Neurons Activated During Fear Memory Consolidation and Reconsolidation are Mapped to a Common and New Topography in the Lateral Amygdala

A key question in neuroscience is how memory is selectively allocated to neural networks in the brain. This question remains a significant research challenge, in both rodent models and humans alike, because of the inherent difficulty in tracking and deciphering large, highly dimensional neuronal ensembles that support memory (i.e., the engram). In a previous study we showed that consolidation of a new fear memory is allocated to a common topography of amygdala neurons. When a consolidated memory is retrieved, it may enter a labile state, requiring reconsolidation for it to persist. What is not known is whether the original spatial allocation of a consolidated memory changes during reconsolidation. Knowledge about the spatial allocation of a memory, during consolidation and reconsolidation, provides fundamental insight into its core physical structure (i.e., the engram). Using design-based stereology, we operationally define reconsolidation by showing a nearly identical quantity of neurons in the dorsolateral amygdala (LAd) that expressed a plasticity-related protein, phosphorylated mitogen-activated protein kinase, following both memory acquisition and retrieval. Next, we confirm that Pavlovian fear conditioning recruits a stable, topographically organized population of activated neurons in the LAd. When the stored fear memory was briefly reactivated in the presence of the relevant conditioned stimulus, a similar topography of activated neurons was uncovered. In addition, we found evidence for activated neurons allocated to new regions of the LAd. These findings provide the first insight into the spatial allocation of a fear engram in the LAd, during its consolidation and reconsolidation phase.

Ketamine affects memory consolidation: Differential effects in T-maze and passive avoidance paradigms in mice

The effects of ketamine, an N-methyl-D-aspartate (NMDA) antagonist, on memory in animals have been limited to the sub-anesthetic dose given prior to training in previous studies. We evaluated the effects of post-training anesthetic doses of ketamine to se

Money enhances memory consolidation – but only for boring material

Money’s ability to enhance memory has received increased attention in recent research. However, previous studies have not directly addressed the time-dependent nature of monetary effects on memory, which are suggested to exist by research in cognitive neuroscience, and the possible detrimental effects of monetary rewards on learning interesting material, as indicated by studies in motivational psychology. By utilizing a trivia question paradigm, the current study incorporated these perspectives and examined the effect of monetary rewards on immediate and delayed memory performance for answers to uninteresting and interesting questions. Results showed that monetary rewards promote memory performance only after a delay. In addition, the memory enhancement effect of monetary rewards was only observed for uninteresting questions. These results are consistent with both the hippocampus-dependent memory consolidation model of reward learning and previous findings documenting the ineffectiveness of monetary rewards on tasks that have intrinsic value.

Microinjection of histamine into the cerebellar vermis impairs emotional memory consolidation in mice

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Morphine and propranolol co-administration impair consolidation of Y-maze spatial recognition memory

In the present study, the interaction between morphine and the beta-adrenergic receptor antagonist, propranolol (PROP), in memory consolidation was investigated in a two-trial recognition Y-maze task. Four sets of Y-maze experiments were carried out in mi

Consolidation power of extrinsic rewards: reward cues enhance long-term memory for irrelevant past events

Recent research suggests that extrinsic rewards promote memory consolidation through dopaminergic modulation processes. However, no conclusive behavioral evidence exists given that the influence of extrinsic reward on attention and motivation during encoding and consolidation processes are inherently confounded. The present study provides behavioral evidence that extrinsic rewards (i.e., monetary incentives) enhance human memory consolidation independently of attention and motivation. Participants saw neutral pictures, followed by a reward or control cue in an unrelated context. Our results (and a direct replication study) demonstrated that the reward cue predicted a retrograde enhancement of memory for the preceding neutral pictures. This retrograde effect was observed only after a delay, not immediately upon testing. An additional experiment showed that emotional arousal or unconscious resource mobilization cannot explain the retrograde enhancement effect. These results provide support for the notion that the dopaminergic memory consolidation effect can result from extrinsic reward. (PsycINFO Database Record (c) 2013 APA, all rights reserved)(journal abstract)

Functional neuroimaging of autobiographical memory.

