紫外光激發(fā)Ca2+熒光探針：Fura-2和Indo-1都是紫外光激發(fā)的雙波長(zhǎng)Ca2+熒光指示劑，也是目前較常用的比率型鈣離子熒光探針。與其他代的熒光指示劑相比，它們的熒光信號(hào)更強(qiáng)，對(duì)Ca2+的選擇性也更強(qiáng)。比率指示劑會(huì)在與Ca2+結(jié)合后會(huì)改變吸收/發(fā)射特性。以雙波長(zhǎng)激發(fā)指示劑Fura-2為例。如圖2所示，低Ca2+濃度下，F(xiàn)ura-2在~380nm處激發(fā)，高Ca2+濃度下，在~340nm處激發(fā)。光譜由兩個(gè)峰組成：左側(cè)較短波長(zhǎng)的吸收峰隨Ca2+濃度的增加而增大，右側(cè)較長(zhǎng)波長(zhǎng)的吸收峰隨Ca2+濃度的增加而減小。通過(guò)340/380nm交替激發(fā)，獲取在510nm處對(duì)應(yīng)的發(fā)射光熒光強(qiáng)度的比率，就可以對(duì)Ca2+濃度進(jìn)行定量的測(cè)量。因?yàn)镕ura-2結(jié)果準(zhǔn)確，且不易被漂白，所以得到了普遍使用?？梢詫?duì)深部腦區(qū)、皮層區(qū)域等大部分腦區(qū)進(jìn)行鈣成像使用鈣離子指示蛋白。北京熒光顯微鈣成像inscopix

對(duì)新環(huán)境的探索確保了生存和進(jìn)化的適應(yīng)性，這是通過(guò)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)動(dòng)態(tài)變化的探索性回合和逮捕來(lái)表達(dá)的。因此，調(diào)節(jié)探索性行為的神經(jīng)環(huán)路應(yīng)該參與經(jīng)驗(yàn)的整合，并利用它來(lái)選擇適當(dāng)?shù)男袨檩敵?。通過(guò)空間探索分析，研究人員發(fā)現(xiàn)在之前動(dòng)物被逮捕的地點(diǎn)，瞬間逮捕數(shù)隨著經(jīng)驗(yàn)的增加而增加。在自由探索的小鼠身上進(jìn)行的Inscopix鈣成像顯示，基底外側(cè)杏仁核中有一個(gè)遺傳和投射定義的神經(jīng)元群，在自我控制的行為停止期間是活躍的。這個(gè)合集是以經(jīng)驗(yàn)依賴的方式響應(yīng)的，對(duì)這些神經(jīng)元的nVoke閉環(huán)光遺傳操作表明，它們?cè)谔剿鬟^(guò)程中驅(qū)動(dòng)經(jīng)驗(yàn)依賴的逮捕是充分和必要的。投影特異性成像和光遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)顯示，這些yizhi是由投射到**杏仁核的基底外側(cè)杏仁核神經(jīng)元影響的，揭示了杏仁核環(huán)路，該回路介導(dǎo)了熟悉部位的短暫阻止，但不影響回避或焦慮/恐懼樣行為。上海在體鈣成像nVoke2.0通過(guò)鈣成像技術(shù)發(fā)現(xiàn)神經(jīng)元的活動(dòng)與其內(nèi)部的鈣離子濃度密切相關(guān)。

鈣離子在很多生理活動(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(mén)控鈣離子通道打開(kāi)，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?，從而幫助我們了解神?jīng)元集群的活動(dòng)，可以用于感知覺(jué)，學(xué)習(xí)記憶，社會(huì)性行為等各種各樣的研究中

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(lái)——通過(guò)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daibiao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。傳統(tǒng)鈣成像實(shí)驗(yàn)要求成像的光路極為穩(wěn)定。

在生物有機(jī)體，鈣離子產(chǎn)生各種各樣的胞內(nèi)信號(hào)，這些胞內(nèi)信號(hào)幾乎在每種類(lèi)型的細(xì)胞中都存在，且在很多功能方面有重要作用，例如對(duì)心肌細(xì)胞收縮的控制和從細(xì)胞增殖到細(xì)胞死亡整個(gè)細(xì)胞周期的調(diào)節(jié)等。在哺乳動(dòng)物的神經(jīng)系統(tǒng)中，鈣離子是一類(lèi)重要的神經(jīng)元胞內(nèi)信號(hào)分子。在靜息狀態(tài)下，大部分神經(jīng)元的胞內(nèi)鈣離子濃度為50-100nM，而當(dāng)神經(jīng)元活動(dòng)的時(shí)候，胞內(nèi)鈣離子濃度能上升10-100倍，增加的鈣離子對(duì)于包含有神經(jīng)遞質(zhì)的突觸囊泡的胞吐釋放過(guò)程必不可少。也就是說(shuō)神經(jīng)元的活動(dòng)與其內(nèi)部的鈣離子濃度密切相關(guān)，神經(jīng)元在放電的時(shí)候會(huì)爆發(fā)出一個(gè)短暫的鈣離子濃度高峰。神經(jīng)元鈣成像（calciumimaging）技術(shù)的原理就是借助鈣離子濃度與神經(jīng)元活動(dòng)之間的嚴(yán)格對(duì)應(yīng)關(guān)系，利用特殊的熒光染料或者蛋白質(zhì)熒光探針(鈣離子指示劑，calciumindicator)，將神經(jīng)元當(dāng)中的鈣離子濃度通過(guò)熒光強(qiáng)度表現(xiàn)出來(lái)，從而達(dá)到檢測(cè)神經(jīng)元活動(dòng)的目的。有了鈣成像技術(shù)，原本悄無(wú)聲息的神經(jīng)活動(dòng)就變成了一幅斑斕閃爍的壯觀影像。上海神經(jīng)元鈣成像nVoke

用標(biāo)準(zhǔn)行為測(cè)定法進(jìn)行成像和行為實(shí)驗(yàn)的時(shí)間同步可進(jìn)行深部腦區(qū)鈣成像。北京熒光顯微鈣成像inscopix

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(shù)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(jué)選擇任務(wù)中刺激相關(guān)電位(Komiyamaetal.,2010)等等。不過(guò)，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(lái)出現(xiàn)了通過(guò)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(guò)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(lái)觀察不同的腦區(qū)之間的聯(lián)系和相互作用。不過(guò)這種成像方法的視野較小，分辨率也比較差。北京熒光顯微鈣成像inscopix