北京荧光显微钙成像动物行为学

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。通过钙成像技术检测活动动物记录神经元的活动。北京荧光显微钙成像动物行为学

细胞内钙离子作为重要的信号分子其作用具有时间性和空间性。当di1个细胞兴奋时，产生了一个电冲动，此时，细胞外的钙离子流入该细胞内，促使该细胞分泌神经递质，神经递质与相邻的下一级神经细胞膜上的蛋白分子结合，促使这一级神经细胞产生新的电冲动。以此类推，神经信号便一级一级地传递下去，从而构成复杂的信号体系，*终形成学习、记忆等大脑的高级功能。在哺乳动物神经系统中，钙离子同样扮演着重要的信号分子的角色。静息状态下大部分神经元细胞内钙离子浓度约为50-100nM，而细胞兴奋时钙离子浓度能瞬间上升10-100倍，增加的钙离子对于突触囊泡胞吐释放神经递质的过程必不可少。众所周知，只有游离钙才具有生物学活性，而细胞质内钙离子浓度由钙离子的内外流平衡所决定，同时也受钙结合蛋白的影响。细胞外钙离子内流的方式有很多种，其中包括电压门控钙离子通道、离子型谷氨酰胺受体、烟碱型胆碱能受体（nAChR）和瞬时受体电位C型通道（TRPC）等。神经元钙成像的原理就是利用特殊的荧光染料或钙离子指示剂将神经元中钙离子浓度的变化通过荧光强度表现出来，以反映神经元活性。该方法可以同时观察多个功能或位置相关的脑细胞。西安细胞钙离子钙成像售后保障我们的钙成像系统集成自动控制和精确计时的多模式输入端口。

可见光激发Ca2+荧光探针：与紫外光激发探针相比，可见光激发Ca2+探针具有更强的染料吸收性能，对Ca2+变化水平检测敏感度也更高，能够降低对活细胞的光毒性和样品自发荧光以及光散射的干扰，且无光谱偏移。较常使用的可见光激发Ca2+荧光探针有Fluo-3，Fluo-4，Rhod-2等，同时他们也都是非比率型指示剂。Fluo-3是较常用的可见光激发Ca2+荧光指示剂之一，是典型的的单波长指示剂，比较大激发波长为506nm，比较大发射波长为526nm。它与Ca2+结合之前几乎无荧光，结合后荧光会增加60至100倍，从而避免了细胞自身的荧光干扰。实际检测时推荐使用的激发波长为488nm左右，发射波长为525～530nm（图3）。Fluo-3可以用在激光共聚焦显微成像或流式细胞仪中。它还有一个升级版本Fluo-4，在相同Ca2+浓度下信号更强。

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在体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降低(Wangetal.,2000)；观察在体小鼠运动皮层神经元在嗅觉选择任务中刺激相关电位(Komiyamaetal.,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。近年来出现了通过植入性的microscope或microlens进行在体freelymoving动物钙成像的技术。使用一端带有GRINlens的光纤连接显微镜和动物大脑，从特定脑区发出的荧光信号被光纤收集，然后通过Inscopix显微镜成像。动物头部只需植入GRINlens，方便活动。清醒动物脑功能钙成像的微型显微镜的研究在不断实践中。

对于成像和长时间成像，较重要的是要保证细胞的正常生长。荧光团受激发光光照后产生的氧化物质与蛋白质、核酸和脂肪等发生反应，荧光信号降低的同时（光致退色）也降低了细胞寿命（光线损伤）。在光照过程中氧化剂的产生,主要决定于荧光团的光化学性质和光照剂量,因此减少光照剂量成为解决上述问题的途径之一。光漂白（Photobleaching）指在光的照射下荧光物质所激发出来的荧光强度随着时间推移逐步减弱乃至消失的现象。荧光成像的质量很大程度上依赖于荧光信号强度，提高激发光强度固然可以提高信号强度，但激发光的强度不是可以无限提高的，当激发光的强度超过一定限度时，光吸收就趋于饱和，并不可逆地破坏激发态分子，这就是光漂白现象。在显微技术中，光漂白使得观测变得很复杂，因为它会造成破坏，使萤光团无法继续放光，从而干扰实验结果。功能性多神经元钙成像是一种通过记录神经元内Ca2+信号变化,监测大量神经元动作电位的光学记录技术。宁波在体钙成像grain lens

钙是模型动物神经细胞内重要的第二信使,参与细胞多种功能的调节,可以产生多种细胞内信号。北京荧光显微钙成像动物行为学

多种钙离子指示剂和钙成像手段的存在使研究人员能够根据具体的实验需要进行选择。同样，选择合适的检测设备也是至关重要的。对于使用CCD/sCMOS相机的成像系统来说，有两个要求是很基本的：采集速度：根据不同的应用所需的相机帧速也不同，对于神经细胞来说，一般要求相机速度至少在10fps以上，有些高速应用场景可能需要几百甚至上千Hz的帧速。灵敏度：为了尽可能降低光漂白和其他副作用（特别是蓝光激发时），需要降低激发光强度。因此相机要在较宽的发射光波长范围上具有高灵敏度，才能检测到弱光条件下的信号，并适应不同的染料的光谱发射特性。北京荧光显微钙成像动物行为学