Functional neuroimaging studies of autobiographical memory have grown dramatically in recent years. These studies are important because they can investigate the neural correlates of processes that are difficult to study using laboratory stimuli, including: (i) complex constructive processes, (ii) recollective qualities of emotion and vividness, and (iii) remote memory retrieval. Constructing autobiographical memories involves search, monitoring and self-referential processes that are associated with activity in separable prefrontal regions. The contributions of emotion and vividness have been linked to the amygdala and visual cortex respectively. Finally, there is evidence that recent and remote autobiographical memories might activate the hippocampus equally, which has implications for memory-consolidation theories. The rapid development of innovative methods for eliciting personal memories in the scanner provides the opportunity to delve into the functional neuroanatomy of our personal past.

Perturbing the impulse activity of a single identified neuron augments the formation of long-term memory in a molluscan semi-intact preparation /

The aim of this study was to investigate the neural correlates of operant conditioning in a semi-intact preparation of the pond snail, Lymnaea stagnalis. Lymnaea learns, via operant conditioning, to reduce its aerial respiratory behaviour in response to an aversive tactile stimulus to its open pneumostome. This thesis demonstrates the successful conditioning of na'ive semiintact preparations to show learning in the dish. Furthermore, these conditioned preparations show long-term memory that persists for at least 18 hours. As the neurons that generate this behaviour have been previously identified I can, for the first time, monitor neural activity during both learning and long-term memory consolidation in the same preparation. In particular, I record from the respiratory neuron Right Pedal Dorsal 1 (RPeD 1) which is part of the respiratory central pattern generator. In this study, I demonstrate that preventing RPeDl impulse activity between training sessions reduces the number of sessions needed to produce long-term memory in the present semi-intact preparation.

Étude multimodale de la consolidation d’habiletés motrices à ‎l’aide de l’IRMf et de l’EEG

La consolidation est le processus qui transforme une nouvelle trace mnésique labile en ‎une autre plus stable et plus solide. Une des tâches utilisées en laboratoire pour ‎l’exploration de la consolidation motrice dans ses dimensions comportementale et ‎cérébrale est la tâche d’apprentissage de séquences motrices. Celle-ci consiste à ‎reproduire une même série de mouvements des doigts, apprise de manière implicite ou ‎explicite, tout en mesurant l’amélioration dans l’exécution. Les études récentes ont ‎montré que, dans le cas de l’apprentissage explicite de cette tâche, la consolidation de la ‎trace mnésique associée à cette nouvelle habileté dépendrait du sommeil, et plus ‎particulièrement des fuseaux en sommeil lent. Et bien que deux types de fuseaux aient ‎été décrits (lents et rapides), le rôle de chacun d’eux dans la consolidation d’une ‎séquence motrice est encore mal exploré. En effet, seule une étude s’est intéressée à ce ‎rôle, montrant alors une implication des fuseaux rapides dans ce processus mnésique ‎suite à une nuit artificiellement altérée. D’autre part, les études utilisant l’imagerie ‎fonctionnelle (IRMf et PET scan) menées par différentes équipes dont la notre, ont ‎montré des changements au niveau de l’activité du système cortico-striatal suite à la ‎consolidation motrice. Cependant, aucune corrélation n’a été faite à ce jour entre ces ‎changements et les caractéristiques des fuseaux du sommeil survenant au cours de la nuit ‎suivant un apprentissage moteur. Les objectifs de cette thèse étaient donc: 1) de ‎déterminer, à travers des enregistrements polysomnographiques et des analyses ‎corrélationnelles, les caractéristiques des deux types de fuseaux (i.e. lents et rapides) ‎associées à la consolidation d’une séquence motrice suite à une nuit de sommeil non ‎altérée, et 2) d’explorer, à travers des analyses corrélationnelles entre les données ‎polysomnographiques et le signal BOLD (« Blood Oxygenated Level Dependent »), ‎acquis à l’aide de l’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf), ‎l’association entre les fuseaux du sommeil et les activations cérébrales suite à la ‎consolidation de la séquence motrice. Les résultats de notre première étude ont montré ‎une implication des fuseaux rapides, et non des fuseaux lents, dans la consolidation ‎d’une séquence motrice apprise de manière explicite après une nuit de sommeil non ‎altérée, corroborant ainsi les résultats des études antérieures utilisant des nuits de ‎sommeil altérées. En effet, les analyses statistiques ont mis en évidence une ‎augmentation significative de la densité des fuseaux rapides durant la nuit suivant ‎l’apprentissage moteur par comparaison à la nuit contrôle. De plus, cette augmentation ‎corrélait avec les gains spontanés de performance suivant la nuit. Par ailleurs, les ‎résultats de notre seconde étude ont mis en évidence des corrélations significatives entre ‎l’amplitude des fuseaux de la nuit expérimentale d’une part et les gains spontanés de ‎performance ainsi que les changements du signal BOLD au niveau du système cortico-‎striatal d’autre part. Nos résultats suggèrent donc un lien fonctionnel entre les fuseaux ‎du sommeil, les gains de performance ainsi que les changements neuronaux au niveau ‎du système cortico-striatal liés à la consolidation d’une séquence motrice explicite. Par ‎ailleurs, ils supportent l’implication des fuseaux rapides dans ce type de consolidation ; ‎ceux-ci aideraient à l’activation des circuits neuronaux impliqués dans ce processus ‎mnésique et amélioreraient par la même occasion la consolidation motrice liée au ‎sommeil.‎

