Potentiel de champ local

Les potentiels de champ locaux ( LFP ) sont des signaux électriques transitoires générés dans les nerfs et autres tissus par l'activité électrique additionnée et synchrone des cellules individuelles (par exemple les neurones) de ce tissu. Les LFP sont des signaux « extracellulaires », ce qui signifie qu'ils sont générés par des déséquilibres transitoires dans les concentrations d'ions dans les espaces extérieurs aux cellules, qui résultent de l'activité électrique cellulaire. Les LFP sont « locaux » car ils sont enregistrés par une électrode placée à proximité des cellules génératrices. En raison de la loi du carré inverse , ces électrodes ne peuvent « voir » que les potentiels dans un rayon spatialement limité. Ce sont des « potentiels » car ils sont générés par la tension qui résulte de la séparation de charge dans l'espace extracellulaire. Ils sont des « champs » car ces séparations de charge extracellulaires créent essentiellement un champ électrique local. Les LFP sont généralement enregistrés avec une microélectrode à haute impédance placée au milieu de la population de cellules qui le génère. Elles peuvent être enregistrées, par exemple, via une microélectrode placée dans le cerveau d'un sujet humain ou animal, ou dans une fine tranche de cerveau in vitro .

Lors des enregistrements du potentiel de champ local, un signal est enregistré à l'aide d'une microélectrode extracellulaire placée suffisamment loin des neurones locaux individuels pour empêcher une cellule particulière de dominer le signal électrophysiologique. Ce signal est ensuite filtré par un filtre passe-bas , coupé à environ 300 Hz , pour obtenir le potentiel de champ local (LFP) qui peut être enregistré électroniquement ou affiché sur un oscilloscope pour analyse. La faible impédance et le positionnement de l' électrode permettent à l'activité d'un grand nombre de neurones de contribuer au signal. Le signal non filtré reflète la somme des potentiels d'action des cellules situées à environ 50-350 μm de la pointe de l'électrode et des événements ioniques plus lents situés à 0,5-3 mm de la pointe de l'électrode. Le filtre passe-bas supprime la composante de pointe du signal et transmet le signal de fréquence inférieure , le LFP.

Le voltmètre ou convertisseur analogique-numérique auquel la microélectrode est connectée mesure la différence de potentiel électrique (mesurée en volts ) entre la microélectrode et une électrode de référence. Une extrémité de l'électrode de référence est également connectée au voltmètre tandis que l'autre extrémité est placée dans un milieu continu et de composition identique au milieu extracellulaire. Dans un fluide simple , sans composant biologique présent, il y aurait de légères fluctuations dans la différence de potentiel mesurée autour d'un point d'équilibre , ce que l'on appelle le bruit thermique . Cela est dû au mouvement aléatoire des ions dans le milieu et des électrons dans l'électrode. Cependant, lorsqu'il est placé dans le tissu nerveux , l'ouverture d'un canal ionique entraîne le flux net d'ions dans la cellule à partir du milieu extracellulaire, ou hors de la cellule vers le milieu extracellulaire. Ces courants locaux entraînent des changements plus importants du potentiel électrique entre le milieu extracellulaire local et l'intérieur de l'électrode d'enregistrement. Le signal global enregistré représente donc le potentiel causé par la somme de tous les courants locaux à la surface de l'électrode.

On pense que le potentiel de champ local représente la somme des entrées synaptiques dans la zone observée, par opposition aux pics , qui représentent la sortie de la zone. Les fluctuations rapides sont principalement causées par les courants courts entrants et sortants des potentiels d'action, tandis que le LFP est composé des courants plus soutenus dans le tissu qui sont générés par l'activité synaptique ( EPSC et IPSC ). Des modèles basés sur les données ont montré une relation prédictive entre les LFP et l'activité des pics. Une méthode courante pour étudier les oscillations LFP qui conduisent à des pics consiste à calculer les moyennes déclenchées par les pics (voir figure). Cela se fait après l'enregistrement (hors ligne) en détectant les pics comme des déflexions rapides vers le bas, en découpant les sections temporelles autour du pic (+/- 250 ms) et en faisant la moyenne des traces alignées sur les pics pour chaque site d'enregistrement. Alternativement, les pics peuvent être supprimés des traces d'enregistrement extracellulaires par filtrage passe-bas, révélant le LFP.

La configuration géométrique des cellules détermine les cellules qui contribuent aux variations lentes du champ. Dans certaines cellules, les dendrites sont orientées dans une direction et le soma dans une autre, comme dans les cellules pyramidales . On parle alors d'une disposition géométrique en champ ouvert. Lorsque les dendrites sont activées simultanément, un fort dipôle se produit. Dans les cellules où les dendrites sont disposées de manière plus radiale , la différence de potentiel entre les dendrites individuelles et le soma tend à s'annuler avec des dendrites diamétralement opposées. Cette configuration est appelée disposition géométrique en champ fermé. En conséquence, la différence de potentiel nette sur l'ensemble de la cellule lorsque les dendrites sont activées simultanément tend à être très faible. Ainsi, les changements dans le potentiel de champ local représentent des événements dendritiques simultanés dans les cellules en configuration de champ ouvert.

Une partie du filtrage passe-bas donnant lieu à des potentiels de champ locaux est due aux propriétés électriques complexes de l'espace extracellulaire. Le fait que l'espace extracellulaire ne soit pas homogène et soit composé d'un agrégat complexe de fluides hautement conducteurs et de membranes faiblement conductrices et capacitives peut exercer de fortes propriétés de filtrage passe-bas. La diffusion ionique , qui joue un rôle important dans les variations de potentiel membranaire, peut également agir comme un filtre passe-bas.