合肥光遺傳鈣成像動物行為學(xué)

單光子顯微技術(shù)是較成熟的熒光顯微技術(shù)，但由于其使用的激發(fā)光波長較短，成像深度有限；能量較大,會造成對熒光物質(zhì)的漂白,光毒性嚴(yán)重。激光共焦掃描顯微鏡由于共焦顯微鏡的孔徑很小,實(shí)現(xiàn)樣本三維成像要逐點(diǎn)掃描,成像速度慢,對樣本損害大,很難用于長時間活細(xì)胞成像。而寬場顯微鏡能夠很好地實(shí)現(xiàn)實(shí)時動態(tài)成像,光漂白小,因而較早應(yīng)用于活細(xì)胞內(nèi)的實(shí)時檢測，但寬場顯微鏡由于離焦信號的干擾,難以實(shí)現(xiàn)多維成像。Derrick想重點(diǎn)介紹一下較為常用的觀察設(shè)備——雙光子熒光顯微鏡（Two-PhotonLaser-ScanningMicroscopy）。雙光子顯微成像技術(shù)是近些年發(fā)展起來的結(jié)合了共聚焦激光掃描顯微鏡和雙光子激發(fā)技術(shù)的一種新型非線性光學(xué)成像方法,采用長波激發(fā)，能對組織進(jìn)行深層次成像。常用的比較好激發(fā)波長大多位于800-900nm，而水、血液和固有組織發(fā)色團(tuán)對這個波段的光吸收率低，此外散射的激發(fā)光子不能激發(fā)樣品，因此背景第，光損傷小，適用于在體檢測。雙光子熒光成像技術(shù)能準(zhǔn)確定位細(xì)胞內(nèi)置入的微電極位置，從而觀察胞體、樹突甚至單個樹突棘的活性。研究者可完整的觀察神經(jīng)組織的分辨熒光圖像,甚至可以分辨神經(jīng)細(xì)胞單個樹突棘中的鈣分布。專業(yè)的鈣成像顯微鏡使得鈣成像變的直接。合肥光遺傳鈣成像動物行為學(xué)

目前可用的指示劑較多，根據(jù)熒光光譜、與鈣離子親和力及其化學(xué)特性的不同大致分為化學(xué)性鈣離子指示劑和基因編碼鈣離子指示劑。前者指可特異性與鈣離子結(jié)合的小分子，常用的有fura-2、indo-1等；而后者主要指來源于綠色熒光蛋白GFP及其變異體的蛋白質(zhì)，可與鈣調(diào)蛋白和肌球蛋白輕鏈激酶M13域結(jié)合，常用的有GCaMP、TN-XXL等，其中GCaMP5G和GCaMP6被廣泛應(yīng)用于在體鈣成像研究中。生物熒光蛋白：Aequorin是水母熒光素（coelenterazine）通過硫酸酯鍵或過氧化鍵緊緊連到脫輔水母發(fā)光蛋白上形成的，遇到鈣離子就發(fā)出470nm藍(lán)光，可以作為鈣離子的檢測試劑；化學(xué)鈣離子指示劑：Fura-2可在紫外光下被jihuo且發(fā)射出505-520nm光；基于FRET的基因編碼的鈣指示劑；單個熒光基因編碼的鈣指示劑。南京光遺傳鈣成像nVoke長時間追蹤相同細(xì)胞，進(jìn)行可重復(fù)的科學(xué)研究對自由行為動物進(jìn)行慢性鈣成像研究。

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和生理現(xiàn)象耦合起來——通過熒光染料信號的改變反映細(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。該技術(shù)的出現(xiàn)使得科學(xué)家可以親眼目睹神經(jīng)信號在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)之中時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。

對于雙光子（2P）鈣成像而言，離焦和近表面熒光激發(fā)是兩個大的深度限制因素，而對于三光子成像這兩個問題大大減小，但是三光子成像由于熒光團(tuán)的吸收截面比2P要小得多，所以需要更高數(shù)量級的脈沖能量才能獲得與2P激發(fā)的相同強(qiáng)度的熒光信號。功能性三光子顯微鏡比結(jié)構(gòu)性三光子顯微鏡的要求更高，它需要更快速的掃描，以便及時采樣神經(jīng)元活動；需要更高的脈沖能量，以便在每個像素停留時間內(nèi)收集足夠的信號。復(fù)雜的行為通常涉及到大型的大腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)既具有局部的連接又具有遠(yuǎn)程的連接。要想將神經(jīng)元活動與行為聯(lián)系起來，需要同時監(jiān)控非常龐大且分布guangfan的神經(jīng)元的活動，大腦中的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)會在幾十毫秒內(nèi)處理傳入的刺激，要想了解這種快速的神經(jīng)元動力學(xué)，就需要MPM具備對神經(jīng)元進(jìn)行快速成像的能力?？焖費(fèi)PM方法可分為單束掃描技術(shù)和多束掃描技術(shù)雙光子熒光顯微鏡的發(fā)展，使在實(shí)驗(yàn)動物處于活動狀態(tài)下的鈣成像技術(shù)取得了飛速進(jìn)展。

Anderson研究團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室雄性小鼠對雌性和雄性的攀爬行為可以通過是否存在超聲發(fā)聲（USV）來區(qū)分。這些和更多的行為數(shù)據(jù)表明，大多數(shù)雄性主導(dǎo)的攀爬是攻擊性的，盡管在極少數(shù)情況下可能是性行為。研究人員調(diào)查了USV+和USV-攀爬是否使用相同或不同的下丘腦神經(jīng)基質(zhì)。通過使用Inscopix自由行為顯微鈣成像方法觀察內(nèi)側(cè)視前區(qū)（MPOA）或腹內(nèi)側(cè)下丘腦腹側(cè)細(xì)分（VMHvl）中雌jisu受體1(ESR1)陽性神經(jīng)元，發(fā)現(xiàn)在小鼠活動中可以解碼出在USV+和USV-攀爬過程中神經(jīng)元活動的獨(dú)特模式。交叉光遺傳刺激表達(dá)ESR1和囊狀GABA轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白（VGAT）的MPOA神經(jīng)元，可促進(jìn)USV+攀爬，并將雄性的定向攻擊轉(zhuǎn)換為USV攀爬。近年來出現(xiàn)了通過植入性的顯微鏡或透鏡進(jìn)行活動動物鈣成像的技術(shù)。浙江神經(jīng)元鈣成像nVoke2.0

功能性多神經(jīng)元鈣成像是一種通過記錄神經(jīng)元內(nèi)Ca2+信號變化,監(jiān)測大量神經(jīng)元動作電位的光學(xué)記錄技術(shù)。合肥光遺傳鈣成像動物行為學(xué)

鈣成像技術(shù)（calciumimaging）是指利用鈣離子指示劑監(jiān)測組織內(nèi)鈣離子濃度的方法。在神經(jīng)系統(tǒng)研究方面，在在體（invivo）或者離體（invitro）實(shí)驗(yàn)中，鈣成像技術(shù)被廣泛應(yīng)用于同時監(jiān)測成百上千個神經(jīng)元內(nèi)鈣離子的變化，從而檢測神經(jīng)元的活動情況）。有了鈣成像技術(shù)，原本悄無聲息的神經(jīng)活動就變成了一幅斑斕閃爍的壯觀影像，科學(xué)家終于可以親眼看著神經(jīng)信號在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)之中往來穿梭。因此，這種技術(shù)一出現(xiàn)，就受到了全世界神經(jīng)科學(xué)家們的追捧，至今依然是人們觀測神經(jīng)活動直接的手段。合肥光遺傳鈣成像動物行為學(xué)