Actualment, no hi ha consens científic respecte a la informació representada en la activitat de les célules del hipocamp. D'una banda, experiments amb humans sostenen una visión de la funció de l'hipocamp com a un sistema per l'emmagatzematge de memóries episódiques, mentre que la recerca amb rodents enfatitza una visió com a sistema cognitiu espacial. Tot i que existeix abundant evidència experimental que indica una possible sobreposició d'ambdues teories, aquesta dissociació també es manté en part en base a dades fisiològiques aparentment incompatibles. Aquesta tèsi poposa que l'hippocamp té un rol funcional que s'hauría d'analitzar en termes de la seva estructura i funció, enlloc de mitjança estudis correlació entre activitat neuronal i comportament. La identificació d'un codi a l'hipocamp, es a dir, el conjunt de principis computacionals que conformen les transformacions d'entrada i sortida de l'activitat neuronal, hauría de proporcionar un explicació unificada de la seva funció. En aquesta tèsi presentem un model teòric que descriu quantitativament i que interpreta la selectivitat de certes regions de l'hipocamp en funció de variables espaials i no-espaials, tal i com observada en experiments amb rates. Aquest resultat suggereix que multiples aspectes de la memòria expressada en humans i rodents deriven d'uns mateixos principis. Per aquest motius, proposem nous principis per la memòria, l'auto-completat de patrons i plasticitat. A més, mitjançant aplicacions robòtiques, creem d'un nexe causal entre el circuit neural i el comportament amb el que demostrem la naturalesa conjuntiva de la selectivitat neuronal observada en el hipocamp es necessària per la solució de problemes pràctics comuns, com per example la cerca d'aliments. Tot plegat, aquests resultats avancen en l'idea general de que el codi de l'hipocamp es genèric i aplicable als diversos tipus de memòries estudiades en la literatura. / There is no consensual understanding on what the activity of the hippocampus neurons represents. While experiments with humans foster a dominant view of an episodic memory system, experiments with rodents promote its role as a spatial cognitive system. Although there is abundant evidence pointing to an overlap between these two theories, the dissociation is sustained by conflicting physiological data. This thesis proposes that the functional role of the hippocampus should be analyzed in terms of its structure and function rather than by the correlation of neuronal activity and behavioral performance. The identification of the hippocampus code, i.e. the set of computational principles underlying the input-output transformations of neural activity, might ultimately provide a unifying understanding of its role. In this thesis we present a theoretical model that quantitatively describes and interprets the selectivity of regions of the hippocampus to spatial and non-spatial variables observed in experiments with rats. The results suggest that the multiple aspects of memory expressed in human and rodent data are derived form similar principles. This approach suggests new principles for memory, pattern completion and plasticity. In addition, by creating a causal tie between the neural circuitry and behavior through a robotic control framework we show that the conjunctive nature of neural selectivity observed in the hippocampus is needed for effective problem solving in real-world tasks such as foraging. Altogether, these results advance the concept that the hippocampal code is generic to the different aspects of memory highlighted in the literature.

Tesi realitzada a l'Equip de Neurociència de Sistemes - IDIBAPS / The generation of cognitive maps is influenced by different senses such as vision, audition or smell. However, the tactile information system -a highly developed system in the rat- and its influence on spatial processing, has hardly been studied. The availability of precise tactile information in the hippocampus (Pereira et al., 2007) is highly suggestive of a possible influence of tactile information on spatial processing. In this study we aimed to test if somatosensory information contributes to the cognitive map creation and spatial representation. The deprivation of the tactile sense without the possibility of using other senses (total darkness, homogeneous odour and uniform white noise), should then affect the coding of spatial information and could be detected as an alteration in place cell properties such as firing rate, location and/or extension of the firing fields. These types of changes would demonstrate that somatosensory inputs are involved in the cognitive map creation. To carry out this study we developed three kinds of experiments. First, we developed a paradigm (Gener et al., 2009) to temporarily deprive the tactile input using locally applied local anaesthesia (lidocaine). In a second part, we demonstrate that this deprivation was effective in the awake animal, altering the behaviour during tactile discrimination protocols and reducing successful trials from 88% to chance (48%). Finally, we applied the deprivation technique to characterise the cognitive map creation. With that purpose, we first demonstrated that place cells recorded in a controlled environment were sensitive to tactile cues, such that the rotation of the cues induce the rotation of the firing fields. Next, when tactile information was deprived, the place cells’ fields showed changes in their compactness and size. The results of this study suggest that somatosensory input information transduced by the whiskers contributes to the cognitive map creation. Those findings respond to some of the questions about hippocampus integration’s of sensory information.

