局部场电位

早在1875年就已经记录到了动物皮层表面的电信号，此发现比脑电图的发现要早50年［1］。以后的工作发现，所记录到的高于500 Hz高频率部分的电位，可以提供关于围绕电极周围的神经元锋电位活动的信息；而与此相对比，频率低于500 Hz的信号即所谓局部场电位（LFP），难以根据神经活动的活性来进行解释。早在20世纪50年代我们已经有了理论框架，即所谓电流源密度（current source density，CSD）分析方法。往后几十年，LFP又被重新使用，但是到了80、90年代，兴趣又下降了，可能由于当时关心单个神经元记录、膜片钳记录，而且当时对于单个神经元活动和知觉之间的关系也有了一些了解［8］。根据LFP资料，有作者探讨了功能性脑构筑的原理，认为可以把振荡看作突触功效随情景敏感而变化的特征，而这种突触功效是脑内协调动力学和信息通过的基础［9］。

细胞外电位是由邻近记录电极的细胞膜跨膜电流所产生的。对皮层LFP来说，突触输入是其主要贡献来源，其生物物理学来源是清楚的，可以用容积导电理论框架加以分析［8］。

根据此种框架的模拟研究，对由于突触输入电流（以及它的回返电流）而产生的LFP提供了重要的看法，包括LFP与神经元树突的形态学关系，以及突触所在位置的改变等。这些研究显示，对LFP正负极性、形状、幅度等的贡献，都强烈地依赖于记录电极的位置。例如，当兴奋性电流流到锥体神经元的顶树突分支时，从兴奋性突触记录下LFP，如果记录电极靠近突触则LFP是负的，如果记录电极靠近胞体则LFP是正的；而且回返电流是强的，因为胞体区的树突面积大。同样一个基树突突触，由于偶极子分布的翻转，胞体周围是负的，而顶树突部位有正电流（图7-2A，B）。正电流离开细胞外介质，正电荷进入神经元，这就是通常的电流的汇（sink）。进入细胞外介质的正电流则称为电流源（source）［8］。

图7-2　单个神经元突触激活后计算出来的局部场电位（彩图见图版此处）

Aa和Ab显示重组的猫视觉皮层第Ⅴ层的锥体神经元。顶树突上（Aa）单个兴奋性突触的激活用白色圆圈表示。单个神经元所产生的LFP关键性地依赖于神经元的形态以及记录电极的位置，在这里显示出来的是一个模拟研究的结果，表示顶树突（Aa）上或胞体（Ab）上单个突触的激活。Ac和Ad显示重组的猫视觉皮层第Ⅳ层的星状神经细胞，当电极放到远侧树突分支（Ac）、神经元胞体（Ad）时。Aa的小插图显示注射了突触电流后的细胞外电位（用粗实线表示），在选择性的空间位置上。在这里用一个点表示其开始点，用50 ms时间窗记录，灰轮廓线表明最大的细胞外LFP的幅度。轮廓描计是对数的，在每根轮廓线之间LFP的幅值按两倍衰减，实线轮廓线表明LFP是阳性正值，虚线轮廓线表明LFP的幅度是负值。（B）靠近突触部位（蓝）及靠近树突部位（红）记录下来的标准化LFP幅度。如前面所表示的那样，这演示内源性的树突过滤效应，反映一个实验的结果。在这里，靠近突触处记录下来的最大LFP的幅度，在时间上早于靠近胞体的最大LFP。（C）LFP信号的功率谱密度（PSD），显示在与B同样的位置，当白噪声（宽带）电流注射入顶树突突触时，如Aa所表示的那样。这表明在频率范围内直接的同一个效应，也即靠近胞体测得的LFP比之靠近突触的是更为低频率的。（图引自［8］）

LFP的产生是由于跨膜电流通过邻近电极的细胞膜，其生物物理学的来源在容积导体理论框架中被了解得很清楚。从理论上看，细胞外介质是被看成为三维的连续体，而细胞外电位是由跨膜电流造成的。在这个理论中所用的是单区隔模型，它并不产生细胞外电位；而研究LFP时必须考虑多区隔模拟，考虑到细胞外电位［8］。

