Once and for all: post-encoding neural mechanisms promoting rapid episodic memory formation in humans

Abstract

[eng] Deciphering the mechanisms of human declarative memory is one of the main goals of neuroscience. Theoretical models such as Standard Consolidation Theory (Alvarez and Squire, 1994) and the Multiple Trace Theory (Nadel et al., 2000) have led the memory research field for the last two decades. However, with recent advances in research, the highly dynamic nature of memory systems seems to be oversimplified by these classic theoretical models, especially in the context of answering how memories may be formed as the experience unfolds and why specific episodes after only one-time exposure can be remembered over a long period but others not.

It has been reported in recent memory studies the existence of an immediate post- stimulus activity in the hippocampus following the detection of an event boundary and its predictive role in subsequent memory performance (Ben-Yakov and Dudai, 2011). It is well accepted that encoding of cohesive episodes requires integration of information that is likely to engage offline processes, which in rodents are mainly supported by mechanisms that enable replay of the sequential reactivation of hippocampal place cells that represent previously experienced trajectories. According to the latest evidence from human studies, this brain activity time-locked to the offset of the event boundary might reflect a rapid memory reactivation of the just-encoded sequence episode as such memory reactivation showed high neural similarity with neural activity elicited during the previous episode encoding phase (Sols et al. 2017; Silva et al., 2019).

Here, aiming to advance the understanding of why, when, and how immediate post-encoding memory reactivation in humans may be associated with memory formation, we conducted three EEG studies to explore its defining neural features that support the rapid transformation from experience to memory representation once the end of the event is conceived, a mechanism that we believe might contain the key to understand the human memory systems.

In Study 1, we first explored the specific post-encoding neural signature that promotes the rapid - ‘one-shot’ - learning of an unfolding episodic event. We

speculated that such a process could be achieved by reactivating the neural patterns elicited during initial encoding to stabilise the memory trace beyond the past learning experience. Using a sequential encoding paradigm, we identified the neural trace of memory reactivation of novel episodic picture sequences elicited particularly at the episode offset after the event sequences were completed. And importantly, the degree of the elicited neural reactivation was predictive of memory recollection of an encoded episode. Moreover, memory reactivation was only present at the offset of sequences that could be perceived as meaningful episodes.

We then took a further step to explore the representational nature of this episodic immediate offset-locked neural activity supporting the recollection of the just encoded experience. In Study 2, participants encoded trial-unique combinations of face-object- scene picture triplet sequences to be subsequently recalled in a test. We successfully replicated the elicitation of the post-encoding neural reactivation mechanism at the event offset period and its functional role in promoting the event episode memory formation. Then using a pattern classifier, we discovered that rapid offset-locked signals triggered reactivation of a detailed representation of the elements of a just- encoded experience to be bound as a cohesive episodic memory in the long term.

Finally, we explored whether and how the congruence of an upcoming element within an unfolding event would influence rapid memory reactivation and shape long- term memory. In Study 3, participants encoded episodic naturalistic sequences depicting everyday activities followed by a target object image. We found that the perceived incongruence triggered stronger neural reactivation of the preceding event sequences, though they were less accurate to be remembered. In two follow-up behavioural experiments, we further found that the increase in accuracy in recognition memory for the congruent object was also accompanied by a decreased detailed item representation but a stronger association between the object and the preceding context.

Our results from the three studies suggested that the post-encoding reactivation represents a crucial mechanism for promoting the rapid formation of unique and meaningful episodes; its elicitation triggers the reinstatement of a detailed representation of experience-specific episodic elements to be bound as a cohesive

memory trace; and it relies on a flexible mechanism sensitive to the top-down expectancy driven by context congruence.

Altogether, these findings shed light on the neural mechanisms that support the rapid learning of novel episodic events that unfold over time and advance the understanding of immediate post-encoding memory reactivation in humans that serves to transform experiences into long-term memory representations.

[spa] Descifrar los mecanismos de la memoria declarativa humana es uno de los principales objetivos de la neurociencia. Modelos teóricos como la Teoría de la Consolidación Estándar (Standard Consolidation Theory, Álvarez y Squire, 1994) y la Teoría de la Huella de Memoria Múltiple (Multiple Trace Theory, Nadel et al., 2000) han liderado el campo de investigación de la memoria durante las últimas dos décadas. Sin embargo, los avances recientes en la investigación sugieren que estos modelos teóricos clásicos parecen estar simplificando en exceso la naturaleza altamente dinámica de los sistemas de memoria. Especialmente al tratar de responder cómo se pueden formar los recuerdos a medida que se desarrolla la experiencia, así como por qué ciertos episodios pueden ser recordados durante un largo período después de una sola exposición, pero otros no.