Temporal patterns of memory source incorporations into dreams and their relationships to dreamed locus of control

Les incorporations des mémoires épisodiques dans les rêves apparaissent en formes fragmentées et suivent un modèle temporel distinct qui suit une courbe sinusoïdale. Ce modèle est caractérisé par les incorporations immédiates, qui apparaissent 1-2 jours après l’événement (effet de résidus diurnes), et les incorporations tardives, qui apparaissent 5-7 jours après l’événement (effet de délai). Ces deux effets sont considérés comme des liens entre les processus de consolidation de la mémoire et la formation du rêve. Cette courbe temporelle a été observée pour une variété de stimuli expérimentaux. Cependant, aucune étude à date n’a démontré que le contenu des rêves réagit aux événements diurnes d’une manière plus générale et non-spécifique. Le but de notre étude était d’examiner si deux événements qualitativement distincts, un séjour nocturne au laboratoire (LAB), considéré comme un événement interpersonnel, et une tâche de réalité virtuelle (RV), considérée comme un événement non-interpersonnel, sont intégrés de façon différente dans le contenu onirique. Selon nos hypothèses, 1) les éléments spécifiques liés au LAB et à RV seraient incorporés dans les rêves avec des patrons tendances temporels différents, et 2) les incorporations spécifiques seraient associées à des changements plus généraux dans le locus de contrôle (LoC) du rêve. Vingt-six participants ont passé une nuit dans le laboratoire, ont été exposé à une tâche de RV, et ont rempli un journal de rêve pendant 10 jours. Les rapports de rêve ont été cotés pour les éléments spécifiques portant sur LAB et sur RV, et pour l'évolution générale de LoC du rêve. Nos deux hypothèses ont été confirmées: 1) les incorporations de LAB et RV sont négativement corrélées et apparaissent dans le rêve selon des modèles temporels différents. Les incorporations du LAB ont suivi une courbe sinusoïdale en forme de U, avec un effet de résidu diurne et un effet de délai. Les incorporations de RV ont suivi un patron différent, et ont eu un maximum d’incorporations au jour 4. 2) les scores du LoC du rêve étaient plus externes pour le jour 1 (max incorporations du LAB) et plus internes pour le jour 4 (max incorporations de RV). Ces modèles d'incorporation distincts peuvent refléter des différences dans la façon dont les deux événements ont été traités par les processus de consolidation de la mémoire. Dans ce cas, une expérience interpersonnelle (LAB) était incorporée plus tôt dans le temps. Les résultats suggèrent que LoC du rêve reflète les processus de mémoire plus généraux, qui affectent le contenu du rêve entier, et qui sont partiellement indépendants des incorporations spécifiques.

