神經(jīng)元鈣成像nVoke2.0

鈣成像技術(shù)（calciumimaging）是指利用鈣離子指示劑監(jiān)測(cè)組織內(nèi)鈣離子濃度的方法。在神經(jīng)系統(tǒng)研究方面，在在體（invivo）或者離體（invitro）實(shí)驗(yàn)中，鈣成像技術(shù)被廣泛應(yīng)用于同時(shí)監(jiān)測(cè)成百上千個(gè)神經(jīng)元內(nèi)鈣離子的變化，從而檢測(cè)神經(jīng)元的活動(dòng)情況）。有了鈣成像技術(shù)，原本悄無聲息的神經(jīng)活動(dòng)就變成了一幅斑斕閃爍的壯觀影像，科學(xué)家終于可以親眼看著神經(jīng)信號(hào)在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)之中往來穿梭。因此，這種技術(shù)一出現(xiàn)，就受到了全世界神經(jīng)科學(xué)家們的追捧，至今依然是人們觀測(cè)神經(jīng)活動(dòng)*為直接的手段。鈣成像技術(shù)的不斷進(jìn)步，使得人們對(duì)神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域有了進(jìn)一步的拓展。神經(jīng)元鈣成像nVoke2.0

鈣離子成像系統(tǒng)：傳統(tǒng)的寬場(chǎng)熒光顯微鏡由于光散射的影響，只能夠?qū)Υ竽X淺層的神經(jīng)元或在離體組織上進(jìn)行成像，共聚焦顯微鏡由于光損傷較大，一般也只用于離體鈣成像。隨著熒光顯微鏡技術(shù)的迅速發(fā)展，在體鈣成像技術(shù)得到了蓬勃發(fā)展。雙光子熒光顯微鏡能夠在進(jìn)行成像的時(shí)候?qū)崿F(xiàn)高分辨率和高信噪比。例如，用雙光子顯微鏡對(duì)海馬樹突棘的鈣離子信號(hào)進(jìn)行成像，研究神經(jīng)元突觸后長(zhǎng)時(shí)程控制(Wangetal.,2000)；觀察小鼠運(yùn)動(dòng)皮層神經(jīng)元在嗅覺選擇任務(wù)中刺激相關(guān)電位(Komiyamaetal.,2010)等等。不過，這些實(shí)驗(yàn)還是需要對(duì)動(dòng)物進(jìn)行麻醉和固定，而神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域很多研究更希望能夠?qū)ψ杂苫顒?dòng)的動(dòng)物進(jìn)行研究。近年來出現(xiàn)了通過植入性的microscope或microlens進(jìn)行freelymoving動(dòng)物鈣成像的技術(shù)。如圖6中所示的光纖成像法：使用一端帶有GRINlens的光纖連接顯微鏡和動(dòng)物大腦，從特定腦區(qū)發(fā)出的熒光信號(hào)被光纖收集，然后通過相機(jī)成像。動(dòng)物頭部只需植入GRINlens，方便活動(dòng)，而且可以同時(shí)植入多個(gè)lens來觀察不同的腦區(qū)之間的聯(lián)系和相互作用。不過這種成像方法的視野較小，分辨率也比較差。美國(guó)光遺傳鈣成像哪里有鈣成像系統(tǒng)在自由行為動(dòng)物上對(duì)鈣離子動(dòng)態(tài)進(jìn)行單細(xì)胞分辨率級(jí)別的持久成像。

利用鈣成像技術(shù)記錄大腦活動(dòng)，隨著功能光學(xué)成像技術(shù)的發(fā)展，神經(jīng)學(xué)家們已經(jīng)可以研究腦區(qū)和神經(jīng)元內(nèi)部的工作情況。功能鈣成像技術(shù)就是其中之一，其主要原理是將外源性熒光信號(hào)和生理現(xiàn)象耦合起來——通過熒光染料信號(hào)的改變反映細(xì)胞內(nèi)游離鈣離子濃度，以此細(xì)胞的功能狀態(tài)。目前它被廣泛應(yīng)用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)一群相關(guān)神經(jīng)元內(nèi)鈣離子的變化，從而判斷其功能活動(dòng)。該技術(shù)的出現(xiàn)使得科學(xué)家可以親眼目睹神經(jīng)信號(hào)在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)之中時(shí)間和空間上的傳遞穿梭。

