The hippocampus is a brain structure involved in episodic memory and spatial cognition. Neuronal activity within the hippocampus exhibits intricate temporal patterning, including oscillatory and sequential dynamics, which are believed to underlie these cognitive processes. In individual cells, a temporal activity pattern called phase precession occurs which leads to the organisation of neuronal populations into sequences. These sequences are hypothesised to form a substrate for episodic memory and the representation of spatial trajectories during navigation. In this thesis, I present a novel theory of the phenomenological properties of these neuronal activity sequences. In particular, I propose that the sequential organisation of population activity is governed by the independent phase precession of each cell. By comparison of models in which cells are independent and models in which cells exhibit coordinated activity against experimental data, I provide empirical evidence to support this hypothesis. Further, I show how independent coding affords a vast capacity for the generation of sequential activity patterns across distinct environments, allowing the representation of episodes and spatial experiences across a large number of contexts. This theory is then extended to account for grid cells, whose activity patterns form a hexagonal lattice over external space. By analysing simple forms of phase coding in populations of grid cells, I show how previously undocumented constraints on phase coding in two dimensional environments are imposed by the symmetries of grid cell firing fields. To overcome these constraints, I propose a more complex phenomenological model which can account for phase precession in both place cells and grid cells in two dimensional environments. Using insights from this theory, I then propose a biophysical circuit mechanism for hippocampal sequences. I show that this biophysical circuit model can account for the proposed phenomenological coding properties and provide experimentally testable predictions which can distinguish this model from existing models of phase precession. Finally, I outline a scheme by which this biophysical mechanism can implement supervised learning using spike time dependent plasticity in order to learn associations between events occurring on behavioural timescales. The models presented in this thesis challenge previous theories of hippocampal circuit function and suggest a much higher degree of flexibility and capacity for the generation of sequences than previously believed. This flexibility may underlie our ability to represent spatial experiences and store episodic memories across a seemingly unlimited number of distinct contexts.

Lebewesen sind jeden Tag Sequenzen von Ereignissen ausgesetzt, die sie sich merken wollen. Es ist jedoch ein allgemeines Problem, dass sich die Zeitskalen des Verhaltens und der Induzierung von neuronalem Lernen um mehrere Größenordnungen unterscheiden. Eine mögliche Lösung könnte "Phasenpräzession" sein - das graduelle Verschieben von Aktionspotential-Phasen relativ zur Theta-Oszillation im lokalen Feldpotential. Phasenpräzession ermöglicht es, Verhaltens-Sequenzen zeitlich zu komprimieren, herunter bis auf die Zeitskala von synaptischer Plastizität. In dieser Arbeit untersuche ich das Phasenpräzessions-Phänomen im medialen entorhinalen Kortex der Ratte. Ich entdecke, dass entorhinale Gitterzellen auf der für das Verhalten relevanten Einzellaufebene Phasenpräzession zeigen und dass die Phasenpräzession in Einzelläufen stärker ist als in zusammengefassten Daten vieler Läufe. Die Analyse von Einzelläufen zeigt zudem, dass Phasenpräzession (i) in Zellen aus allen Schichten des entorhinalen Kortex existiert und (ii) von den komplexen Bewegungsmustern der Ratten in zweidimensionalen Umgebungen abhängt. Zum Abschluss zeige ich, dass Phasenpräzession zelltyp-spezifisch ist: Sternzellen in Schicht II des medialen entorhinalen Kortex weisen klare Phasenpräzession auf, wohingegen Pyramidenzellen in der selben Schicht dies nicht tun. Diese Ergebnisse haben weitreichende Implikationen sowohl für das Lokalisieren des Ursprungs als auch für die m"oglichen Mechanismen von Phasenpräzession. / Every day, animals are exposed to sequences of events that are worth recalling. It is a common problem, however, that the time scale of behavior and the time scale for the induction of neuronal learning differ by multiple orders of magnitude. One possible solution could be a phenomenon called "phase precession" - the gradual shift of spike phases with respect to the theta oscillation in the local field potential. Phase precession allows for the temporal compression of behavioral sequences of events to the time scale of synaptic plasticity. In this thesis, I investigate the phase-precession phenomenon in the medial entorhinal cortex of the rat. I find that entorhinal grid cells show phase precession at the behaviorally relevant single-trial level and that phase precession is stronger in single trials than in pooled-trial data. Single-trial analysis further revealed that phase precession (i) exists in cells across all layers of medial entorhinal cortex and (ii) is altered by the complex movement patterns of rats in two-dimensional environments. Finally, I show that phase precession is cell-type specific: stellate cells in layer II of the medial entorhinal cortex exhibit clear phase precession whereas pyramidal cells in the same layer do not. These results have broad implications for pinpointing the origin and possible mechanisms of phase precession.

