stringtranslate.com

Потенциал локального поля

Локальные полевые потенциалы ( ЛП ) — это переходные электрические сигналы, генерируемые в нервах и других тканях суммарной и синхронной электрической активностью отдельных клеток (например, нейронов) в этой ткани. ЛП — это «внеклеточные» сигналы, то есть они генерируются временными дисбалансами концентраций ионов в пространствах за пределами клеток, которые возникают в результате клеточной электрической активности. ЛП являются «локальными», поскольку регистрируются электродом, размещенным рядом с генерирующими клетками. В результате закона обратных квадратов такие электроды могут «видеть» потенциалы только в пространственно ограниченном радиусе. Они являются «потенциалами», поскольку генерируются напряжением, возникающим в результате разделения зарядов во внеклеточном пространстве. Они являются «полевыми», поскольку эти внеклеточные разделения зарядов по сути создают локальное электрическое поле. ЛП обычно регистрируются с помощью высокоомного микроэлектрода, размещенного в середине популяции клеток, генерирующих его. Их можно регистрировать, например, с помощью микроэлектрода, помещенного в мозг человека [1] или животного, или в тонкий срез мозга in vitro .

Фон

Во время регистрации локального полевого потенциала сигнал регистрируется с помощью внеклеточного микроэлектрода, размещенного достаточно далеко от отдельных локальных нейронов , чтобы предотвратить доминирование какой-либо конкретной клетки над электрофизиологическим сигналом. Затем этот сигнал фильтруется низкими частотами , обрезается на частоте ~300 Гц , чтобы получить локальный полевой потенциал (LFP), который можно записать в электронном виде или отобразить на осциллографе для анализа. Низкий импеданс и позиционирование электрода позволяют активности большого количества нейронов вносить вклад в сигнал. Неотфильтрованный сигнал отражает сумму потенциалов действия от клеток в пределах приблизительно 50-350 мкм от кончика электрода [2] [3] и более медленных ионных событий в пределах 0,5-3 мм от кончика электрода. [4] Фильтр низких частот удаляет спайковый компонент сигнала и пропускает сигнал более низкой частоты , LFP.

Вольтметр или аналого-цифровой преобразователь, к которому подключен микроэлектрод, измеряет разность электрических потенциалов (измеряемую в вольтах ) между микроэлектродом и контрольным электродом. Один конец контрольного электрода также подключен к вольтметру, а другой конец помещен в среду, которая является непрерывной и по составу идентичной внеклеточной среде. В простой жидкости , без присутствия биологического компонента , будут небольшие колебания измеренной разности потенциалов вокруг точки равновесия , это известно как тепловой шум . Это происходит из-за случайного движения ионов в среде и электронов в электроде. Однако при помещении в нервную ткань открытие ионного канала приводит к чистому потоку ионов в клетку из внеклеточной среды или из клетки во внеклеточную среду. Эти локальные токи приводят к большим изменениям электрического потенциала между локальной внеклеточной средой и внутренней частью регистрирующего электрода. Таким образом, общий записанный сигнал представляет собой потенциал, вызванный суммой всех локальных токов на поверхности электрода.

Синхронизированный ввод

Средние значения, вызванные всплеском
Средние значения LFP, вызванные скачком, из 4 мест записи. Скачком является резкое отклонение вниз при t = 0. Скачку предшествуют медленные колебания (альфа), скачком является впадина LFP. [5]

Локальный потенциал поля, как полагают, представляет собой сумму синаптических входов в наблюдаемую область, в отличие от спайков , которые представляют собой выход из области. Быстрые колебания в основном вызваны короткими входящими и исходящими токами потенциалов действия, в то время как LFP состоит из более устойчивых токов в ткани, которые генерируются синаптической активностью ( EPSC и IPSC ). [6] Модели, основанные на данных, показали предсказательную связь между LFP и активностью спайков. [7] Распространенным методом исследования колебаний LFP, которые приводят к спайкам, является расчет средних значений, вызванных спайками (см. рисунок). Это делается после записи (офлайн) путем обнаружения спайков как быстрых отклонений вниз, вырезания временных участков вокруг спайка (+/- 250 мс) и усреднения выровненных по спайкам следов для каждого места записи. [5] В качестве альтернативы, пики могут быть удалены из внеклеточных регистрационных следов с помощью фильтрации нижних частот, выявляя LFP.