Neural substrates and functional connectivity associated with sleep-dependent and independent consolidation of new motor skills

La mémoire n’est pas un processus unitaire et est souvent divisée en deux catégories majeures: la mémoire déclarative (pour les faits) et procédurale (pour les habitudes et habiletés motrices). Pour perdurer, une trace mnésique doit passer par la consolidation, un processus par lequel elle devient plus robuste et moins susceptible à l’interférence. Le sommeil est connu comme jouant un rôle clé pour permettre le processus de consolidation, particulièrement pour la mémoire déclarative. Depuis plusieurs années cependant, son rôle est aussi reconnu pour la mémoire procédurale. Il est par contre intéressant de noter que ce ne sont pas tous les types de mémoire procédurale qui requiert le sommeil afin d’être consolidée. Entre autres, le sommeil semble nécessaire pour consolider un apprentissage de séquences motrices (s’apparentant à l’apprentissage du piano), mais pas un apprentissage d’adaptation visuomotrice (tel qu’apprendre à rouler à bicyclette). Parallèlement, l’apprentissage à long terme de ces deux types d’habiletés semble également sous-tendu par des circuits neuronaux distincts; c’est-à-dire un réseau cortico-striatal et cortico-cérébelleux respectivement. Toutefois, l’implication de ces réseaux dans le processus de consolidation comme tel demeure incertain. Le but de cette thèse est donc de mieux comprendre le rôle du sommeil, en contrôlant pour le simple passage du temps, dans la consolidation de ces deux types d’apprentissage, à l’aide de l’imagerie par résonnance magnétique fonctionnelle et d’analyses de connectivité cérébrale. Nos résultats comportementaux supportent l’idée que seul l’apprentissage séquentiel requiert le sommeil pour déclencher le processus de consolidation. Nous suggérons de plus que le putamen est fortement associé à ce processus. En revanche, les performances d’un apprentissage visuomoteur s’améliorent indépendamment du sommeil et sont de plus corrélées à une plus grande activation du cervelet. Finalement, en explorant l’effet du sommeil sur la connectivité cérébrale, nos résultats démontrent qu’en fait, un système cortico-striatal semble être plus intégré suite à la consolidation. C’est-à-dire que l’interaction au sein des régions du système est plus forte lorsque la consolidation a eu lieu, après une nuit de sommeil. En opposition, le simple passage du temps semble nuire à l’intégration de ce réseau cortico-striatal. En somme, nous avons pu élargir les connaissances quant au rôle du sommeil pour la mémoire procédurale, notamment en démontrant que ce ne sont pas tous les types d’apprentissages qui requièrent le sommeil pour amorcer le processus de consolidation. D’ailleurs, nous avons également démontré que cette dissociation de l’effet du sommeil est également reflétée par l’implication de deux réseaux cérébraux distincts. À savoir, un réseau cortico-striatal et un réseau cortico-cérébelleux pour la consolidation respective de l’apprentissage de séquence et d’adaptation visuomotrice. Enfin, nous suggérons que la consolidation durant le sommeil permet de protéger et favoriser une meilleure cohésion au sein du réseau cortico-striatal associé à notre tâche; un phénomène qui, s’il est retrouvé avec d’autres types d’apprentissage, pourrait être considéré comme un nouveau marqueur de la consolidation.

Involvement of the insular cortex in the consolidation and expression of contextual fear conditioning

The insular cortex (IC) has been reported to be involved in the modulation of memory and autonomic and defensive responses. However, there is conflicting evidence about the role of the IC in fear conditioning. To explore the IC involvement in both behavioral and autonomic responses induced by contextual fear conditioning, we evaluated the effects of the reversible inhibition of the IC neurotransmission through bilateral microinjections of the non-selective synapse blocker CoCl2 (1 mm) 10 min before or immediately after the conditioning session or 10 min before re-exposure to the aversive context. In the conditioning session, rats were exposed to a footshock chamber (context) and footshocks were used as the unconditioned stimulus. Forty-eight hours later, the animals were re-exposed to the aversive context for 10 min, but no shock was given. Behavioral (freezing) as well as cardiovascular (arterial pressure and heart rate increases) responses induced by re-exposure to the aversive context were analysed. It was observed that the local IC neurotransmission inhibition attenuated freezing and the mean arterial pressure and heart rate increase of the groups that received the CoCl2 either immediately after conditioning or 10 min before re-exposure to the aversive context, but not when the CoCl2 was injected before the conditioning session. These findings suggest the involvement of the IC in the consolidation and expression of contextual aversive memory. However, the IC does not seem to be essential for the acquisition of memory associated with aversive context. © 2013 Federation of European Neuroscience Societies and John Wiley & Sons Ltd.