Tesi realitzada a l'Equip de Neurociència de Sistemes - IDIBAPS / Since the discovery of the place cells in 1971 by John O’Keefe and colleagues an extensive work over the hippocampus has been developed as the mammal model of spatial navigation. Place cells are rodents’ hippocampal neurons whose firing is associated to certain locations of the environment. A majority of studies have focused on how the place fields (the area where the firing of a neuron is restricted) are generated in relation to the static cues of the environment (O'Keefe and Conway, 1978; Muller et al., 1987; Gothard et al., 1996). The present work assessed a similar question but regarding the dynamic cues surrounding the subject, and with the hypothesis that the hippocampus is also representing the position of other moving objects. In order to demonstrate if that was the case, we developed a behavioural protocol in which rats learnt to discriminate the movements of a robot in order to obtain reward, an Operant Position Discrimination Task (OPDT). Once the protocol was validated, the subjects were chronically implanted with tetrodes in the CA1 region of the hippocampus. In this way the activity of single hippocampal cells could be isolated off-line and the LFP of the area stored during the recordings. Using this method, the relationship between the firing of the cells and the field activity with the spatial parameters of the robot could be evaluated. The results showed a modulation by the dynamic cue of the theta oscillation. While the locomotor activity of the subjects is directly related to the power of theta in natural conditions (Vanderwolf, 1969), during the movement of the robot such relationship was disrupted and the band power between 4-12 Hz showed a trough at this time. The analysis of the single cells’ activity showed neurons locked to several spatial features of the dynamic cue. First, the position of the rat and the robot where analysed by information content parameters. Skaggs Index and Positional information (Markus et al., 1994; Olypher et al., 2003) showed neurons locked to the position of the subject as expected in CA1 and also other neurons locked to the positions of the robot. Second, moving from the spatial analysis to the temporal one, we found responses to the movement of the robot like OFF/ON variations of the basal activity of the neurons. Such changes in the firing patterns where quantified by the Mutual Information index (Nelken and Chechik, 2007) demonstrating that a large fraction of the neurons have a significant differential pattern of activity during the movement of the robot towards one side or the other. The use of the same index, MI, for the evaluation of the static or dynamic condition of the robot, also resulted in a set of neurons spiking with significant disparity during such epochs. In conclusion, the present work has demonstrated the existence of neural correlates locked to a dynamic cue in the hippocampus. Both the field activity at the theta range, LFP between 4 and 12 Hz, and the activity of the hippocampal neurons were found to reflect and/or encode the spatial features of a dynamic cue. The present work has in this way enlarged the limited evidence present in the prior literature about the role of the hippocampus in the tracking and localization of dynamic cues with the use of a behavioural protocol where both the spatial and temporal dynamics could be assessed. / La correcta localización y seguimiento de las pistas dinámicas que se encuentran en el ambiente es una tarea crucial para el individuo. Comportamientos fundamentales como la caza, el apareamiento o el escape necesitan una correcta identificación de la posición de presas, congéneres y depredadores para su correcta realización. El sistema cerebral encargado de localizar al propio sujeto en el ambiente se sabe que se encuentra en la formación hipocampal después de que diversos estudios hayan demostrado la necesidad del mismo para una correcta orientación (Morris et al., 1982) y, aún más importante, tras el descubrimiento en roedores de neuronas que disparan únicamente en espacios restringidos del entorno, las células de lugar (O'Keefe and Dostrovsky, 1971). Si bien se conoce que estos procesos están fundados en una correcta representación de la posición de las pistas estáticas del ambiente (O'Keefe and Conway, 1978; Muller et al., 1987; Gothard et al., 1996), que sirven de referencia para la propia localización, poco se sabe acerca de cómo se integra la información relativa a los objetos y/o sujetos móviles que se encuentran en el mismo ambiente. Este trabajo tiene como objetivo principal intentar responder a esta pregunta, es decir, ¿en qué modo el hipocampo procesa la información relativa a las pistas dinámicas? Para el desarrollo del estudio, primero, se diseñó una tarea comportamental que asegurara el hecho de que la pista dinámica resultase relevante para los sujetos de forma que los mismos prestaran atención a sus movimientos. Con este fin elegimos utilizar un robot cuyos desplazamientos pueden ser finamente controlados y asociar una recompensa a determinados patrones de navegación del robot. Después de probar