合肥神经元钙成像

钙离子通过参与多种细胞内信号传导途径来调控绝大多数类型神经元的功能。由于钙离子信号在已知的细胞器结构中发挥其特定的功能，钙离子成像显得尤为重要。在神经系统中，由于神经元的多样性，导致钙离子功能也多样化。在突触前膜，钙内流激发贮存神经递质的神经小泡向胞外释放；在突触后膜，树突棘内钙水平瞬间升高，介导了突触可塑性；在细胞核内，钙信号能够调控基因转录。现在常使用的钙离子指示剂有化学性钙离子指示剂（ChemicalIndicators）和基因编码钙离子指示剂（GeneticallyEncodedIndicators）两类。利用钙离子指示剂检测组织或细胞内钙离子浓度，进而反应组织或细胞内某些活动或反应。合肥神经元钙成像

钙离子成像系统：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控制(Wangetal.,2000)；观察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freelymoving动物钙成像的技术。如图6中所示的光纤成像法：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，然后通过相机成像。动物头部只需植入GRINlens，方便活动，而且可以同时植入多个lens来观察不同的脑区之间的联系和相互作用。不过这种成像方法的视野较小，分辨率也比较差。神经细胞钙成像动物行为学钙离子能产生许多控制细胞功能的胞内信号，如突触囊泡中神经递质的释放等。

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，较终形成学习、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。

解决钙成像装置对核磁成像的干扰：考虑到金属对核磁成像的影响，研究人员在核磁共振成像的模块上装上了钙成像模块，该成像模块所有的金属元件全部被更换为非导电塑料。考虑到磁场对光纤记录系统的干扰，减少钙信号的噪音，将相干光纤激光器与核磁共振放置相邻不同的房间。解决钙成像和核磁成像区域的一致性：在成像过程中，以皮层区域的血管分布为参照物，以保证钙成像和核磁成像的区域基本保持一致。但在实际成像中，钙离子变化和血氧水平依赖性信号所响应的区域并不是完全重合。因此研究人员将响应区域内的信号变化幅度进行均一化，尽量避免因统计阈值引起差异。想要同时观察轴突和树突的钙离子信号，大视野是很重要的。

在生物有机体，钙离子产生各种各样的胞内信号，这些胞内信号几乎在每种类型的细胞中都存在，且在很多功能方面有重要作用，例如对心肌细胞收缩的控制和从细胞增殖到细胞死亡整个细胞周期的调节等。在哺乳动物的神经系统中，钙离子是一类重要的神经元胞内信号分子。在静息状态下，大部分神经元的胞内钙离子浓度为50-100nM，而当神经元活动的时候，胞内钙离子浓度能上升10-100倍，增加的钙离子对于包含有神经递质的突触囊泡的胞吐释放过程必不可少。也就是说神经元的活动与其内部的钙离子浓度密切相关，神经元在放电的时候会爆发出一个短暂的钙离子浓度高峰。神经元钙成像（calciumimaging）技术的原理就是借助钙离子浓度与神经元活动之间的严格对应关系，利用特殊的荧光染料或者蛋白质荧光探针(钙离子指示剂，calciumindicator)，将神经元当中的钙离子浓度通过荧光强度表现出来，从而达到检测神经元活动的目的。可以对深部脑区、皮层区域等大部分脑区进行钙成像使用钙离子指示蛋白。合肥神经元钙成像

钙成像技术一出现，就受到了全世界神经科学家们的追捧。合肥神经元钙成像

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。合肥神经元钙成像