钙成像动物行为学

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。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。钙成像动物行为学

多种钙离子指示剂和钙成像手段的存在使研究人员能够根据具体的实验需要进行选择。同样，选择合适的检测设备也是至关重要的。对于使用CCD/sCMOS相机的成像系统来说，有两个要求是很基本的：采集速度：根据不同的应用所需的相机帧速也不同，对于神经细胞来说，一般要求相机速度至少在10fps以上，有些高速应用场景可能需要几百甚至上千Hz的帧速。灵敏度：为了尽可能降低光漂白和其他副作用（特别是蓝光激发时），需要降低激发光强度。因此相机要在较宽的发射光波长范围上具有高灵敏度，才能检测到弱光条件下的信号，并适应不同的染料的光谱发射特性。在体钙成像grain lens细胞内钙成像技术是通过向细胞内载入钙指示剂。

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在体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降低(Wangetal.,2000)；观察在体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进行在体freelymoving动物钙成像的技术。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Inscopix显微镜成像。动物头部只需植入GRINlens，方便活动。

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diyi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，促使这个细胞分泌神经递质，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，*终形成了学习、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。通过钙成像技术检测活动动物记录神经元的活动。

钙离子在很多生理活动中都发挥着重要作用，除了在肌肉细胞收缩中扮演着重要角色，钙离子也是神经元活动的重要“风向标”之一：当神经元膜电位发生去极化，产生的动作电位传导到神经元轴突末梢时，细胞膜上的电压门控钙离子通道打开，大量钙离子内流，包含神经递质的囊泡由突触前膜释放至后膜，下游神经元就得以接受到上游的信号。因此，钙离子成像可以追踪神经元动作电位，从而帮助我们了解神经元集群的活动，可以用于感知觉，学习记忆，社会性行为等各种各样的研究中神经元钙成像的原理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。在体钙成像grain lens

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。钙成像动物行为学

在神经系统研究中，我们常使用钙指示剂表征钙离子浓度变化，以反映神经元的活动。常见的钙成像方法有双光子荧光成像和单光子荧光成像两种，其中后者是研究脑神经活动的常用方法。但与双光子成像相比，单光子成像更易受到来自神经元的高水平串扰，导致信噪比降低。不仅如此，采集活动信号时还易被来自近距离通过的轴突和树突的信号所污染，造成的非特异性信号，这些均严重影响对神经元活动反应的精细成像。因而，在单光子荧光成像的基础上，研究团队在细胞核中表达遗传编码的钙指示剂，从而消除神经纤维信号。但与经典的胞质钙成像相比，钙进入细胞核的要求降低了这种成像的时间精度。钙成像动物行为学

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