#局部场电位专题#
本文介绍了局部场电位(Local Field Potential,LFP)的概念、特点、采集分析方法和应用场景等，适合初次接触在体电生理的研究人员。译自：Harris Bozer AL,et al. Extrapolating meaning from local field potential recordings. J Integr Neurosci. 2017; （原文下载请添加文末微信）。
翻译：郤（xi）冠楠 全澜科技 产品应用工程师
（1）电极尺寸、形状和阻抗
电极的大小和几何形状对局部场电位（LFP）记录的结果影响不大。但通过调节电极阻抗可以记录单细胞的spike信号以及宽带的LFP信号。最初，低阻抗电极被用于记录LFP，但较新的研究通常使用高阻抗电极，因为它们能够同时获取单细胞的spike信号。
（2）电极的植入位点和数目
电极位点的数量与能记录到的细胞电活动量相关。使用 multi-faceted tetrodes 电极或多个单位点电极可以分离单个神经元的活动。当使用多位点记录时，三角测量公式可以分析出每个神经元的贡献。当使用只有一个位点的电极时，则无法了解每个细胞对场单位的贡献。
此外，使用tetrodes电极时，除了可以比较来自不同空间位置的信号，还可以测量更广泛的空间范围的场电位活动。大脑表面和运动皮层深处的局部场电位活动存在差异（图5）。由于一些目标脑区可能跨越多个层，因此同一个实验中，每个实验样本的电极放置位置应保持一致。当我们想得出某个活动需要多层脑组织参与的结论时，多位点的电极采集到的数据是必要的。
图5. 在麻醉状态下，同时记录了猫运动皮层表层和深层的局部场电位（LFP），以及来自第5层椎体神经元的spike活动。The origin of extracellular fields and currents – EEG, ECoG, LFP and spikes. Nature Review. Neuroscience 13, 407–420.doi:10.1038/nrn3241.
（3）电极材料
构建电极的材料可以分为“微丝”或“硅基”两类。微丝电极由各种材料构成，包括钨、氧化铱、不锈钢、铂（或铂铱合金）和氮化钛。近年来，硅电极逐渐受到青睐。硅基电极更容易控制电极尺寸和多位点记录时的植入质量。硅基电极的阻抗较高。典型的硅电极包括“Utah Electrode Array”（由一个硅块和立体的电极阵列组成），以及“Michigan electrode array”(刀片状，可以以多层阵列的形式使用）
图6. “Utah Electrode Array” 和 “Michigan electrode array” 电极。Normann RA. Technology insight: future neuroprosthetic therapies for disorders of the nervous system. Nat Clin Pract Neurol. 2007 Aug;3(8):444-52. doi: 10.1038/ncpneuro0556.- 感染：LFP的长时间记录通常需要和与电极相连的外部硬件，这些外部硬件可能会带来感染的风险。因此，需要注意保持硬件的清洁或消毒。
- 组织损伤：常见的损伤来自钻孔，可能由直接机械损伤还是钻孔引起的热量引起。因此，在钻孔时应注意不要穿透头骨或钻孔时间过长。
- 炎症反应：在组织中进行电极的慢性植入后，可能会出现代偿反应，包括增加了该区域的胶质细胞活动、电极附近的细胞外液滞留以及随时间的推移而产生的包裹/瘢痕形成。这些补偿反应可能会导致电极失效。在长期记录过程中，组织对电极的炎症反应会加速这一过程。
- 电极弯曲或扭曲：植入过程中可能会发生电极弯曲或扭曲，从而导致信号记录的问题。实验结束后，必须通过组织学技术验证放置位置，包括组织提取、固定、切片和各种染色技术。