Korrelationskodierung im Hippokampus bildet möglicherweise die neuronale Basis für episodisches Gedächtnis. In dieser Arbeit untersuchen wir zwei Phänomene der Korrelationskodierung: Phasenpräzession und Sequenzwiederholungen. Phasenpräzession bezeichnet die Abnahme der Phase des Aktionspotentials einer Ortszelle relativ zur Theta-Oszillation. Sequenzwiederholung beschreibt die Aktivität von Ortszellen in Ruhephasen; dabei werden vorangegangene Orts- Sequenzen in umgekehrter Reihenfolge wiederholt. Wir untersuchen Phasenpräzession in einzelnen Versuchsdurchläufen. In bisherigen Studien wurden Daten zur Phasenpräzession in vielen Versuchsdurchläufen zusammengelegt. Wir zeigen, dass dies zu einer verzerrten Schätzung von grundlegenden Eigenschaften der Phasenpräzession führen kann. Weiterhin demonstrieren wir eine starke Variabilität der Phasenpräzession zwischen verschiedenen Versuchsdurchläufen. Daher ist Phasenpräzession besser geeignet zeitlich strukturierte Sequenzen zu lernen, als man aufgrund der zusammengelegten Daten vermutet hatte. Desweiteren untersuchen wir die Beziehung von Phasenpräzession in unterschiedlichen Teilen des Hippokampus. Wir zeigen, dass die extrazellulären Theta- Oszillationen in CA3 und CA1 außer Phase sind. Dennoch geschieht Phasenpräzession in beiden Regionen fast gleichzeitig, und CA3 Zellen feuern oft kurz vor CA1 Zellen. Diese zeitliche Beziehung ist im Einklang mit einer Vererbung von Phasenpräzession von CA3 nach CA1. Wir entwickeln ein mechanistisches Modell für Sequenzwiederholungen in umgekehrter Reihenfolge basierend auf Kurzzeitfazilitierung. Mit Hilfe des Tempotrons beweisen wir, dass die entstehenden zeitlichen Muster geeignet sind, um von nachgeschalteten Strukturen ausgelesen zu werden. Das Modell sagt voraus, dass im Gyrus Dentatus synchrone Zellaktivität kurz vor einer Sequenzwiederholung in CA3 zu sehen ist, und es zeigt, dass Sequenzwiederholungen zum Lernen von zeitlichen Mustern genutzt werden können. / Hippocampal correlation coding is a putative neural mechanism underlying episodic memory. Here, we look at two related phenomena: phase precession and reverse replay of sequences. Phase precession refers to the decrease of the firing phase of a place cell with respect to the local theta rhythm during the crossing of the place field. Reverse replay refers to reactivation of previously experienced place field sequences in reverse order during awake resting periods. First, we study properties of phase precession in single trials. Usually, phase precession is studied on the basis of data in which many place field traversals are pooled together. We find that single-trial and pooled-trial phase precession are different with respect to phase-position correlation, phase-time correlation, and phase range. We demonstrate that phase precession exhibits a large trial-to-trial variability and that pooling trials changes basic measures of phase precession. These findings indicate that single trials may be better suited for encoding temporally structured events than is suggested by the pooled data. Second, we examine the coordination of phase precession among subregions of the hippocampus. We find that the local theta rhythms in CA3 and CA1 are almost antiphasic. Still, phase precession in the two regions occurs with only a small phase shift, and CA3 cells tend to fire a few milliseconds before CA1 cells. These results suggest that phase precession in CA1 might be inherited from CA3. Finally, we present a model of reverse replay based on short-term facilitation. The model compresses temporal patterns from a behavioral time scale of seconds to shorter time scales relevant for synaptic plasticity. We demonstrate that the compressed patterns can be learned by the tempotron learning rule. The model provides testable predictions (synchronous activation of dentate gyrus during sharp wave-ripples) and functional interpretations of hippocampal activity (temporal pattern learning).

