早在1875年就已經(jīng)記錄到了動物皮層表面的電信號，此發(fā)現(xiàn)比腦電圖的發(fā)現(xiàn)要早50年［1］。以后的工作發(fā)現(xiàn)，所記錄到的高于500 Hz高頻率部分的電位，可以提供關(guān)于圍繞電極周圍的神經(jīng)元鋒電位活動的信息；而與此相對比，頻率低于500 Hz的信號即所謂局部場電位（LFP），難以根據(jù)神經(jīng)活動的活性來進(jìn)行解釋。早在20世紀(jì)50年代我們已經(jīng)有了理論框架，即所謂電流源密度（current source density，CSD）分析方法。往后幾十年，LFP又被重新使用，但是到了80、90年代，興趣又下降了，可能由于當(dāng)時(shí)關(guān)心單個(gè)神經(jīng)元記錄、膜片鉗記錄，而且當(dāng)時(shí)對于單個(gè)神經(jīng)元活動和知覺之間的關(guān)系也有了一些了解［8］。根據(jù)LFP資料，有作者探討了功能性腦構(gòu)筑的原理，認(rèn)為可以把振蕩看作突觸功效隨情景敏感而變化的特征，而這種突觸功效是腦內(nèi)協(xié)調(diào)動力學(xué)和信息通過的基礎(chǔ)［9］。

細(xì)胞外電位是由鄰近記錄電極的細(xì)胞膜跨膜電流所產(chǎn)生的。對皮層LFP來說，突觸輸入是其主要貢獻(xiàn)來源，其生物物理學(xué)來源是清楚的，可以用容積導(dǎo)電理論框架加以分析［8］。

根據(jù)此種框架的模擬研究，對由于突觸輸入電流（以及它的回返電流）而產(chǎn)生的LFP提供了重要的看法，包括LFP與神經(jīng)元樹突的形態(tài)學(xué)關(guān)系，以及突觸所在位置的改變等。這些研究顯示，對LFP正負(fù)極性、形狀、幅度等的貢獻(xiàn)，都強(qiáng)烈地依賴于記錄電極的位置。例如，當(dāng)興奮性電流流到錐體神經(jīng)元的頂樹突分支時(shí)，從興奮性突觸記錄下LFP，如果記錄電極靠近突觸則LFP是負(fù)的，如果記錄電極靠近胞體則LFP是正的；而且回返電流是強(qiáng)的，因?yàn)榘w區(qū)的樹突面積大。同樣一個(gè)基樹突突觸，由于偶極子分布的翻轉(zhuǎn)，胞體周圍是負(fù)的，而頂樹突部位有正電流（圖7-2A，B）。正電流離開細(xì)胞外介質(zhì)，正電荷進(jìn)入神經(jīng)元，這就是通常的電流的匯（sink）。進(jìn)入細(xì)胞外介質(zhì)的正電流則稱為電流源（source）［8］。

