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(Wangetal.,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(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。功能钙成像技术是将外源性荧光信号和生理现象耦合起来,通过荧光染料信号的改变反映细。哈尔滨荧光显微钙成像动物行为学
麻省理工学院和波士顿大学的研究人员近研究使用一种荧光探针,能够在大脑细胞处于电活动状态时点亮,可以立即对小鼠大脑中多个神经元的活动进行成像。麻省理工学院的脑科学和认知科学神经技术教授、兼生物工程学教授EdwardBoyden表示,只需要使用简单的光学显微镜,即可实现这项技术。神经科学家可以将大脑内电路的活动进行可视化,并将其与特定行为联系起来。“如果想研究一种行为或疾病,就需要对神经元群体的活动进行成像,让这些神经元群网络中协同工作。”Boyden说。哈尔滨荧光显微钙成像动物行为学钙成像系统在自由行为动物上对钙离子动态进行单细胞分辨率级别的持久成像。
现在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)
通过筛选天然与人工合成的融合体,在小鼠与斑马鱼幼虫身上成功得到以为靶点的致密神经回路报告,报告显示来自神经纤维的伪信号明显减少,信噪比增加,神经元之间的伪影相关性降低。这些结果均说明GCaMP6f和GCaMP7f的细胞体靶向变体(Soma-GCaMP6f,Soma-GCaMP7f)对提高单光子荧光成像技术的精细性起到着重要作用。这种胞体靶向突变体对提高神经信号标记的精细性是否具有组织特异性或物种特异性呢?研究团队针对这一问题,分别在小鼠不同脑区以及斑马鱼幼鱼的整胚转染和斑马鱼不同发育时期的信号采集等方面进行研究。通过钙成像技术发现当神经元活动的时候,胞内钙离子浓度能上升 10 - 100 倍。
霍华德休斯顿医学研究所(HHMI)ScottSternson课题组研究了影响这种源源不断的食欲的神经机制。他们通过使用Inscopix小显微镜观察小鼠脑干区域的神经元,发现贪念美食的小鼠可能是因为特殊的大脑区域对美食和奶茶比其他小鼠更加敏感。本能会驱使我们在感到饥饿和干渴的时候寻找食物,在找到食物或水时通过眼睛看、鼻子闻、嘴巴尝等方式来感受和决定要不要吃,吃到一定程度产生满足感(或是吃了还想吃的不满足感)。因此,要把大脑中汇集的关于吃喝的各类信号分清楚,并找出控制不同吃喝行为的神经环路无疑是很有挑战的任务。ScottSternson博士的研究团队在小鼠大脑中寻找饥饿和干渴神经环路共存的脑区。他们注意到,脑干的蓝斑区(locuscoeruleus)附近有一群谷氨酸能神经元(被称为periLC神经元),参与进食和饮水的行为,是饿和渴的汇聚点。为了研究这些神经细胞的功能,研究小组开发了一种技术,可以让小鼠在自由活动的同时,通过Inscopix自由活动钙成像显微镜观察记录脑干中periLC神经元的活动。这项研究的作者龚蓉博士表示,解决这个技术是此项研究的关键。钙离子成像可以追踪神经元动作电位。哈尔滨inscopix钙成像nVoke
钙离子是哺乳动物神经细胞内的重要信使。哈尔滨荧光显微钙成像动物行为学
转基因Ca2+指示剂:转基因技术和光遗传技术的飞速发展,催生了基因编码的Ca2+指示剂(GECIs)。它们不依赖于荧光染料,可以靶向特定的组织,如神经细胞、心肌细胞、T细胞等,并且可以避免荧光指示剂带来的的许多问题,是监测转基因动物体内钙离子的一个极好的工具。个基因编码的钙离子指示剂Cameleon早在1997年就发表了。它是利用与钙离子结合后发生结构变化,作为供体的CFP和作为受体的YFP之间产生FRET的原理。2000年,GCaMP诞生了。它是增强型绿色荧光蛋白(EGFP)和钙调蛋白(结合钙离子)、钙调蛋白结合肽M13组成的,结合钙离子后,钙调素-M13相互作用引起GFP空间结构变化,发出绿色荧光(图5)。GCaMP的问世有着**性的意义,它改变了我们观察神经元群体活动的方式,让科学家们可以在成千上万的细胞中,看到哪些神经元在放电,它们放电的模式和规律是怎样的,从而进一步探索各种内在的神经机制。哈尔滨荧光显微钙成像动物行为学