合肥熒光鈣成像動(dòng)物行為學(xué)

利用鈣成像技術(shù)記錄大腦活動(dòng)，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。鈣信號(hào)在神經(jīng)元功能調(diào)控及信息傳遞方面發(fā)揮著重要作用。合肥熒光鈣成像動(dòng)物行為學(xué)

包含鈣離子指示劑的細(xì)胞可以通過(guò)熒光顯微鏡(fluorescencemicroscope)觀測(cè)，然后通過(guò)CCD攝像機(jī)捕捉、記錄圖像?，F(xiàn)在鈣成像技術(shù)主要在以下幾類(lèi)神經(jīng)科學(xué)研究方面有廣泛應(yīng)用：1.記錄培養(yǎng)的神經(jīng)元的活動(dòng)。2.記錄腦片上神經(jīng)元的活動(dòng)。記錄神經(jīng)元的活動(dòng)。由于離體實(shí)驗(yàn)本身的限制，現(xiàn)在越來(lái)越多的神經(jīng)方面科學(xué)家傾向于做在體鈣成像實(shí)驗(yàn)，希望能得到更準(zhǔn)確且更能反應(yīng)生理狀況的數(shù)據(jù)。得益于雙光子熒光顯微鏡的發(fā)展，現(xiàn)在在實(shí)驗(yàn)動(dòng)物處于huoti狀態(tài)下的鈣成像技術(shù)取得了飛速進(jìn)展。4.記錄神經(jīng)元樹(shù)突和樹(shù)突棘（spine）的活動(dòng)。由于對(duì)于實(shí)驗(yàn)精度的要求，有些科學(xué)家不僅只想記錄單個(gè)神經(jīng)元的反應(yīng)，他們還想更確切地知道神經(jīng)元上哪些樹(shù)突和樹(shù)突棘參與了某個(gè)行為，也就是說(shuō)他們需要在huoti條件下，對(duì)單根樹(shù)突以及某些spine進(jìn)行鈣成像記錄實(shí)驗(yàn)。由于雙光子熒光顯微鏡和GCaMP6基因編碼鈣離子指示劑的發(fā)展，現(xiàn)在，對(duì)樹(shù)突和樹(shù)突棘用鈣成像實(shí)驗(yàn)進(jìn)行記錄也成為了可能。浙江神經(jīng)細(xì)胞鈣成像inscopix鈣成像系統(tǒng)在自由行為動(dòng)物上對(duì)鈣離子動(dòng)態(tài)進(jìn)行單細(xì)胞分辨率級(jí)別的持久成像。

鈣離子在很多生理性的活動(dòng)中都發(fā)揮著重要作用，除了在肌肉細(xì)胞收縮中扮演著重要角色，鈣離子也是神經(jīng)元活動(dòng)的重要“風(fēng)向標(biāo)”之一：當(dāng)神經(jīng)元膜電位發(fā)生去極化，產(chǎn)生的動(dòng)作電位傳導(dǎo)到神經(jīng)元軸突末梢時(shí)，細(xì)胞膜上的電壓門(mén)控鈣離子通道打開(kāi)，大量鈣離子內(nèi)流，包含神經(jīng)遞質(zhì)的囊泡由突觸前膜釋放至后膜，下游神經(jīng)元就得以接受到上游的信號(hào)。因此，鈣離子成像可以追蹤神經(jīng)元?jiǎng)幼麟娢唬瑥亩鴰椭覀兞私馍窠?jīng)元集群的活動(dòng)，可以用于感知覺(jué)，學(xué)習(xí)記憶，社會(huì)性行為等各種各樣的研究中。

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)行活動(dòng)動(dòng)物成像的時(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yizhi(Wangetal.,2000)；觀察活動(dòng)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。鈣信號(hào)在大腦皮層中更能反映神經(jīng)元的活性,因此神經(jīng)元鈣信號(hào)的檢測(cè)對(duì)研究大腦皮層功能至關(guān)重要。

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。功能鈣成像技術(shù)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)。浙江神經(jīng)元鈣成像生產(chǎn)廠家

現(xiàn)在鈣成像技術(shù)使用的鈣離子指示劑主要有化學(xué)性鈣離子指示劑和基因編碼鈣離子指示劑。合肥熒光鈣成像動(dòng)物行為學(xué)

可見(jiàn)光激發(fā)Ca2+熒光探針：與紫外光激發(fā)探針相比，可見(jiàn)光激發(fā)Ca2+探針具有更強(qiáng)的染料吸收性能，對(duì)Ca2+變化水平檢測(cè)敏感度也更高，能夠降低對(duì)活細(xì)胞的光毒性和樣品自發(fā)熒光以及光散射的干擾，且無(wú)光譜偏移。較常使用的可見(jiàn)光激發(fā)Ca2+熒光探針有Fluo-3，F(xiàn)luo-4，Rhod-2等，同時(shí)他們也都是非比率型指示劑。Fluo-3是較常用的可見(jiàn)光激發(fā)Ca2+熒光指示劑之一，是典型的的單波長(zhǎng)指示劑，比較大激發(fā)波長(zhǎng)為506nm，比較大發(fā)射波長(zhǎng)為526nm。它與Ca2+結(jié)合之前幾乎無(wú)熒光，結(jié)合后熒光會(huì)增加60至100倍，從而避免了細(xì)胞自身的熒光干擾。實(shí)際檢測(cè)時(shí)推薦使用的激發(fā)波長(zhǎng)為488nm左右，發(fā)射波長(zhǎng)為525～530nm（圖3）。Fluo-3可以用在激光共聚焦顯微成像或流式細(xì)胞儀中。它還有一個(gè)升級(jí)版本Fluo-4，在相同Ca2+濃度下信號(hào)更強(qiáng)。合肥熒光鈣成像動(dòng)物行為學(xué)