Sleep stage II contributes to the consolidation of declarative memories

Various studies suggest that non-rapid eye movement (NREM) sleep, especially slow-wave sleep (SWS), is vital to the consolidation of declarative memories. However, sleep stage 2 (S2), which is the other NREM sleep stage besides SWS, has gained only little attention. The current study investigated whether S2 during an afternoon nap contributes to the consolidation of declarative memories. Participants learned associations between faces and cities prior to a brief nap. A cued recall test was administered before and following the nap. Spindle, delta and slow oscillation activity was recorded during S2 in the nap following learning and in a control nap. Increases in spindle activity, delta activity, and slow oscillation activity in S2 in the nap following learning compared to the control nap were associated with enhanced retention of face-city associations. Furthermore, spindles tended to occur more frequently during up-states than down-states within slow oscillations during S2 following learning versus S2 of the control nap. These findings suggest that spindles, delta waves, and slow oscillations might promote memory consolidation not only during SWS, as shown earlier, but also during S2.

Offline consolidation in implicit sequence learning

The goal of this study was to investigate offline memory consolidation with regard to general motor skill learning and implicit sequence-specific learning. We trained young adults on a serial reaction time task with a retention interval of either 24 hours (Experiment 1) or 1 week (Experiment 2) between two sessions. We manipulated sequence complexity (deterministic vs. probabilistic) and motor responses (unimanual or vs. bimanual). We found no evidence of offline memory consolidation for sequencespecific learning with either interval (in the sense of no deterioration over the interval but no further improvement either). However, we did find evidence of offline enhancement of general motor skill learning with both intervals, independent of kind of sequence or kind of response. These results suggest that general motor skill learning, but not sequence-specific learning, appears to be enhanced during offline intervals in implicit sequence learning.

Role of entorhinal cortical plasticity in spatial and contextual memory

It is well accepted that the hippocampus (HIP) is important for spatial and contextual memories, however, it is not clear if the entorhinal cortex (EC), the main input/output structure for the hippocampus, is also necessary for memory storage. Damage to the EC in humans results in memory deficits. However, animal studies report conflicting results on whether the EC is necessary for spatial and contextual memory. Memory consolidation requires gene expression and protein synthesis, mediated by signaling cascades and transcription factors. Extracellular-signal regulated kinase (ERK) cascade activity is necessary for long-term memory in several tasks, including those that test spatial and contextual memory. In this work, we explore the role of ERK-mediated plasticity in the EC on spatial and contextual memory. ^ To evaluate this role, post-training infusions of reversible pharmacological inhibitors specific for the ERK cascade that do not affect normal neuronal activity were targeted directly to the EC of awake, behaving animals. This technique provides spatial and temporal control over the inhibition of the ERK cascade without affecting performance during training or testing. Using the Morris water maze to study spatial memory, we found that ERK inhibition in the EC resulted in long-term memory deficits consistent with a loss of spatial strategy information. When animals were allowed to learn and consolidate a spatial strategy for solving the task prior to training and ERK inhibition, the deficit was alleviated. To study contextual memory, we trained animals in a cued fear-conditioning task and saw an increase in the activation of ERK in the EC 90 minutes following training. ERK inhibition in the EC over this time point, but not at an earlier time point, resulted in increased freezing to the context, but not to the tone, during a 48-hour retention test. In addition, animals froze maximally at the time the shock was given during training; similar to naïve animals receiving additional training, suggesting that ERK-mediated plasticity in the EC normally suppresses the temporal nature of the freezing response. These findings demonstrate that plasticity in the EC is necessary for both spatial and contextual memory, specifically in the retention of behavioral strategies. ^