神经元钙成像动物行为学

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。钙成像显微镜由软件控制的电子对焦方式，让成像更加稳定清晰。神经元钙成像动物行为学

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。北京神经细胞钙成像nVoke钙成像技术一出现，就受到了全世界神经科学家们的追捧。

钙是机体的组成元素之一。钙离子作为电流载体维持细胞内外的电化学梯度，同时在细胞的生命活动中扮演着重要角色。作为第二信使，钙参与细胞周期、细胞代谢、细胞分化、坏死、凋亡等等许多重要的生理过程。细胞内的钙离子水平通常很低，一般胞浆中的自由钙约为100nM。胞内的钙可被各种亚细胞器所贮存，据文献报道：其中约50%位于细胞核，30%位于线粒体，14%位于内质网，5%位于胞膜上，1%位于胞质内，且因为钙离子易与磷酸和碳酸复合物形成不溶物，故游离钙只占[1]。细胞可以通过钙内流、内钙释放及膜系统上的降钙蛋白等一整套完整的监控系统来维持细胞内钙的内稳状态。例如与钙内流相关的通道例如电压门控性钙离子通道VDCC、受体活跃的通道RACC；与内钙释放相关的受体如内质网上的IP3受体；以及降钙相关的脂膜及线粒体上的主动运输的钙泵系统等等[2]。近20年来钙的荧光成像及测定技术发展迅速，出现了各种各样的钙荧光指示剂，结合不断发展的显微成像系统，我们可以对活细胞的钙离子进行测定及成像，进一步揭示其生理机制及相关疾病的发病机制。钙成像的荧光指示剂钙成像的荧光探针一般均为Ca2螯合剂EGTA，APTRA，BAPTA的衍生物，它们可以结合钙离子从而显示一个光谱响应。

一项由葡萄牙尚帕莫未知中心，牛津大学，哥伦比亚大学，荷兰鹿特丹伊拉斯谟大学，麻省理工学院，伦敦大学，德国MaxPlanck生物控制论研究所，德国图欧宾根大学多方合作的研究于2020年11月4日在Neuron上发表了题为TheAnteriorCingulateCortexPredictsFutureStatestoMediateModel-BasedActionSelection的文章，作者通过一个新的两步谜题任务了解基于模型的决策使用对行为具体后果的预测，在小鼠的一系列决策任务中使用Inscopix显微钙成像和光遗传学来证明前扣带皮层（ACC）预测了行动将导致的状态，而不仅*是预测它们是好是坏，并判断结果是否与这些预测相符。研究结果表明，ACC是基于模型的控制的关键节点，在预测所选操作的未来状态方面发挥着特定作用。对于钙离子成像来说，大多数情况下速度很重要。

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钙成像技术利用钙离子流的优势在活神经细胞上直接可视化钙信号。神经元钙成像动物行为学

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di1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，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。神经元钙成像动物行为学