細胞內(nèi)鈣離子作為重要的信號分子其作用具有時間性和空間性。當di1個細胞興奮時，產(chǎn)生了一個電沖動，此時，細胞外的鈣離子流入該細胞內(nèi)，促使該細胞分泌神經(jīng)遞質(zhì)，神經(jīng)遞質(zhì)與相鄰的下一級神經(jīng)細胞膜上的蛋白分子結(jié)合，促使這一級神經(jīng)細胞產(chǎn)生新的電沖動。以此類推，神經(jīng)信號便一級一級地傳遞下去，從而構(gòu)成復雜的信號體系，*終形成學習、記憶等大腦的高級功能。在哺乳動物神經(jīng)系統(tǒng)中，鈣離子同樣扮演著重要的信號分子的角色。靜息狀態(tài)下大部分神經(jīng)元細胞內(nèi)鈣離子濃度約為50-100nM，而細胞興奮時鈣離子濃度能瞬間上升10-100倍，增加的鈣離子對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活性，而細胞質(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的腦細胞。通過鈣成像技術發(fā)現(xiàn)神經(jīng)元的活動與其內(nèi)部的鈣離子濃度密切相關。浙江動物神經(jīng)元鈣成像動物行為學
鈣成像具有以下幾個優(yōu)勢：1.非侵入性：鈣成像技術可以在活物細胞或組織中進行觀察，無需破壞細胞或組織的完整性，因此是一種非侵入性的技術。2.高時空分辨率：鈣成像技術可以實時觀察細胞內(nèi)鈣離子的動態(tài)變化，具有較高的時空分辨率?？梢圆蹲降解}離子濃度的瞬時變化，揭示細胞內(nèi)信號傳導的快速過程。3.多樣性：鈣成像技術可以使用不同的熒光探針或基因工程技術，實現(xiàn)對不同類型的細胞或組織進行鈣成像。可以根據(jù)需要選擇適合的探針或方法，擴展應用范圍。4.可定量分析：通過鈣成像技術可以獲得熒光信號的強度，可以進行定量分析，了解鈣離子濃度的變化程度。可以通過比較不同條件下的鈣成像結(jié)果，研究因素對鈣離子信號的調(diào)控作用。5.可應用于多個領域：鈣成像技術廣泛應用于神經(jīng)科學、細胞生物學、藥理學等領域?？梢匝芯可窠?jīng)元活動、細胞信號傳導、細胞凋亡等生物過程，有助于揭示生物學機制和疾病發(fā)生及發(fā)展的過程。綜上所述，鈣成像技術具有非侵入性、高時空分辨率、多樣性、可定量分析和廣泛應用于多個領域等優(yōu)勢，成為研究細胞內(nèi)鈣離子動態(tài)變化的重要工具。江蘇神經(jīng)元鈣成像nVista對鈣離子的功能研究中，鈣指示劑是必不可少的工具。
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，它們的熒光信號更強，對Ca2+的選擇性也更強。比率指示劑會在與Ca2+結(jié)合后會改變吸收/發(fā)射特性。以雙波長激發(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)。光譜由兩個峰組成：左側(cè)較短波長的吸收峰隨Ca2+濃度的增加而增大，右側(cè)較長波長的吸收峰隨Ca2+濃度的增加而減小。通過340/380nm交替激發(fā)，獲取在510nm處對應的發(fā)射光熒光強度的比率，就可以對Ca2+濃度進行定量的測量。因為Fura-2結(jié)果準確，且不易被漂白，所以得到了普遍使用。
可見光激發(fā)Ca2+熒光探針：與紫外光激發(fā)探針相比，可見光激發(fā)Ca2+探針具有更強的染料吸收性能，對Ca2+變化水平檢測敏感度也更高，能夠降低對活細胞的光毒性和樣品自發(fā)熒光以及光散射的干擾，且無光譜偏移。較常使用的可見光激發(fā)Ca2+熒光探針有Fluo-3，F(xiàn)luo-4，Rhod-2等，同時他們也都是非比率型指示劑。Fluo-3是較常用的可見光激發(fā)Ca2+熒光指示劑之一，是典型的的單波長指示劑，比較大激發(fā)波長為506nm，比較大發(fā)射波長為526nm。它與Ca2+結(jié)合之前幾乎無熒光，結(jié)合后熒光會增加60至100倍，從而避免了細胞自身的熒光干擾。實際檢測時推薦使用的激發(fā)波長為488nm左右，發(fā)射波長為525～530nm（圖3）。Fluo-3可以用在激光共聚焦顯微成像或流式細胞儀中。它還有一個升級版本Fluo-4，在相同Ca2+濃度下信號更強。鈣信號發(fā)揮著高度特異性的功能。
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的迅速發(fā)展，在體鈣成像技術得到了蓬勃發(fā)展。雙光子熒光顯微鏡能夠在進行在體成像的時候?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行成像，研究神經(jīng)元突觸后長時程降低(Wangetal.,2000)；觀察在體小鼠運動皮層神經(jīng)元在嗅覺選擇任務中刺激相關電位(Komiyamaetal.,2010)等等。不過，這些實驗還是需要對動物進行麻醉和固定，而神經(jīng)科學領域很多研究更希望能夠?qū)ψ杂苫顒拥膭游镞M行研究。近年來出現(xiàn)了通過植入性的microscope或microlens進行在體freelymoving動物鈣成像的技術。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Inscopix顯微鏡成像。動物頭部只需植入GRINlens，方便活動。小鼠頭戴式微型顯微鏡為后續(xù)清醒動物腦功能鈣成像研究提供了一套可靠的顯微成像系統(tǒng)。浙江在體鈣成像nVoke
我們的鈣成像系統(tǒng)集成自動控制和精確計時的多模式輸入端口。浙江動物神經(jīng)元鈣成像動物行為學
鈣成像的熒光指示劑鈣成像的熒光探針一般均為Ca2螯合劑EGTA，APTRA，BAPTA的衍生物，它們可以結(jié)合鈣離子從而顯示一個光譜響應，使研究者可以用熒光顯微鏡來觀察細胞內(nèi)的自由鈣的濃度。熒光顯微鏡可以使用普通的倒置熒光顯微鏡來進行鈣信號的測定和成像。并可結(jié)合電生理設備、活細胞培養(yǎng)裝置等，適用于大強度、廣范圍的鈣信號測定。共聚焦顯微系統(tǒng)，共聚焦以激光為光源，且可配備氬離子光源，可以選擇可見光激發(fā)的鈣指示劑，進行層掃，相比普通熒光顯微鏡有更好的空間分辨率。并且共聚焦除了配備大視野掃描鏡更可配置共振掃描振鏡，以滿足更高速成像應用的需求。雙光子顯微系統(tǒng)使用長波長來激發(fā)熒光指示劑，具有較低的細胞毒性，也可適用于紫外激發(fā)的鈣指示劑，且可獲得和單光子共聚焦系統(tǒng)類似的空間分辨率。小結(jié)綜上可見，在研究鈣信號時，可結(jié)合樣品自身特點來選擇相應的鈣指示劑，并考慮既有的實驗設備，來確定具體的實驗方案。同時還需進一步摸索實驗數(shù)據(jù)的校正、控制等多種影響因素，可獲得可靠的圖像及熒光定量數(shù)據(jù)。浙江動物神經(jīng)元鈣成像動物行為學
