The Dynamics of hippocampal encoding: beyond the spatial metaphor

Abstract

Every animal on our planet wanders around when looking for something. Whether it is in search of food, a mate, or home, navigation is one of the most performed cognitive behaviors in Nature. Nevertheless, our understanding of how the brain is capable of solving such a simple problem − to move from one point to another − is still incomplete. The decomposition of navigation into cognitive components reveals the complexity of such behavior. To reach a goal, one has to first understand its current position, then to estimate the target position, followed by identifying a route towards the goal-location and, finally, to physically orchestrate a set of motor-actions leading to the desired location. Extensive research on the mammalian hippocampus has revealed its critical role in spatial navigation, memory, and learning. However, the mechanisms for spatial memory encoding, episodic representation, and their behavioral counterparts are still not fully understood. Moreover, we do not know if the mechanisms involved in spatial re- presentation also scale up to conceptual representation from a purely spatial domain, such as task cognitive demands. In this thesis, we present a set of studies focused on spatial and cognitive representation in the insect and mammalian organisms. We show that the problem of spatial representation requires multi-level solutions working simultaneously: from biophysical neuronal mechanisms to behavioral aspects of navigation. Furthermore, with physiological studies of the human medial temporal lobe, we propose that the mechanisms involved in spatial representation also extend to higher-order cognitive representations, therefore suggesting that the hippocampus handles information that is dimension independent.

Tots els animals del nostre planeta passegen mentre busquen alguna cosa. Ja sigui per trobar menjar, parella o un lloc per viure, la nave- gacio` `es un dels comportaments cognitius més realitzats en la natura. No obstant, la nostra comprensió de com el cervell és capaç de resoldre aquest senzill problema − moure’s d’un punt a un altre − encara és incompleta. La descomposició de la navegació en diferents components cognitius revela la complexitat d’aquest comportament. Per assolir un objectiu, hom ha de primer conèixer la seva posició, llavors estimar la posició destí, seguidament identificar una ruta o camí fins a aquesta i, finalment, orquestrar un conjunt d’accions motores que portin fins a la posició desitjada. L’àmplia recerca de l’hipocamp en mamífers ha revelat el seu paper fonamental en la navegació espacial, la memòria i l’aprenentatge. Tot i això, els mecanismes de codificació de la memòria espacial, la representació episódica i els seus homólegs encara no s’han pogut entendre completament. Tanmateix, encara no sabem si els mecanismes involucrats en la representació espacial també escalen des d’un domini purament espacial a la representació de conceptes, com ara les necessitats cognitives d’una tasca. En aquesta tesi presentem un conjunt d’estudis centrats en la representació espacial i cognitiva en el cervell d’insectes i mamífers. Mostrem que el problema de la representació espacial requereix de solucions amb múltiples nivells treballant simultàniament: des dels mecanismes neuronals biofísics fins als aspectes conductuals de la navegació. Per últim, a partir d’estudis fisiológics del lobul temporal mitjà de l’ésser humà, proposem que els mecanismes involucrats en la representació espacial també s’extenen a representacions cognitives d’alt nivell, suggerint que l’hipocamp s’encarrega de la informació independentment de la seva dimensió.