The Hippocampus code : a computational study of the structure and function of the hippocampus

Abstract

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.