des associations entre les divers éléments explorés et en les organisant selon les dimensions appropriées au contexte. Il a été proposé que les potentiels de champ locaux de l'hippocampe, qui reflètent l'activité de groups de neurones coactifs, sont importants dans ce processus. Une plage de fréquences d'oscillation a un rôle particulièrement important : les oscillations thêta entre ~3 et 12 Hz. Les cycles individuels de thêta fragmentent l'expérience continue selon les stimuli explorés (par ex. trajectoires spatiales ou points de vue), et permet la séparation des différentes caractéristiques individuelles (par ex. positions) à l'intérieur de ces fragments en interagissant avec des oscillations à haute fréquence. La phase de thêta joue donc un rôle significatif dans la coordination de l'activité neuronale et est « réinitialisée » par des événements de nature sensorielle, tels l'apparition de stimuli ou des comportements d'exploration. Cependant, plusieurs résultats conflictuels à travers les conditions de stimulation, tels la noirceur totale ou la présence de stimuli complexes, et des incohérences dans les protocoles expérimentaux, tels l'utilisation de l'initiation des saccades ou fovéations pour quantifier la « réinitialisation » de phase, ont généré beaucoup d'incertitude quant aux conditions préalables (par ex. la tâche accomplie et les stimuli), à la nature (par ex. motrice ou sensorielle) et à l'information contenue dans les « réinitialisations » de phase. Premièrement, j'ai créé une suite de réalité virtuelle (RV) basée sur un engin de jeu vidéo et créé son interface avec nos équipements d'enregistrement neurophysiologiques. Ce système a permis la création d'une tâche spécialement désignée pour activer l'hippocampe, par l'utilisation de navigation allocentrique et de formation de mémoires associatives dépendantes du contexte. Sous les conditions expérimentales, une résolution temporelle de quelques millisecondes a été obtenue entre la position dans la RV, la position des yeux sur l'écran et les données neuronales. Deuxièmement, j'ai analysé les potentiels de champ locaux enregistrés lors de l'apparition de stimuli et de mouvements oculaires volontaires, lors de la tâche de mémoire associative et de deux nouvelles tâches : une tâche de recherche en RV et une tâche de mouvement oculaires dirigés. J'ai trouvé que l'apparition de stimuli, ainsi que l'initiation de saccades et de fixations, engendrent une réinitialisation de la phase en fonction de bandes de fréquences spécifiques. De plus, les modulations de potentiels de champ locaux engendrées par les saccades corrèlent avec les paramètres de la saccade (par ex. l'amplitude et la direction) et sont indépendantes des stimuli. Alternativement, les réinitialisations de phase causées par les stimuli et fovéations se produisent dans des fréquences qui correspondent à la présence de stimuli visuels. En dernier lieu, la tâche entreprise en RV a une influence directe la robustesse des réinitialisations de potentiels de champ, où la tâche de mémoire associative a une plus forte influence. En résumé, la phase des oscillations thêta n'est pas simplement « réinitialisée » à une valeur par défaut, mais est modulée par le comportement pour représenter l'activité motrice et sensorielle de l'exploration visuelle, et ce, dans des bandes de fréquences spécifiques. Ces résultats sont en faveur du rôle de l'hippocampe du primate dans la fusion des représentations de mouvements volontaires, du contexte spatiotemporel et des stimuli en une image cohérente de l'expérience. Les relations entre la vision et l'activité de l'hippocampe mettent également en évidence d'importantes distinctions entre l'hippocampe des primates et rongeurs, qui doivent être considérées lors de l'étude de leurs littératures respectives