大家都知道，只有游離鈣才具有生物學(xué)活性，而細(xì)胞質(zhì)內(nèi)鈣離子濃度由鈣離子的內(nèi)外流平衡所決定，同時也受鈣結(jié)合蛋白的影響。細(xì)胞外鈣離子內(nèi)流的方式有很多種，其中包括電壓門控鈣離子通道、離子型谷氨酰胺受體、煙堿型膽堿能受體（nAChR）和瞬時受體電位C型通道（TRPC）等。神經(jīng)元鈣成像的原理就是利用特殊的熒光染料或鈣離子指示劑將神經(jīng)元中鈣離子濃度的變化通過熒光強度表現(xiàn)出來，以反映神經(jīng)元活性。該方法可以同時觀察多個功能或位置相關(guān)的腦細(xì)胞。鈣離子能產(chǎn)生許多控制細(xì)胞功能的胞內(nèi)信號，如突觸囊泡中神經(jīng)遞質(zhì)的釋放等。合肥超微顯微鈣成像

與傳統(tǒng)的單光子寬視野熒光顯微鏡相比，多光子顯微鏡（MPM）具有光學(xué)切片和深層成像等功能，這兩個優(yōu)勢極大地促進(jìn)了研究者們對于完整在體大腦深處神經(jīng)的了解與認(rèn)識。2019年，JeromeLecoq等人從大腦深處的神經(jīng)元成像、大量神經(jīng)元成像、高速神經(jīng)元成像這三個方面論述了相關(guān)的MPM技術(shù)。想要將神經(jīng)元活動與復(fù)雜行為聯(lián)系起來，通常需要對大腦皮質(zhì)深層的神經(jīng)元進(jìn)行成像，這就要求MPM具有深層成像的能力。激發(fā)和發(fā)射光會被生物組織高度散射和吸收是限制MPM成像深度的主要因素，雖然可以通過增加激光強度來解決散射問題，但這會帶來其他問題，例如燒壞樣品、離焦和近表面熒光激發(fā)。增加MPM成像深度比較好的方法是用更長的波長作為激發(fā)光。哈爾濱熒光顯微鈣成像inscopix對于鈣離子成像來說，大多數(shù)情況下速度很重要。

鈣離子成像系統(tǒng)：傳統(tǒng)的寬場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)行成像的時候?qū)崿F(xiàn)高分辨率和高信噪比。例如，用雙光子顯微鏡對海馬樹突棘的鈣離子信號進(jìn)行成像，研究神經(jīng)元突觸后長時程控制(Wangetal.,2000)；觀察小鼠運動皮層神經(jīng)元在嗅覺選擇任務(wù)中刺激相關(guān)電位(Komiyamaetal.,2010)等等。不過，這些實驗還是需要對動物進(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杂苫顒拥膭游镞M(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物大腦，從特定腦區(qū)發(fā)出的熒光信號被光纖收集，然后通過相機成像。動物頭部只需植入GRINlens，方便活動，而且可以同時植入多個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。

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和生理現(xiàn)象耦合起來——通過熒光染料信號的改變反映細(xì)胞內(nèi)游離鈣離子濃度，以此表示細(xì)胞的功能狀態(tài)。目前它被廣泛應(yīng)用于實時監(jiān)測一群相關(guān)神經(jīng)元內(nèi)鈣離子的變化，從而判斷其功能活動。該技術(shù)的出現(xiàn)使得科學(xué)家可以親眼目睹神經(jīng)信號在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)之中時間和空間上的傳遞穿梭。功能光學(xué)成像技術(shù)的發(fā)展使研究腦區(qū)和神經(jīng)元的內(nèi)部工作成為可能。神經(jīng)方面科學(xué)迫切需要一種能夠兼顧全局和微觀的新型鈣成像技術(shù)。

目前有三種在神經(jīng)元上填充鈣離子指示劑的方法，且都可以用于體內(nèi)和體外研究。第一種方法是利用玻璃吸管將膜滲透性鹽或葡聚糖形式的指示劑注入單個神經(jīng)元中。此方法方便實驗者控制單個神經(jīng)元內(nèi)的鈣離子指示劑濃度且信噪比較高。第二種是利用“批量加載”的方法將鈣離子指示劑染料負(fù)載神經(jīng)元，觀察對象為一群神經(jīng)元。盡管此方法可能導(dǎo)致一些膠質(zhì)細(xì)胞也被指示劑所標(biāo)記，但提高了整體神經(jīng)元的標(biāo)記百分比，使研究者得以觀察到一群神經(jīng)元內(nèi)動作電位相關(guān)性的活動。第三種也較為常用，通過病毒轉(zhuǎn)染的方式使其基因編碼鈣離子指示劑。（A）單細(xì)胞注射法；（B）networkloading法；（C）通過病毒轉(zhuǎn)染使其基因編碼鈣離子指示劑（expressionofgeneticallyencodedcalciumindicators,GECI）鈣成像系統(tǒng)集成自動控制和精確計時的多模式輸入端口。哈爾濱超微顯微鈣成像inscopix

鈣離子也是神經(jīng)元活動的重要“風(fēng)向標(biāo)”之一。合肥超微顯微鈣成像

在生物有機體，鈣離子產(chǎn)生各種各樣的胞內(nèi)信號，這些胞內(nèi)信號幾乎在每種類型的細(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)胞死亡整個細(xì)胞周期的調(diào)節(jié)等。在哺乳動物的神經(jīng)系統(tǒng)中，鈣離子是一類重要的神經(jīng)元胞內(nèi)信號分子。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)元活動的時候，胞內(nèi)鈣離子濃度能上升10-100倍，增加的鈣離子對于包含有神經(jīng)遞質(zhì)的突觸囊泡的胞吐釋放過程必不可少。也就是說神經(jīng)元的活動與其內(nèi)部的鈣離子濃度密切相關(guān)，神經(jīng)元在放電的時候會爆發(fā)出一個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)元活動之間的嚴(yán)格對應(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熒光強度表現(xiàn)出來，從而達(dá)到檢測神經(jīng)元活動的目的。合肥超微顯微鈣成像