圖7-2　單個(gè)神經(jīng)元突觸激活后計(jì)算出來的局部場電位（彩圖見圖版此處）

Aa和Ab顯示重組的貓視覺皮層第Ⅴ層的錐體神經(jīng)元。頂樹突上（Aa）單個(gè)興奮性突觸的激活用白色圓圈表示。單個(gè)神經(jīng)元所產(chǎn)生的LFP關(guān)鍵性地依賴于神經(jīng)元的形態(tài)以及記錄電極的位置，在這里顯示出來的是一個(gè)模擬研究的結(jié)果，表示頂樹突（Aa）上或胞體（Ab）上單個(gè)突觸的激活。Ac和Ad顯示重組的貓視覺皮層第Ⅳ層的星狀神經(jīng)細(xì)胞，當(dāng)電極放到遠(yuǎn)側(cè)樹突分支（Ac）、神經(jīng)元胞體（Ad）時(shí)。Aa的小插圖顯示注射了突觸電流后的細(xì)胞外電位（用粗實(shí)線表示），在選擇性的空間位置上。在這里用一個(gè)點(diǎn)表示其開始點(diǎn)，用50 ms時(shí)間窗記錄，灰輪廓線表明最大的細(xì)胞外LFP的幅度。輪廓描計(jì)是對數(shù)的，在每根輪廓線之間LFP的幅值按兩倍衰減，實(shí)線輪廓線表明LFP是陽性正值，虛線輪廓線表明LFP的幅度是負(fù)值。（B）靠近突觸部位（藍(lán)）及靠近樹突部位（紅）記錄下來的標(biāo)準(zhǔn)化LFP幅度。如前面所表示的那樣，這演示內(nèi)源性的樹突過濾效應(yīng)，反映一個(gè)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。在這里，靠近突觸處記錄下來的最大LFP的幅度，在時(shí)間上早于靠近胞體的最大LFP。（C）LFP信號的功率譜密度（PSD），顯示在與B同樣的位置，當(dāng)白噪聲（寬帶）電流注射入頂樹突突觸時(shí)，如Aa所表示的那樣。這表明在頻率范圍內(nèi)直接的同一個(gè)效應(yīng)，也即靠近胞體測得的LFP比之靠近突觸的是更為低頻率的。（圖引自［8］）

LFP的產(chǎn)生是由于跨膜電流通過鄰近電極的細(xì)胞膜，其生物物理學(xué)的來源在容積導(dǎo)體理論框架中被了解得很清楚。從理論上看，細(xì)胞外介質(zhì)是被看成為三維的連續(xù)體，而細(xì)胞外電位是由跨膜電流造成的。在這個(gè)理論中所用的是單區(qū)隔模型，它并不產(chǎn)生細(xì)胞外電位；而研究LFP時(shí)必須考慮多區(qū)隔模擬，考慮到細(xì)胞外電位［8］。

過去十年見證了對皮層局部場電位（LFP）研究興趣的重新發(fā)展。這種從細(xì)胞外記錄的電位，頻率可高達(dá)500 Hz。新的發(fā)展是出于兩方面的原因。一是多電極記錄使研究者可以同時(shí)在十個(gè)乃至幾千個(gè)位點(diǎn)上記錄LFP。另一個(gè)原因是認(rèn)識到了LFP是一個(gè)新窗口，可以通過它來觀察關(guān)鍵皮層群體的突觸整合過程。然而，由于LFP的產(chǎn)生有無數(shù)潛在的神經(jīng)來源，因而與鋒電位比，對LFP的解釋更困難些。為了對皮層回路中的信號加工有進(jìn)一步了解，以及最終了解知覺與認(rèn)知的神經(jīng)基礎(chǔ)，必須采用細(xì)致的計(jì)算模擬分析，充分利用LFP所提供信息的優(yōu)點(diǎn)［8］。

近來對LFP的興趣重新復(fù)活，主要的原因是，LFP占據(jù)了突觸整合過程的關(guān)鍵，這不是通過觀察少數(shù)幾個(gè)神經(jīng)元的鋒電位所能夠代替的。有些研究者應(yīng)用LFP方法研究了參與感覺加工、運(yùn)動設(shè)計(jì)以及包括注意、記憶、知覺等在內(nèi)的皮層網(wǎng)絡(luò)機(jī)制。LFP還是引導(dǎo)神經(jīng)假肢設(shè)計(jì)的一個(gè)有用方法，也可用來記錄人體神經(jīng)活性，因?yàn)長FP更容易穩(wěn)定地在慢性條件下加以記錄，比鋒電位的記錄要容易些［8］。

不過應(yīng)用LFP信號也有重要的缺陷。因?yàn)橛卸鄠€(gè)神經(jīng)元的活動參與了LFP，所以與鋒電位相比，LFP信號本身就是模棱兩可、難以解釋的。想強(qiáng)調(diào)的是，通過開發(fā)計(jì)算方法加以分析和模擬，這種模棱兩可至少部分地是可以解決的。緣于此，發(fā)展數(shù)學(xué)工具成了在系統(tǒng)水平上計(jì)算神經(jīng)科學(xué)的核心優(yōu)先課題［8］。

