在神經(jīng)系統(tǒng)研究中，我們常使用鈣指示劑表征鈣離子濃度變化，以反映神經(jīng)元的活動(dòng)。常見的鈣成像方法有雙光子熒光成像和單光子熒光成像兩種，其中后者是研究腦神經(jīng)活動(dòng)的常用方法。但與雙光子成像相比，單光子成像更易受到來自神經(jīng)元的高水平串?dāng)_，導(dǎo)致信噪比降低。不僅如此，采集活動(dòng)信號(hào)時(shí)還易被來自近距離通過的軸突和樹突的信號(hào)所污染，造成的非特異性信號(hào)，這些均嚴(yán)重影響對(duì)神經(jīng)元活動(dòng)反應(yīng)的精細(xì)成像。因而，在單光子熒光成像的基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)在細(xì)胞核中表達(dá)遺傳編碼的鈣指示劑，從而消除神經(jīng)纖維信號(hào)。但與經(jīng)典的胞質(zhì)鈣成像相比，鈣進(jìn)入細(xì)胞核的要求降低了這種成像的時(shí)間精度。多種鈣離子指示劑和鈣成像手段的存在使研究人員能夠根據(jù)具體的實(shí)驗(yàn)需要進(jìn)行選擇。光遺傳鈣成像動(dòng)物行為學(xué)
不論采用哪一類鈣離子指示劑，總體上成像記錄過程是非常類似的。包含鈣離子指示劑的細(xì)胞可以通過熒光顯微鏡(fluorescencemicroscope)觀測，然后通過CCD攝像機(jī)捕捉、記錄圖像?，F(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。超微顯微鈣成像nVista鈣成像技術(shù)一出現(xiàn)，就受到了全世界神經(jīng)科學(xué)家們的追捧。
細(xì)胞內(nèi)鈣離子作為重要的信號(hào)分子其作用具有時(shí)間性和空間性。當(dāng)di1個(gè)細(xì)胞興奮時(shí)，產(chǎn)生了一個(gè)電沖動(dòng)，此時(shí)，細(xì)胞外的鈣離子流入該細(xì)胞內(nèi)，促使該細(xì)胞分泌神經(jīng)遞質(zhì)，神經(jīng)遞質(zhì)與相鄰的下一級(jí)神經(jīng)細(xì)胞膜上的蛋白分子結(jié)合，促使這一級(jí)神經(jīng)細(xì)胞產(chǎn)生新的電沖動(dòng)。以此類推，神經(jīng)信號(hào)便一級(jí)一級(jí)地傳遞下去，從而構(gòu)成復(fù)雜的信號(hào)體系，*終形成學(xué)習(xí)、記憶等大腦的高級(jí)功能。在哺乳動(dòng)物神經(jīng)系統(tǒng)中，鈣離子同樣扮演著重要的信號(hào)分子的角色。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熒光強(qiáng)度表現(xiàn)出來，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。
哺乳動(dòng)物進(jìn)入睡眠后神經(jīng)元活動(dòng)發(fā)生了戲劇性的變化，覺醒的神經(jīng)元活動(dòng)被認(rèn)為會(huì)增加睡眠需求。其他腦細(xì)胞(膠質(zhì)細(xì)胞)在自然睡眠-覺醒周期中的變化以及它們在睡眠調(diào)節(jié)中的作用相對(duì)來說還沒有被研究過。華盛頓州立大學(xué)ElsonS.Floyd醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)系的MarcosG.Frank研究團(tuán)隊(duì)于2020年9月24日在CurrentBiology上發(fā)表論文“ARoleforAstroglialCalciuminMammalianSleepandSleepRegulation”，通過使用滔博生物-Inscopix自由活動(dòng)鈣成像顯微鏡發(fā)現(xiàn)額葉皮層的星形膠質(zhì)細(xì)胞鈣濃度隨睡眠和清醒而變化，會(huì)在睡眠剝奪后改變，并調(diào)節(jié)睡眠需求。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)。
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)的鈣成像技術(shù)受限于顯微鏡的視野，只能對(duì)很小的一片區(qū)域進(jìn)行記錄。寧波熒光顯微鈣成像nVista
鈣成像系統(tǒng)支持聯(lián)網(wǎng)，基于網(wǎng)絡(luò)的軟件可讓您隨時(shí)隨地監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。光遺傳鈣成像動(dòng)物行為學(xué)
神經(jīng)元鈣成像技術(shù)離不開鈣離子指示劑的應(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，通過病毒轉(zhuǎn)染的方式使其基因編碼鈣離子指示劑。光遺傳鈣成像動(dòng)物行為學(xué)