con diferentes tareas de discriminación se llegó a una configuración (Operant Position Discrimination Task, OPDT) que permitía a los animales seguir los movimientos del robot desde un espacio separado en el cual recibían la recompensa en caso de discernir correctamente los desplazamientos de la pista. Una vez validada la tarea comportamental, a los sujetos que alcanzaron altas tasas de rendimiento se les implantaron tetrodos en la zona CA1 del hipocampo, lugar en el que se encuentran las células de lugar más estables. Una vez hecho el implante se procedió a registrar la actividad cerebral durante la ejecución de la tarea. Por una parte se aislaron los potenciales de acción pertenecientes a neuronas únicas y el potencial de campo de la zona, LFP. Respecto a la actividad de campo, LFP, se observó una disminución significativa de la potencia en la banda theta, 4-12 Hz, relacionada generalmente con la actividad locomotora del sujeto (Vanderwolf, 1969) durante el movimiento del robot. Durante el resto del registro la relación entre velocidad y potencia de theta se mantuvo y sólo en el periodo de discriminación del movimiento del robot esta relación se vio alterada con un mínimo de potencia observado en diferentes sujetos y registros. La actividad de las neuronas se analizó en función de los parámetros espaciales y dinámicos de la rata y el robot. Mirando la especificidad espacial del disparo de las neuronas a través de los parámetros Skaggs Index y Positional information (Markus et al., 1994; Olypher et al., 2003) se encontraron células significativamente ligadas en su actividad a la posición del sujeto o del robot. La actividad de las neuronas también se analizó de forma temporal, tomando como referencia el inicio de los estímulos, es decir el movimiento del robot hacia un lado u otro. Utilizando como índice la Mutual Information (Nelken and Chechik, 2007) se encontró que una larga proporción de las neuronas tienen respuestas diferenciales durante el movimiento del robot hacia uno de los lados. A su vez, el mismo análisis, pero en esta ocasión comparando los periodos en los que la pista se encuentra inmóvil con los que está en movimiento, determinó que otra fracción de las neuronas tiene patrones de disparo diferenciales según sea la condición dinámica de la pista. El conjunto de los resultados obtenidos indica claramente que el hipocampo se encuentra involucrado activamente en la localización y el seguimiento de las pistas dinámicas, siendo esto reflejado tanto en la actividad de sus neuronas como en la actividad de campo global. Los parámetros espaciales de la pista que resultaron modulados durante la tarea fueron su posición, la dirección de su movimiento y el hecho en sí de permanecer inmóvil o en desplazamiento.

The CHRNA5/A3/B4 genomic cluster encodes for the alpha5, alpha3 and beta4 subunits of the nicotinic acetylcholine receptors (nAChRs). Human genetic studies have revealed a significant association of variants in this genomic region with nicotine dependence. However, the mechanisms through which overexpression of these three subunits may influence smoking-related behaviours is not understood. To gain insight in the possible mechanisms, we used a BAC transgenic mouse model overexpressing this cluster containing the three genes together with their transcriptional regulatory elements. We found that overexpression of the cluster: i) increases sensitivity to the pharmacological effects of nicotine; ii) modifies particular cognitive domains associated to drug addiction and hippocampal neuronal complexity and synaptic plasticity; and iii) shifts the rewarding and aversive properties of nicotine and the manifestation of nicotine-withdrawal syndrome. Our study suggests that the genomic cluster CHRNA5/A3/B4 contributes to genetic vulnerability to nicotine addiction and promotes smoking-related behaviours possibly through hippocampal plasticity changes. / El cluster genòmic CHRNA5/A3/B4 codifica per les subunitats alfa5, alfa3 i beta4 dels receptors d’acetilcolina (nAChRs). Estudis de genètica humana han revelat que variants en aquesta regió genòmica estan significativament associats a la dependencia a nicotina. Malauradament, els mecanismes pels quals la sobreexpressió d’aquestes tres subunitats influencia comportaments relacionats amb el consum de tabac no són del tot coneguts. Per tal d’entendre els possibles mecanismes, hem utilitzat un model de ratolí transgènic que sobreexpressa aquest cluster amb els tres gens i les seus elements de regulació transcripcional. Hem trobat que la sobreexpressió del cluster: i) incrementa la sensibilitat als efectes farmacològics de la nicotina; ii) modifica determinats dominis cognitius associats a l’addicció a droges i la complexitat neuronal i plasticitat sinàpica de l’hipocamp; a més a més iii) canvia les propietats de recompensa i aversió de la nicotina i la manifestació del síndrome d’abstinència. El nostre estudi suggereix que el cluster genòmic CHRNA5/A3/B4 contribueix a la vulnerabilitat genètica a l’adicció a la nicotina i promou comportaments relacionats amb el consum de tabac possiblement a través de canvis de plasticitiat a l’hipocamp.