為達(dá)到此目的，關(guān)鍵是先要對LFP的“測量物理學(xué)”有好的了解，也即了解神經(jīng)活動與測量信號之間的關(guān)系。過去10年看到了很好的、有基礎(chǔ)的生物物理學(xué)設(shè)計(jì)方案，叫作向前模擬方案（forward-modelling scheme）。此方案基于容積導(dǎo)體理論，融入細(xì)致的神經(jīng)元形態(tài)結(jié)構(gòu)以及精確的細(xì)胞外電位計(jì)算，包括鋒電位及LFP在內(nèi)。這里所謂“向前”，是指細(xì)胞外電位是根據(jù)神經(jīng)膜電流來模擬的；相反，如果是根據(jù)記錄電位來估計(jì)神經(jīng)的電流，那就叫作逆向模擬。應(yīng)用這個(gè)工具可以進(jìn)行系統(tǒng)性研究，可以得到記錄下來的LFP與不同形式的神經(jīng)活性之間的關(guān)系，也能夠開發(fā)和驗(yàn)證為采用LFP方法所需的分析［8］。

突觸輸入以及相應(yīng)的返回（returning）電流是主宰皮層LFP的主要成分。當(dāng)LFP頻率達(dá)到100 Hz時(shí)，鋒電位也有貢獻(xiàn)于LFP信號，即使快速鈉鋒電位也可能有貢獻(xiàn)于細(xì)胞外電位。比較慢的電現(xiàn)象，例如鈣鋒電位以及鋒電位后的后超極化，也可以進(jìn)一步有貢獻(xiàn)于低頻率的LFP成分，因?yàn)橹灰强缒る娏?，必定會產(chǎn)生一個(gè)細(xì)胞外電位。這樣看來，膠質(zhì)細(xì)胞也可有貢獻(xiàn)于LFP，但是它們的貢獻(xiàn)一般是在非常低頻率的時(shí)候，例如在低于0.1 Hz的時(shí)候。當(dāng)然，生物物理學(xué)模擬對于確定這些成分各自的貢獻(xiàn)，對于觀察不同頻率波段的皮層LFP，都是必要的［8］。

最后，關(guān)于用粗電極記錄皮層LFP的研究方法學(xué)討論，主要說明粗電極記錄LFP比之記錄單位放電有其優(yōu)越性，但也有很多假設(shè)性的推論，需要在理論推測的幫助之下才能夠應(yīng)用［8］。

局部場電位研究提醒人們，對腦內(nèi)電信號存在著廣泛不同的看法［10］。對于局部場電位（LFP）特別是對其慢成分的看法，值得注意之處如下。

①慢電位不是多余的東西，也不是可以從鋒電位材料預(yù)計(jì)的。

②LFP的來源很廣泛，不僅包括經(jīng)典的鋒電位和突觸后電位。LFP是許多細(xì)胞間電流之向量總和。

③LFP活性的動態(tài)結(jié)構(gòu)的信息含量豐富，它代表了它所實(shí)現(xiàn)的細(xì)胞過程和細(xì)胞間過程，腦的狀態(tài)、定位、合作活動的形式，以及發(fā)育和進(jìn)化的階段。由此給出了一系列提示，有助于為新研究提供深刻洞識。

④很有可能在某個(gè)時(shí)候和某些地方，LFP既是因也是果。LFP的某些作用可能相當(dāng)強(qiáng)，對細(xì)胞發(fā)揮影響，改變放電頻率，或者把這些細(xì)胞拉入同步化中，因此這種LFP是信息編碼的一部分；而另一些LFP無疑太微弱，不可能被看成因，而僅僅是果，但仍然是揭示腦活動的有價(jià)值的符號［10］。