合肥神经细胞钙成像

    钙是机体的组成元素之一。钙离子作为电流载体维持细胞内外的电化学梯度，同时在细胞的生命活动中扮演着重要角色。作为第二信使，钙参与细胞周期、细胞代谢、细胞分化、坏死、凋亡等等许多重要的生理过程。细胞内的钙离子水平通常很低，一般胞浆中的自由钙约为100nM。胞内的钙可被各种亚细胞器所贮存，据文献报道：其中约50%位于细胞核，30%位于线粒体，14%位于内质网，5%位于胞膜上，1%位于胞质内，且因为钙离子易与磷酸和碳酸复合物形成不溶物，故游离钙只占[1]。细胞可以通过钙内流、内钙释放及膜系统上的降钙蛋白等一整套完整的监控系统来维持细胞内钙的内稳状态。例如与钙内流相关的通道例如电压门控性钙离子通道VDCC、受体活跃的通道RACC；与内钙释放相关的受体如内质网上的IP3受体；以及降钙相关的脂膜及线粒体上的主动运输的钙泵系统等等[2]。近20年来钙的荧光成像及测定技术发展迅速，出现了各种各样的钙荧光指示剂，结合不断发展的显微成像系统，我们可以对活细胞的钙离子进行测定及成像，进一步揭示其生理机制及相关疾病的发病机制。钙成像的荧光指示剂钙成像的荧光探针一般均为Ca2螯合剂EGTA，APTRA，BAPTA的衍生物，它们可以结合钙离子从而显示一个光谱响应。对于钙离子成像来说，大多数情况下速度很重要。合肥神经细胞钙成像

传统的宽场荧光显微镜由于光散射的影响，只能够对大脑浅层的神经元或在离体组织上进行成像，共聚焦显微镜由于光损伤较大，一般也只用于离体钙成像。随着荧光显微镜技术的迅速发展，在体钙成像技术得到了蓬勃发展。双光子荧光显微镜能够在进行活动动物成像的时候实现高分辨率和高信噪比。例如，用双光子显微镜对海马树突棘的钙离子信号进行成像，研究神经元突触后长时程yizhi (Wang et al., 2000)；观察活动小鼠运动皮层神经元在嗅觉选择任务中刺激相关电位 (Komiyama et al., 2010)等等。不过，这些实验还是需要对动物进行麻醉和固定，而神经科学领域很多研究更希望能够对自由活动的动物进行研究。

合肥神经细胞钙成像钙信号在大脑皮层中更能反映神经元的活性,因此神经元钙信号的检测对研究大脑皮层功能至关重要。

目前有三种在神经元上填充钙离子指示剂的方法，且都可以用于体内和体外研究。第一种方法是利用玻璃吸管将膜渗透性盐或葡聚糖形式的指示剂注入单个神经元中。此方法方便实验者控制单个神经元内的钙离子指示剂浓度且信噪比较高。第二种是利用“批量加载”的方法将钙离子指示剂染料负载神经元，观察对象为一群神经元。尽管此方法可能导致一些胶质细胞也被指示剂所标记，但 提高了整体神经元的标记百分比，使研究者得以观察到一群神经元内动作电位相关性的活动。第三种也较为常用，通过病毒转染的方式使其基因编码钙离子指示剂。

（A）单细胞注射法；（B）networkloading法；（C）通过病毒转染使其基因编码钙离子指示剂（expressionofgeneticallyencodedcalciumindicators,GECI）

解决钙离子信号和BOLD信号转换：功能核磁共振成像主要依赖于神经元兴奋后局部耗氧与血流振幅的不一致，通过测定血氧水平依赖性（BOLD）信号间接反映神经元活动。而钙成像技术则是直接通过钙离子浓度变化反映神经元活动。将这两种技术联用，需要考虑BOLD信号和钙离子浓度变化之间的转换。研究人员通过卷积函数比较好化的将钙离子信号转换为BOLD信号，实现这两者之间比较大的关联。研究人员利用钙离子指示剂工具小鼠发现在低频刺激下（0.009–0.08赫兹），小鼠皮层钙离子活动变化与BOLD信号的一致性比较好。此外，钙离子活动变化与BOLD功能连接的关联存在区域的依赖性：钙离子和BOLD连接强度相关性在桶状皮层与同侧半球内的脑区呈正相关关系（同步化），但与对侧半球内的脑区呈负相关。这种区域功能依赖性表明BOLD的连接来自于不同细胞群的协同神经活动。钙信号在神经元功能调控及信息传递方面发挥着重要作用。

钙离子通过参与多种细胞内信号传导途径来调控绝大多数类型神经元的功能。由于钙离子信号在已知的细胞器结构中发挥其特定的功能，钙离子成像显得尤为重要。在神经系统中，由于神经元的多样性，导致钙离子功能也多样化。在突触前膜，钙内流激发贮存神经递质的神经小泡向胞外释放；在突触后膜，树突棘内钙水平瞬间升高，介导了突触可塑性；在细胞核内，钙信号能够调控基因转录。现在常使用的钙离子指示剂有化学性钙离子指示剂（ChemicalIndicators）和基因编码钙离子指示剂（GeneticallyEncodedIndicators）两类。传统的钙成像技术受限于显微镜的视野，只能对很小的一片区域进行记录。美国inscopix钙成像口碑好

现在钙成像技术使用的钙离子指示剂主要有化学性钙离子指示剂和基因编码钙离子指示剂。合肥神经细胞钙成像

使用MPM对神经元进行钙成像时，通过随机访问扫描—即激光束在整个视场上的任意选定点上进行快速扫描—可以只扫描感兴趣的神经元，这样不仅避免扫描到任何未标记的神经纤维，还可以优化激光束的扫描时间。随机访问扫描可以通过声光偏转器（AOD）来实现，其原理是将具有一个射频信号的压电传感器粘在合适的晶体上，所产生的声波引起周期性的折射率光栅，激光束通过光栅时发生衍射。通过射频电信号调控声波的强度和频率从而可以改变衍射光的强度和方向，这样使用1个AOD就可以实现一维横向的任意点扫描，利用1对AOD，结合其他轴向扫描技术可实现3D的随机访问扫描。但是该技术对样本的运动很敏感，易出现运动伪影。目前，快速光栅扫描即在FOV中进行逐行扫描，由于利用算法可以轻松解决运动伪影而被guang fan的使用。合肥神经细胞钙成像

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