（1）噪声及其处理：记录LFP的过程容易受到一些外部噪声的干扰。降低噪声的方法有：除了外部干扰，由非研究相关的脑区发出的神经电生理信号也被认为是一类噪音。图7. 采集系统在颅骨上接地。Roy S, Wang X. Wireless multi-channel single unit recording in freely moving and vocalizing primates. J Neurosci Methods. 2012 Jan 15;203(1):28-40. doi: 10.1016/j.jneumeth.2011.09.004. Epub 2011 Sep 12.（2）原始LFP数据：原始的LFP数据会在滤波后被呈现为波形图，然后通过频谱来评估LFP的特征。图8. 经过Carrageenan处理的大鼠前扣带回皮层的原始局部场电位 (LFP) 波形图（左）和功率谱密度图（右）。Inflammatory pain by carrageenan recruits low-frequencylocal field potential changes in the anterior cingulate cortex. Neurosci. Lett. 632, 8–14. doi:10.1016/j.neulet.2016.08.016.（3）源分离：独立成分分析 (ICA)是最常用来对LFP进行源分离的算法，其目的在于鉴别不同细胞群对LFP的贡献。该方法基于的理论是：在空间上稀疏分布但活动同步的神经元会成为LFP的主要贡献来源，而不同步活动的细胞则成为噪声。由于组织的阻抗，后者会被滤除，而前者会被保留。其他用于分析LFP成分的方法包括主成分分析 (PCA) 和层状结构分析 (LPA)。（4）电流源密度分析：电流源密度分析（CSD）的目的是定位产生细胞外局部场电位（LFP）的源头。LFP（局部场电位）记录捕捉到电流来源或电流汇聚点，分别反映着进入细胞的负电流或正电流。电流汇聚点由负CSD表示，并且在兴奋性突触活动中观察到。电流源由正CSD表示。总的来说，CSD允许通过LFP信号对电流的来源和信号进行估计。Shyu和Vogt从前扣带皮层的LFP中计算出CSD密度分布情况（图3E）。（5）频率分析：LFP涵盖了较宽频段的低频信号，范围常小于100-300 Hz。分析LFP的传统方法是功率谱密度，或计算特定频率带内的功率。LFP中的大部分功率通常分布在最低频率带（0~13Hz）。Multitaper 方法常用于对每个分层频带进行功率谱分析。分析LFP的方法还包括各种参数化或非参数化算法，例如Kalman平滑器、希尔伯特变换和短时傅里叶变换，自回归等。频率带以希腊字母命名，遵循汉斯·伯格的传统。每个频率带的分类是由专家根据他们对频率带的主要区别特征的共识建立的：所有频率带始终存在，但根据意识状态，其中一种频率可能比其他频率更明显。通常，显著的振荡会随着唤醒水平的增加而从低频移至高频。例如，delta波主要与深度睡眠（第4阶段睡眠）相关。一些脑损伤和氯胺酮诱导的麻醉也可能产生delta波。alpha振荡通常出现在后部和枕叶皮层，可以通过闭眼和放松诱发，并且被睁眼所消除。在唤醒水平增加的状态下，beta和gamma频带变得更加明显。某些频率带还与认知过程相关。例如，theta振荡对学习和记忆至关重要，而alpha波则与记忆以及注意力有关。beta频带振荡与感觉运动功能相关，并被认为反映感觉运动系统趋向于维持现状并对信息进行自上而下加工（top-down processing）。图9. 每个频率带（Delta 0-4 Hz，Theta 4-8 Hz，Alpha 8-13 Hz，Beta 13-30 Hz，Gamma 30-100 Hz）在不同时间点（基线记录30分钟，盐水注射后30分钟，可卡因注射后0-30分钟，以及可卡因注射后30-60分钟）的功率谱分析。*表示与基线有显著差异（p < 0.05）。+表示与盐水有显著差异（p < 0.05）。Hz表示赫兹。Local field potentials in the ventral tegmentalarea during cocaine-induced locomotor activation: Measurements in freely moving rats. Brain Research Bulletin 121, 186–191. http://doi.org/10.1016/j.brainresbull.2016.02.003.