En estudios de memoria recientes se ha detectado la existencia de una actividad post-estímulo en el hipocampo. Dicha actividad aparece inmediatamente tras la detección de un límite de evento jugando un papel predictivo en el rendimiento de la memoria posterior (Ben-Yakov y Dudai, 2011). Es comúnmente aceptado que la codificación de episodios cohesivos requiere la integración de información que probablemente involucre procesos offline. En roedores, estos procesos están apoyados principalmente por mecanismos que permiten la reproducción de la reactivación secuencial de las células de lugar del hipocampo, representando trayectorias previamente experimentadas. De acuerdo con la evidencia más reciente en estudios con humanos, esta actividad cerebral anclada en la ventana temporal que sigue al límite del evento podría reflejar una rápida reactivación de la memoria del episodio recién codificado. Este fenómeno se daría a cabo ya que dicha reactivación de la memoria muestra una gran similitud con la actividad neural provocada durante la fase de codificación del episodio anterior. (Sols et al. 2017; Silva et al., 2019).

Con el objetivo de avanzar el conocimiento de por qué, cuándo y cómo la reactivación de la memoria posterior a la codificación en humanos puede estar asociada con la formación de la memoria, llevamos a cabo tres estudios de EEG para

explorar sus características neurales definitorias que apoyan la rápida transformación de la experiencia a la representación de la memoria una vez concebido el final del evento, el mecanismo que creemos que podría contener la clave para comprender los sistemas de la memoria humana.

En el Estudio 1, primero exploramos la propiedad neural posterior a la codificación que promueve el aprendizaje rápido -"de una sola vez"- de un evento episódico en desarrollo. Especulamos que dicho proceso podría lograrse reactivando los patrones neurales provocados durante la codificación inicial para estabilizar la traza de la memoria más allá de la experiencia de aprendizaje. Usando un paradigma de codificación secuencial, identificamos el rastro neural de la reactivación de la memoria de nuevas secuencias de imágenes episódicas provocadas particularmente en la ventana de tiempo posterior a la finalización de las secuencias de eventos. Sin embargo, lo más importante fue que el grado de reactivación neural provocada predijo el posterior recuerdo de la memoria de un episodio codificado. Además, la reactivación de la memoria solo estuvo presente al final de aquellas secuencias que podrían percibirse como episodios con sentido.

Luego dimos un paso más para explorar la naturaleza representacional de esta actividad neural anclada al límite de evento que apoya el recuerdo de la experiencia recién codificada. En el Estudio 2, los participantes codificaron combinaciones únicas de secuencias de tríadas formadas por imágenes de rostros-objetos-escenas para recordarlas posteriormente en una prueba. Reproducimos con éxito la elicitación del mecanismo de reactivación neural posterior a la codificación seguido al límite del evento y su papel funcional en la promoción de la formación de la memoria del episodio. Luego, utilizando un clasificador de patrones, descubrimos que las señales rápidas ancladas al límite del evento desencadenaron la reactivación de una representación detallada de los elementos de una experiencia recién codificada para unirse como una memoria episódica cohesiva a largo plazo.

Finalmente, exploramos si y cómo la congruencia de un elemento próximo dentro de un evento en desarrollo influiría en la reactivación rápida de la memoria y formaría la memoria a largo plazo. En el Estudio 3, los participantes codificaron secuencias episódicas naturalísticas que representan actividades cotidianas, seguidas de una imagen de un objeto. Descubrimos que la incongruencia percibida desencadenó una

reactivación neural más fuerte de las secuencias de eventos anteriores, aunque la probabilidad de ser recordadas era menor. En dos experimentos conductuales de seguimiento, encontramos además que el aumento en la precisión en la memoria de reconocimiento para el objeto congruente también estuvo acompañado por una representación menos detallada del elemento, pero una asociación más fuerte entre el objeto y el contexto anterior.

Nuestros resultados de los tres estudios sugirieron que la reactivación posterior a la codificación representa un mecanismo crucial para promover la formación rápida de episodios únicos y con significado; su elicitación desencadena el restablecimiento de una representación detallada de elementos episódicos específicos de la experiencia para unirlos como una traza de memoria cohesivo; y se basa en un mecanismo flexible y sensible a la expectativa de control arriba-abajo (top-down control) impulsada por la congruencia del contexto.

En conjunto, estos hallazgos ayudan a esclarecer los mecanismos neurales que apoyan el aprendizaje rápido de nuevos eventos episódicos que se desarrollan con el tiempo y contribuyen al avance del conocimiento de la reactivación inmediata de la memoria posterior a la codificación en humanos que sirve para transformar experiencias en representaciones de memoria a largo plazo.