Aquesta tesi demostra que el peroxinitrit produït com a conseqüència del pèptid beta-amiloide (A) contribueix l'augment de la relació A42/A40 que ocorre a la malaltia d'Alzheimer. L'A42 contribueix a l'aparició de la malaltia degut a la seva major toxicitat (quan es compara amb l'A40) que resulta d'una gran estabilitat i capacitat agregativa. A més el peroxinitrit incrementa la toxicitat d'aquest degut a què potencia la seva agregació en forma d'oligomers altament tòxics. De fet els oligomers formats de nitro-A42 presenten una major toxicitat que aquells formats de A42 . En conjunt aquest resultats senyalen l'important paper que l'A42 té en la malaltia d'Alzheimer. Per altra banda, des de la identificació dels agregats d'A i la subseqüent formació dels cabdells neurofibrilars (NFT) com a els dos trets distintius de la malaltia, un gran esforç s'ha dedicat a establir els mecanismes moleculars que uneixen ambdós processos. Aquesta tesi demostra que el peroxinitrit format a partir de l'agregació de d'Ai la conseqüent nitrotirosinació de proteïnes, potencia l'agregació de la proteïna tau en forma de fibres. D'aquesta forma, la nitrotirosinació de la proteïna triosafosfat isomerasa (TPI) podria ser el vincle entre la toxicitat derivada del agregats d'Ai la patologia derivada de la proteïna tau. Per tant, la nitrotirosinació de la TPI podria explicar la progressió temporal que ocorre als cervells de pacients amb la malaltia d'Alzheimer des de la toxicitat induïda per l'Ai l'aparició dels NFT. Els resultats presentats en aquesta tesi podrien obrir nous aspectes en la recerca de la malaltia d'Alzheimer així com en altres malalties que cursin amb estrès oxidatiu i plegament erroni de proteïnes. / This thesis demonstrates that amyloid ß-peptide (Aß)-induced peroxynitrite contributes to the switch of the Aβ42/Aβ40 ratio that occurs in Alzheimer's disease (AD). Since Aβ42 is more toxic due to its higher aggregation and stability, it contributes to the trigger of the disease. In addition the aggregation of Aβ42 in form of the highly toxic oligomers is incremented by the presence of peroxynitrite. Moreover, these nitro-Aß42 oligomers are more toxic than those non-nitrated. All these results support the important role of peroxynitrite in AD etiology. Furthermore, since the identification of Aß accumulation and the subsequent formation of neurofibrillary tangles (NFT) as the two defining pathological hallmarks of AD, a fair amount of research on AD has been driven by the need to find the molecular mechanism linking Aß and NFT. This thesis shows the Aß-induced peroxynitrite, and the consequent nitrotyrosination of proteins, promotes tau fibrillization. Thus triosephosphate isomerase (TPI) nitrotyrosination could be the link between Aß-induced toxicity and tau pathology. Therefore, TPI nitrotyrosination may explain the temporal progression from Aß toxicity to NFT formation in AD brain. The work presented in this thesis could open a novel angle in the research of the pathophysiology of AD and could also have an impact to the research in other neurodegenerative diseases involving oxidative stress and protein misfolding.