通過篩選天然與人工合成的融合體，在小鼠與斑馬魚幼蟲身上成功得到以為靶點(diǎn)的致密神經(jīng)回路報(bào)告，報(bào)告顯示來自神經(jīng)纖維的偽信號(hào)明顯減少，信噪比增加，神經(jīng)元之間的偽影相關(guān)性降低。這些結(jié)果均說明GCaMP6f和GCaMP7f的細(xì)胞體靶向變體（Soma-GCaMP6f，Soma-GCaMP7f）對(duì)提高單光子熒光成像技術(shù)的精細(xì)性起到著重要作用。這種胞體靶向突變體對(duì)提高神經(jīng)信號(hào)標(biāo)記的精細(xì)性是否具有組織特異性或物種特異性呢？研究團(tuán)隊(duì)針對(duì)這一問題，分別在小鼠不同腦區(qū)以及斑馬魚幼魚的整胚轉(zhuǎn)染和斑馬魚不同發(fā)育時(shí)期的信號(hào)采集等方面進(jìn)行研究。利用鈣離子指示劑檢測(cè)組織或細(xì)胞內(nèi)鈣離子濃度，進(jìn)而反應(yīng)組織或細(xì)胞內(nèi)某些活動(dòng)或反應(yīng)。

包含鈣離子指示劑的細(xì)胞可以通過熒光顯微鏡(fluorescencemicroscope)觀測(cè)，然后通過CCD攝像機(jī)捕捉、記錄圖像。現(xiàn)在鈣成像技術(shù)主要在以下幾類神經(jīng)科學(xué)研究方面有廣泛應(yīng)用：1.記錄培養(yǎng)的神經(jīng)元的活動(dòng)。2.記錄腦片上神經(jīng)元的活動(dòng)。記錄神經(jīng)元的活動(dòng)。由于離體實(shí)驗(yàn)本身的限制，現(xiàn)在越來越多的神經(jīng)方面科學(xué)家傾向于做在體鈣成像實(shí)驗(yàn)，希望能得到更準(zhǔn)確且更能反應(yīng)生理狀況的數(shù)據(jù)。得益于雙光子熒光顯微鏡的發(fā)展，現(xiàn)在在實(shí)驗(yàn)動(dòng)物處于huoti狀態(tài)下的鈣成像技術(shù)取得了飛速進(jìn)展。4.記錄神經(jīng)元樹突和樹突棘（spine）的活動(dòng)。由于對(duì)于實(shí)驗(yàn)精度的要求，有些科學(xué)家不僅只想記錄單個(gè)神經(jīng)元的反應(yīng)，他們還想更確切地知道神經(jīng)元上哪些樹突和樹突棘參與了某個(gè)行為，也就是說他們需要在huoti條件下，對(duì)單根樹突以及某些spine進(jìn)行鈣成像記錄實(shí)驗(yàn)。由于雙光子熒光顯微鏡和GCaMP6基因編碼鈣離子指示劑的發(fā)展，現(xiàn)在，對(duì)樹突和樹突棘用鈣成像實(shí)驗(yàn)進(jìn)行記錄也成為了可能。鈣離子成像可以追蹤神經(jīng)元?jiǎng)幼麟娢?。浙江?xì)胞鈣離子鈣成像grain lens

鈣離子也是神經(jīng)元活動(dòng)的重要“風(fēng)向標(biāo)”之一。神經(jīng)元鈣成像nVoke2.0

鈣離子在很多生理性的活動(dòng)中都發(fā)揮著重要作用，除了在肌肉細(xì)胞收縮中扮演著重要角色，鈣離子也是神經(jīng)元活動(dòng)的重要“風(fēng)向標(biāo)”之一：當(dāng)神經(jīng)元膜電位發(fā)生去極化，產(chǎn)生的動(dòng)作電位傳導(dǎo)到神經(jīng)元軸突末梢時(shí)，細(xì)胞膜上的電壓門控鈣離子通道打開，大量鈣離子內(nèi)流，包含神經(jīng)遞質(zhì)的囊泡由突觸前膜釋放至后膜，下游神經(jīng)元就得以接受到上游的信號(hào)。因此，鈣離子成像可以追蹤神經(jīng)元?jiǎng)幼麟娢唬瑥亩鴰椭覀兞私馍窠?jīng)元集群的活動(dòng)，可以用于感知覺，學(xué)習(xí)記憶，社會(huì)性行為等各種各樣的研究中。神經(jīng)元鈣成像nVoke2.0

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