Геометрическое расположение

Какие клетки вносят вклад в медленные изменения поля, определяется геометрической конфигурацией самих клеток. В некоторых клетках дендриты обращены в одном направлении, а сома — в другом, например, в пирамидальных клетках . Это известно как геометрическое расположение открытого поля. При одновременной активации дендритов образуется сильный диполь . В клетках, где дендриты расположены более радиально , разность потенциалов между отдельными дендритами и сомой имеет тенденцию к нейтрализации с диаметрально противоположными дендритами, такая конфигурация называется геометрическим расположением закрытого поля. В результате чистая разность потенциалов по всей клетке, когда дендриты одновременно активируются, имеет тенденцию быть очень небольшой. Таким образом, изменения в локальном потенциале поля представляют собой одновременные дендритные события в клетках в конфигурации открытого поля.

Низкочастотная фильтрация внеклеточного пространства

Часть низкочастотной фильтрации, приводящей к локальным полевым потенциалам, обусловлена ​​сложными электрическими свойствами внеклеточного пространства. [8] Тот факт, что внеклеточное пространство не является однородным и состоит из сложного агрегата высокопроводящих жидкостей и низкопроводящих и емкостных мембран , может оказывать сильное низкочастотное фильтрующее действие. Ионная диффузия , которая играет важную роль в изменениях мембранного потенциала, также может действовать как низкочастотный фильтр.

Ссылки

  1. ^ Peyrache A, Dehghani N, Eskandar EN, Madsen JR, Anderson WS, Donoghue JA и др. (январь 2012 г.). «Пространственно-временная динамика возбуждения и торможения неокортекса во время сна человека». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 109 (5): 1731–1736. Bibcode : 2012PNAS..109.1731P. doi : 10.1073/pnas.1109895109 . PMC  3277175. PMID  22307639 .
  2. ^ Легатт AD, Ареццо J, Воган HG (апрель 1980 г.). «Усредненная многоединичная активность как оценка фазовых изменений локальной нейронной активности: эффекты объемно-проводимых потенциалов». Журнал методов нейронауки . 2 (2): 203–217. doi :10.1016/0165-0270(80)90061-8. PMID  6771471. S2CID  32510261.
  3. ^ Gray CM, Maldonado PE, Wilson M, McNaughton B (декабрь 1995 г.). «Тетроды заметно улучшают надежность и выход множественной одиночной изоляции из многоблочных записей в полосатой коре головного мозга кошки». Journal of Neuroscience Methods . 63 (1–2): 43–54. doi :10.1016/0165-0270(95)00085-2. PMID  8788047. S2CID  3817420.
  4. ^ Juergens E, Guettler A, Eckhorn R (ноябрь 1999 г.). «Визуальная стимуляция вызывает заблокированные и индуцированные гамма-колебания в интракортикальных и ЭЭГ-потенциалах обезьян, но не в ЭЭГ человека». Experimental Brain Research . 129 (2): 247–259. doi :10.1007/s002210050895. PMID  10591899. S2CID  25265991.
  5. ^ ab Oostenveld R, Fries P, Maris E, Schoffelen JM (2011). "FieldTrip: программное обеспечение с открытым исходным кодом для расширенного анализа данных МЭГ, ЭЭГ и инвазивных электрофизиологических данных". Computational Intelligence and Neuroscience . 2011 : 156869. doi : 10.1155/2011/156869 . PMC 3021840. PMID  21253357 . 
  6. ^ Камонди А, Ашади Л, Ванг XJ, Бужаки Г (1998). «Тета-осцилляции в соматических и дендритных клетках пирамид гиппокампа in vivo: зависимая от активности фазовая прецессия потенциалов действия». Hippocampus . 8 (3): 244–261. doi : 10.1002/(SICI)1098-1063(1998)8:3<244::AID-HIPO7>3.0.CO;2-J . PMID  9662139. S2CID  10021185.
  7. ^ Michmizos KP, Sakas D, Nikita KS (март 2012). «Прогнозирование времени и ритма нейронных спайков субталамического ядра паркинсонизма с использованием локальных полевых потенциалов». Труды IEEE по информационным технологиям в биомедицине . 16 (2): 190–197. doi :10.1109/TITB.2011.2158549. PMID  21642043. S2CID  11537329.
  8. ^ Bédard C, Kröger H, Destexhe A (март 2004 г.). «Моделирование потенциалов внеклеточного поля и частотно-фильтрующих свойств внеклеточного пространства». Biophysical Journal . 86 (3): 1829–1842. arXiv : physics/0303057 . Bibcode :2004BpJ....86.1829B. doi :10.1016/S0006-3495(04)74250-2. PMC 1304017 . PMID  14990509. 

Внешние ссылки