神經(jīng)元鈣成像技術(shù)離不開(kāi)鈣離子指示劑的應(yīng)用,不同類型的指示劑各有其獨(dú)特的功能。那么這些指示劑是如何負(fù)載細(xì)胞的呢?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(gè)神經(jīng)元中。此方法方便實(shí)驗(yàn)者控制單個(gè)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(duì)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(dòng)作電位相關(guān)性的活動(dòng)。第三種也較為常用,通過(guò)病毒轉(zhuǎn)染的方式使其基因編碼鈣離子指示劑。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。上海熒光顯微鈣成像nVoke2.0
現(xiàn)在有三種在神經(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(gè)神經(jīng)元中。此方法方便實(shí)驗(yàn)者控制單個(gè)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(duì)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(dòng)作電位相關(guān)性的活動(dòng)。第三種也較為常用,通過(guò)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(guò)病毒轉(zhuǎn)染使其基因編碼鈣離子指示劑(expressionofgeneticallyencodedcalciumindicators,GECI)江蘇動(dòng)物神經(jīng)元鈣成像大概費(fèi)用可以對(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。
使用MPM對(duì)神經(jīng)元進(jìn)行鈣成像時(shí),通過(guò)隨機(jī)訪問(wèn)掃描—即激光束在整個(gè)視場(chǎng)上的任意選定點(diǎn)上進(jìn)行快速掃描—可以只掃描感興趣的神經(jīng)元,這樣不僅避免掃描到任何未標(biāo)記的神經(jīng)纖維,還可以優(yōu)化激光束的掃描時(shí)間。隨機(jī)訪問(wèn)掃描可以通過(guò)聲光偏轉(zhuǎn)器(AOD)來(lái)實(shí)現(xiàn),其原理是將具有一個(gè)射頻信號(hào)的壓電傳感器粘在合適的晶體上,所產(chǎn)生的聲波引起周期性的折射率光柵,激光束通過(guò)光柵時(shí)發(fā)生衍射。通過(guò)射頻電信號(hào)調(diào)控聲波的強(qiáng)度和頻率從而可以改變衍射光的強(qiáng)度和方向,這樣使用1個(gè)AOD就可以實(shí)現(xiàn)一維橫向的任意點(diǎn)掃描,利用1對(duì)AOD,結(jié)合其他軸向掃描技術(shù)可實(shí)現(xiàn)3D的隨機(jī)訪問(wèn)掃描。但是該技術(shù)對(duì)樣本的運(yùn)動(dòng)很敏感,易出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)偽影。目前,快速光柵掃描即在FOV中進(jìn)行逐行掃描,由于利用算法可以輕松解決運(yùn)動(dòng)偽影而被guangfan的使用。
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的角色,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(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。通過(guò)鈣成像技術(shù)檢測(cè)活動(dòng)動(dòng)物記錄神經(jīng)元的活動(dòng)。
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。還有直接植入動(dòng)物大腦的微型熒光顯微鏡,將GRINlens直接植入皮層下的海馬,下丘腦,丘腦等區(qū)域,可以監(jiān)測(cè)深部腦區(qū)的神經(jīng)元活動(dòng)。這種微型顯微鏡的重量只有幾克,不會(huì)影響動(dòng)物自由活動(dòng),可以提供800μm600μm視野和1.50μm橫向分辨率。清醒動(dòng)物腦功能鈣成像的微型顯微鏡的研究在不斷實(shí)踐中。深圳鈣成像
鈣成像技術(shù)發(fā)現(xiàn)鈣離子產(chǎn)生各種各樣的胞內(nèi)信號(hào)。上海熒光顯微鈣成像nVoke2.0
靜息狀態(tài)下大部分神經(jīng)元細(xì)胞內(nèi)鈣離子濃度約為50-100nM,而細(xì)胞興奮時(shí)鈣離子濃度能瞬間上升10-100倍,增加的鈣離子對(duì)于突觸囊泡胞吐釋放神經(jīng)遞質(zhì)的過(guò)程必不可少。眾所周知,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(shí)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(shí)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(guò)熒光強(qiáng)度表現(xiàn)出來(lái),以反映神經(jīng)元活性。該方法可以同時(shí)觀察多個(gè)功能或位置相關(guān)的腦細(xì)胞。上海熒光顯微鈣成像nVoke2.0