不同频带振荡是多种脑功能的副产物，它们反映了来自不同细胞活动的跨膜电流的贡献。例如，胶质细胞的膜电位变化对慢频振荡的产生有所贡献，而高频功率主要反映了动作电位活动。高频和低频带与其他生理指标信号的相关性有所不同，比如fMRI BOLD信号。BOLD波动与高γ功率（60-80 Hz）呈正相关，而与α和β功率呈负相关。由于各个频段具有不同的机制和功能，进行LFP分析时需要将不同频段分开。举例来说，在记忆表现研究中，α频带功率与语义记忆表现呈负相关，而θ频带则与表现呈正相关。若将这些频段合并进行分析，则可能无法发现这些频段之间能量呈相反变化的效应。总的来说，对LFP的不同频段进行独立分析有助于理解各种细胞外活动。频带分析已经在多项研究中得到广泛运用，尤其是当记录大脑不同区域的活动与特定行为或对外部刺激的反应时。比如，有些研究同时记录了可卡因诱导的运动活动和腹侧被盖区（VTA）的局部场电位（LFP）。这些研究发现，在进行运动行为时，VTA的活动主要呈现在δ和θ波段。此外，不同脑区的特定频带变化与外周有害刺激存在关联，比如角叉菜胶诱导的炎性疼痛会增加前扣带回的0-30 Hz振荡（图9）。通过记录多个脑区的局部场电位，我们能够更深入地了解单个脑区内部以及不同脑区之间的功能连接。比如，前额叶皮质和后顶叶皮质之间的功能连接主要通过θ波段的同步来调节。病理状态可能会改变某些脑区之间的功能连接，例如在帕金森病模型中，初级运动皮质和脚桥核之间的连接在β波段增加，而在α波段减少。这种方法已经在医学领域得到了应用，比如用于开发神经接口以控制假肢，以及在进行深部脑刺激或皮质手术之前记录局部场电位活动，以确定问题区域的范围。基础科学实验中，局部场电位记录扮演着重要角色，而临床研究也从中获取宝贵数据。LFP记录被用于发现神经系统疾病的病理变化，并可能揭示相应的生理标记。在假肢神经接口的发展中，LFP发挥作用，同时也有助于理解病理情况下的神经活动变化，并评估进行性神经系统疾病的损伤程度。帕金森病（PD）患者接受植入深部脑刺激器（DBS）的神经外科手术，可以直接记录基底神经节（BG）的活动。PD患者在纹状体记录中显示异常的8-30 Hz频段的同步活动，与健康动物相比存在明显差异。PD患者的数据表明，左旋多巴等药物治疗与亚临床核（STN）的LFP变化有关。在接受左旋多巴治疗的患者中，STN的LFP功率谱峰值约为70 Hz，而停药24小时的患者的STN LFP功率谱峰值约为13 Hz。此外，未经治疗的PD患者在8-30 Hz范围内的振荡频率增加，可能导致动作迟缓，这种效应可通过靶向多巴胺的药物以及自主运动和相关刺激来抑制。BG记录还可以区分靶向多巴胺的药物与抗胆碱药物的效应，后者可以减轻震颤。临床LFP记录的改善有助于阐明PD的行为效应与不同治疗方法的神经生理效应之间的关系。来自癫痫患者和通过给大鼠注射海马内卡因酸（KA）诱导癫痫的实验大鼠的海马（CA1）和内嗅皮层的记录显示，200-500 Hz范围内出现了高频间歇性振荡，而这在健康对照组大鼠中没有观察到。这些所谓的“快速涟漪”仅在KA损伤区域附近存在。实验大鼠KA诱导癫痫期间的海马LFP记录用于建立fMRI数据模型，以确定癫痫期间血氧水平依赖（BOLD）信号的变化，并追踪癫痫从海马向皮质区域和杏仁核的扩散。参考文献
- The information content of Local Field Potentials: experiments and models
- Extrapolating meaning from local field potential recordings
- Large-scale recording of neuronal ensembles
- Spectral fingerprints of large-scale neuronal interactions
