Experimental and theoretical study of the genesis of local field potentials by cortical neurons

Etude expérimentale et théorique de la genèse des potentiels de champs locaux par les neurones corticaux

Jean-Marie Gomes (1)

1 UNIC - Unité de Neurosciences Information et Complexité [Gif sur Yvette]

Local field potentials (LFPs) are low-frequency (< 200-500 Hz) events resulting from brain activity. Their meaning and the mechanisms shaping them have been highly debated for decades. The existence and importance of a frequency-dependant filtering of ionic currents by brain tissue is controversial. Some authors conclude that the medium is resistive, while others suggest that brain tissue may exert significative low-pass filtering on electrical currents. A new measurement method is presented here, relying on the concept of natural impedance, which is measured using a neuron as an ''electrode''. This allows to obtain the most relevant impedance from a physiological point of view, in terms of electrode-medium interface, current intensity and spatial scale. The measured impedance is stable, reproducible, stronger than what is traditionally measured, and has a 1/\√f frequency dependance. A physical model, taking into account ionic diffusion in the medium, is able to reproduce this impedance. A similar method allows to compute the transfer function between the intra- and extracellular potentials of a neuron. Models are proposed to explain its structure, predict LFPs from cell activity and vice-versa. These results may help interpreting LFP and electroencephalography signals, yielding a deeper understanding of the physiological and pathological brain function.

Les potentiels de champs locaux (LFP) sont des événements de fréquence inférieure à 200-500 Hz, résultant de l'activité cérébrale. Leur signification et les mécanismes contribuant à leur formation sont encore très débattus. Ainsi, l'existence et l'importance d'un filtrage des courants ioniques par le tissu cérébral est controversée. Certains auteurs concluent que le milieu est résistif, alors que d'autres suggèrent que le tissu cérébral pourrait exercer un filtrage passe-bas significatif sur les courants électriques. Une méthode de mesure nouvelle est présentée ici, s'appuyant sur le concept d'impédance naturelle, mesurée en utilisant un neurone comme " électrode " . Ceci permet d'obtenir l'impédance la plus pertinente d'un point de vue physiologique, en termes d'interface électrode-milieu, d'intensité des courants et d'échelle spatiale. L'impédance mesurée est stable, reproductible, plus forte que celle mesurée traditionnellement, et possède une dépendance en fréquence en 1/vf. Un modèle physique prenant en compte la diffusion ionique dans le milieu est capable de reproduire cette impédance. Une méthode similaire permet de calculer la fonction de transfert entre les potentiels intra- et extracellulaire d'un neurone. Des modèles sont proposés pour expliquer sa forme, prédire les LFP d'après l'activité cellulaire et vice-versa. Ces résultats pourraient aider à l'interprétation des signaux de LFP et d'électroencéphalographie, permettant une compréhension plus profonde du fonctionnement cérébral physiologique et pathologique.

Mots clés: Natural impedance; Cerebral cortex; Local field potentials

Mots clés: Potentiels de champ locaux (LFP); Cortex cérébral; Milieu extracellulaire; Impédance naturelle; Fonction de transfert; Diffusion ionique

Domaines: Neurosciences [q-bio.NC]

Jean-Marie Gomes. Etude expérimentale et théorique de la genèse des potentiels de champs locaux par les neurones corticaux. Neurosciences [q-bio.NC]. Université Pierre et Marie Curie - Paris VI, 2015. Français. ⟨NNT : 2015PA066409⟩. ⟨tel-01282302⟩