轉(zhuǎn)基因Ca2+指示劑：轉(zhuǎn)基因技術(shù)和光遺傳技術(shù)的飛速發(fā)展，催生了基因編碼的Ca2+指示劑（GECIs）。它們不依賴(lài)于熒光染料，可以靶向特定的組織，如神經(jīng)細(xì)胞、心肌細(xì)胞、T細(xì)胞等，并且可以避免熒光指示劑帶來(lái)的的許多問(wèn)題，是監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)基因動(dòng)物體內(nèi)鈣離子的一個(gè)極好的工具。個(gè)基因編碼的鈣離子指示劑Cameleon早在1997年就發(fā)表了。它是利用與鈣離子結(jié)合后發(fā)生結(jié)構(gòu)變化，作為供體的CFP和作為受體的YFP之間產(chǎn)生FRET的原理。2000年，GCaMP誕生了。它是增強(qiáng)型綠色熒光蛋白（EGFP）和鈣調(diào)蛋白（結(jié)合鈣離子）、鈣調(diào)蛋白結(jié)合肽M13組成的，結(jié)合鈣離子后，鈣調(diào)素-M13相互作用引起GFP空間結(jié)構(gòu)變化，發(fā)出綠色熒光（圖5）。GCaMP的問(wèn)世有著**性的意義，它改變了我們觀察神經(jīng)元群體活動(dòng)的方式，讓科學(xué)家們可以在成千上萬(wàn)的細(xì)胞中，看到哪些神經(jīng)元在放電，它們放電的模式和規(guī)律是怎樣的，從而進(jìn)一步探索各種內(nèi)在的神經(jīng)機(jī)制。傳統(tǒng)鈣成像實(shí)驗(yàn)要求成像的光路極為穩(wěn)定。寧波inscopix鈣成像nVoke2.0

傳統(tǒng)的寬場(chǎng)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(jìn)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(shù)的迅速發(fā)展，在體鈣成像技術(shù)得到了蓬勃發(fā)展。雙光子熒光顯微鏡能夠在進(jìn)行在體成像的時(shí)候?qū)崿F(xiàn)高分辨率和高信噪比。例如，用雙光子顯微鏡對(duì)海馬樹(shù)突棘的鈣離子信號(hào)進(jìn)行成像，研究神經(jīng)元突觸后長(zhǎng)時(shí)程降低(Wangetal.,2000)；觀察在體小鼠運(yùn)動(dòng)皮層神經(jīng)元在嗅覺(jué)選擇任務(wù)中刺激相關(guān)電位(Komiyamaetal.,2010)等等。不過(guò)，這些實(shí)驗(yàn)還是需要對(duì)動(dòng)物進(jìn)行麻醉和固定，而神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域很多研究更希望能夠?qū)ψ杂苫顒?dòng)的動(dòng)物進(jìn)行研究。近年來(lái)出現(xiàn)了通過(guò)植入性的microscope或microlens進(jìn)行在體freelymoving動(dòng)物鈣成像的技術(shù)。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)Inscopix顯微鏡成像。動(dòng)物頭部只需植入GRINlens，方便活動(dòng)。上海常見(jiàn)鈣成像量大從優(yōu)鈣離子也是神經(jīng)元活動(dòng)的重要“風(fēng)向標(biāo)”之一。

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(lái)——通過(guò)熒光染料信號(hào)的改變反映細(xì)胞內(nèi)游離鈣離子濃度，以此表示細(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(cè)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。功能光學(xué)成像技術(shù)的發(fā)展使研究腦區(qū)和神經(jīng)元的內(nèi)部工作成為可能。

與傳統(tǒng)的單光子寬視野熒光顯微鏡相比，多光子顯微鏡（MPM）具有光學(xué)切片和深層成像等功能，這兩個(gè)優(yōu)勢(shì)極大地促進(jìn)了研究者們對(duì)于完整在體大腦深處神經(jīng)的了解與認(rèn)識(shí)。2019年，JeromeLecoq等人從大腦深處的神經(jīng)元成像、大量神經(jīng)元成像、高速神經(jīng)元成像這三個(gè)方面論述了相關(guān)的MPM技術(shù)。想要將神經(jīng)元活動(dòng)與復(fù)雜行為聯(lián)系起來(lái)，通常需要對(duì)大腦皮質(zhì)深層的神經(jīng)元進(jìn)行成像，這就要求MPM具有深層成像的能力。激發(fā)和發(fā)射光會(huì)被生物組織高度散射和吸收是限制MPM成像深度的主要因素，雖然可以通過(guò)增加激光強(qiáng)度來(lái)解決散射問(wèn)題，但這會(huì)帶來(lái)其他問(wèn)題，例如燒壞樣品、離焦和近表面熒光激發(fā)。增加MPM成像深度比較好的方法是用更長(zhǎng)的波長(zhǎng)作為激發(fā)光。有了鈣成像技術(shù)，原本悄無(wú)聲息的神經(jīng)活動(dòng)就變成了一幅斑斕閃爍的壯觀影像。

想要對(duì)鈣離子的動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行有效的檢測(cè)，鈣離子指示劑的選擇顯得尤為重要。鈣離子熒光指示劑在未結(jié)合鈣離子前幾乎無(wú)熒光，與鈣離子結(jié)合后，熒光強(qiáng)度明顯增強(qiáng)。利用這一原理，可以通過(guò)指示劑的信號(hào)強(qiáng)弱來(lái)觀察細(xì)胞內(nèi)鈣離子濃度水平的變化。根據(jù)激發(fā)光波長(zhǎng)范圍，鈣離子指示劑可以分為可見(jiàn)光激發(fā)和紫外光激發(fā)，而根據(jù)其工作原理又可以分為比率和非比率型。常見(jiàn)的鈣離子指示劑有，紫外光激發(fā)Ca2+熒光探針、可見(jiàn)光激發(fā)Ca2+熒光探針、轉(zhuǎn)基因Ca2+指示劑。鈣成像系統(tǒng)具有單細(xì)胞分辨率的大視野的特征。浙江在體鈣成像動(dòng)物行為學(xué)

鈣離子在很多生理活動(dòng)中都發(fā)揮著重要作用。寧波inscopix鈣成像nVoke2.0

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(mén)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。寧波inscopix鈣成像nVoke2.0