Local field potential, LFP

11-2-2014 updated

  1. 概要: LFP とは
  2. 細胞内記録
  3. 細胞外記録

関連項目



概要: LFPとは


Local field potential (LFP) とは，以下のような方法で電気的に記録したニューロン neuron の活動である（1）。一定の範囲に含まれる神経の平均的な活動，とくにシナプスの活性を示す指標であると考えられている。

 

  • It is generally believed that the amplitude of LFP and EEG signals represents spatially averaged synaptic activity (4).


細胞内記録と細胞外記録


ニューロンの電気的活動の測定法として，細胞内記録 intracellular recording および細胞外記録 extracellular recording がある（5）。


細胞内記録は，細いガラス電極を細胞に差し込んで細胞内電位を測るもので，以下のような特徴がある（1）。

  • 主に in vitro。脳 brain のスライスに対して顕微鏡下で実験を行う。
  • ニューロンの活動電位だけでなく，閾値以下のシナプス入力や膜電位の変化を観察できる。
  • ニューロンの自然に近い振る舞いを記録しようとする current clamp, イオンチャネルやシナプスといったニューロンの構成要素の特性を調べる voltage clamp の2通りがある。

 

ほとんどのニューロンは小さいためにこの方法を行うことは困難で，活動電位の初期の研究は哺乳類より50-100倍大きな無脊椎動物のニューロンで行われていたという理由がよくわかる（5）。

 

細胞外記録は，脳組織に金属の電極を差し込む。特徴は

  • 主に in vivo。
  • 細い電極を細胞体の近くにもっていくと，単一のニューロンの活動電位を記録できる。これを single unit 記録という。
  • 太い電極を使うと，近傍の多数のニューロンの活動を平均して記録できる（下図の左に模式図）。これが local field potential (LFP) と呼ばれる。
  • LFP の単位は V (mV, µV) である。通常は，下の図にみられるように振動 oscillation し，この振動自体が生物学的に重要な意味をもっている。

 

 

図は文献3から転載。なお，電極を刺さずに頭皮の上などから電極で検出された電気的活動が脳波 EEG である。

 

細胞外記録では，電極とニューロンの位置関係により LFP の振幅や波形が変化する。LFP からスパイク応答を検出する方法は spike sorting と呼ばれ，数理上の興味深い問題である（1）。

 

細胞外記録 Extracellular recording


ニューロンは体組織の中に埋まっており，その体組織は 3 次元的な広がりをもつ伝導体（体積伝導体，volume conductor）である。


> 体組織は，一般に生理食塩水よりも電気を通しにくい（6）。

: インピーダンス impedance は 200 - 400 Ω/cm であり，生理食塩水の ～ 65Ω/cm よりも低い。

: インピーダンスは，交流における抵抗のような概念である。

: これは，イオンが動けるスペースが生理食塩水中よりも限られているためと考えられる。 



> 麻酔されたラットの mPFC では，約 1 Hz の遅い LFP の振動が観察される（2R）。

References

  1. 銅谷 2005a (Review). ニューロンのデータ解析. 数理科学 507, 1-8.
  2. Goto & Grace 2006a. Alterations in medial prefrontal cortical activity and plasticity in rats with disruption of cortical development. Biol Psychiatry 60, 1259-1267.
  3. Lempka & McIntyre 2013a. Theoretical analysis of the local field potential in deep brain stimulation applications. PLoS One 8, e59839.
  4. Dahne et al. 2014a. Finding brain oscillations with power dependencies in neuroimaging data. NeuroImage 96, 334-348.
  5. ベアーほか 2007a (Book). 神経科学 脳の探求. 西村書店.
  6. Logothetis 2003a (Review). The underpinnings of the BOLD functional magnetic resonance imaging signal. J Neurosci 23, 3963-3971.