过去十年见证了对皮层局部场电位（LFP）研究兴趣的重新发展。这种从细胞外记录的电位，频率可高达500 Hz。新的发展是出于两方面的原因。一是多电极记录使研究者可以同时在十个乃至几千个位点上记录LFP。另一个原因是认识到了LFP是一个新窗口，可以通过它来观察关键皮层群体的突触整合过程。然而，由于LFP的产生有无数潜在的神经来源，因而与锋电位比，对LFP的解释更困难些。为了对皮层回路中的信号加工有进一步了解，以及最终了解知觉与认知的神经基础，必须采用细致的计算模拟分析，充分利用LFP所提供信息的优点［8］。

近来对LFP的兴趣重新复活，主要的原因是，LFP占据了突触整合过程的关键，这不是通过观察少数几个神经元的锋电位所能够代替的。有些研究者应用LFP方法研究了参与感觉加工、运动设计以及包括注意、记忆、知觉等在内的皮层网络机制。LFP还是引导神经假肢设计的一个有用方法，也可用来记录人体神经活性，因为LFP更容易稳定地在慢性条件下加以记录，比锋电位的记录要容易些［8］。

不过应用LFP信号也有重要的缺陷。因为有多个神经元的活动参与了LFP，所以与锋电位相比，LFP信号本身就是模棱两可、难以解释的。想强调的是，通过开发计算方法加以分析和模拟，这种模棱两可至少部分地是可以解决的。缘于此，发展数学工具成了在系统水平上计算神经科学的核心优先课题［8］。

为达到此目的，关键是先要对LFP的“测量物理学”有好的了解，也即了解神经活动与测量信号之间的关系。过去10年看到了很好的、有基础的生物物理学设计方案，叫作向前模拟方案（forward-modelling scheme）。此方案基于容积导体理论，融入细致的神经元形态结构以及精确的细胞外电位计算，包括锋电位及LFP在内。这里所谓“向前”，是指细胞外电位是根据神经膜电流来模拟的；相反，如果是根据记录电位来估计神经的电流，那就叫作逆向模拟。应用这个工具可以进行系统性研究，可以得到记录下来的LFP与不同形式的神经活性之间的关系，也能够开发和验证为采用LFP方法所需的分析［8］。

突触输入以及相应的返回（returning）电流是主宰皮层LFP的主要成分。当LFP频率达到100 Hz时，锋电位也有贡献于LFP信号，即使快速钠锋电位也可能有贡献于细胞外电位。比较慢的电现象，例如钙锋电位以及锋电位后的后超极化，也可以进一步有贡献于低频率的LFP成分，因为只要是跨膜电流，必定会产生一个细胞外电位。这样看来，胶质细胞也可有贡献于LFP，但是它们的贡献一般是在非常低频率的时候，例如在低于0.1 Hz的时候。当然，生物物理学模拟对于确定这些成分各自的贡献，对于观察不同频率波段的皮层LFP，都是必要的［8］。

最后，关于用粗电极记录皮层LFP的研究方法学讨论，主要说明粗电极记录LFP比之记录单位放电有其优越性，但也有很多假设性的推论，需要在理论推测的帮助之下才能够应用［8］。

局部场电位研究提醒人们，对脑内电信号存在着广泛不同的看法［10］。对于局部场电位（LFP）特别是对其慢成分的看法，值得注意之处如下。

①慢电位不是多余的东西，也不是可以从锋电位材料预计的。

②LFP的来源很广泛，不仅包括经典的锋电位和突触后电位。LFP是许多细胞间电流之向量总和。

③LFP活性的动态结构的信息含量丰富，它代表了它所实现的细胞过程和细胞间过程，脑的状态、定位、合作活动的形式，以及发育和进化的阶段。由此给出了一系列提示，有助于为新研究提供深刻洞识。

④很有可能在某个时候和某些地方，LFP既是因也是果。LFP的某些作用可能相当强，对细胞发挥影响，改变放电频率，或者把这些细胞拉入同步化中，因此这种LFP是信息编码的一部分；而另一些LFP无疑太微弱，不可能被看成因，而仅仅是果，但仍然是揭示脑活动的有价值的符号［10］。