Um eine Folge von Ereignissen aus unserem Gedächtnis abzurufen, ist zunächst ein Mechanismus erforderlich, der geordnete Sequenzen abspeichert. Hierbei stehen wir vor dem Problem, dass Ereignisse in unserem Leben auf einer Zeitskala von Sekunden oder mehr stattfinden. Auf der anderen Seite basiert das Lernen von Sequenzen auf der Plastizität von Synapsen im Gehirn, die durch die Abfolge von Aktionspotentialen von Nervenzellen im Millisekunden-Bereich gesteuert wird. Um dieses zeitliche Problem zu lösen, betrachten wir den Hippocampus, eine Struktur im Gehirn von Vertebraten, die für das explizite Gedächtnis (Fakten, Ereignisse, Sequenzen) entscheidende Bedeutung hat. In Nagetieren ist der Hippocampus sehr gut untersucht. Dort wurden Neurone gefunden, die nur dann aktiv sind, wenn das Tier innerhalb einer bestimmten Region seiner Umgebung ist: im sogenannten “Ortsfeld” des entsprechenden Neurons. Während der Bewegung durch ein Ortsfeld verschiebt sich die Phase der Nervenimpulse zu immer früheren Phasen der EEG-Oszillation. Dieses Phänomen wird als “Phasenpräzession” bezeichnet. Theoretische und experimentelle Untersuchungen zeigen, dass Phasenpräzession eine Lösung für unser Dilemma bietet: es führt zu einer zeitlich komprimierten Darstellung der Sequenz von Orten. In der vorliegenden Arbeit untersuche ich den Mechanismus und die Funktion von Phasenpräzession im Hinblick auf die Ausbreitung neuronaler Aktivität von einer Hirnregion zu einer anderen. Phasenpräzession konnte bereits in mehreren Regionen des Gehirns beobachtet werden. Bisher war unklar, ob Phasenpräzession in jeder dieser Regionen eigenständig entsteht, oder ob die Phasenpräzession von einer vorgeschalteten Population von Neuronen “vererbt” werden kann. Schliesslich diskutiere ich auf Grundlage der aktuellen Literatur, ob Phasenpräzession das Verhalten beeinflusst und gebe einen Ausblick auf zukünftige Forschungsmöglichkeiten auf diesem Gebiet. / The process of faithfully retrieving episodes from our memory requires a neural mechanism capable of initially forming ordered and reliable behavioral sequences. These behavioral sequences take place on a timescale of seconds or more, whereas the timescale of neural plasticity and learning is in the order of tens of milliseconds. To shed light on this dilemma, we turn to studies of hippocampal place cells in rodents, i.e., cells that selectively increase their firing rates in locations of the environment known as the place fields. Within a field, the firing phases of a place cell precess monotonically relative to the ongoing theta rhythm. This phenomenon, termed "phase precession", leads to a temporally compressed representation of the behavioral sequences experienced by the rodent, and the compressed timescale matches the requirements of neural plasticity. In this thesis, I study the mechanisms and functions of phase precession by proposing a framework that relies on the concept of inheritance: the simple idea that patterns of neural activity can be propagated from one region to another. Indeed, phase precession has been observed in several regions of the hippocampus and entorhinal cortex, and an important open question is whether phase precession emerges independently in each region, or conversely, whether phase precession can be "inherited" from an upstream neu ronal population. These results suggest that the presence of phase precession in different stages of the hippocampal circuit and other regions of the brain is indicative of a common source, a fact that can help us better understand the temporal spiking patterns in the brain. Finally, I critically review the current evidence for a behavioral role for phase precession and suggest a roadmap for future research in this field.