重庆荧光钙成像动物行为学

Anderson研究团队发现实验室雄性小鼠对雌性和雄性的攀爬行为可以通过是否存在超声发声（USV）来区分。这些和更多的行为数据表明，大多数雄性主导的攀爬是攻击性的，尽管在极少数情况下可能是性行为。研究人员调查了USV+和USV-攀爬是否使用相同或不同的下丘脑神经基质。通过使用Inscopix自由行为显微钙成像方法观察内侧视前区（MPOA）或腹内侧下丘脑腹侧细分（VMHvl）中雌jisu受体1(ESR1)阳性神经元，发现在小鼠活动中可以解码出在USV+和USV-攀爬过程中神经元活动的独特模式。交叉光遗传刺激表达ESR1和囊状GABA转运蛋白（VGAT）的MPOA神经元，可促进USV+攀爬，并将雄性的定向攻击转换为USV攀爬。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。重庆荧光钙成像动物行为学

钙离子成像技术（Calciumimaging）是指利用钙离子指示剂监测组织内钙离子浓度的方法，常用于神经系统的研究，指示神经元内钙离子的变化，提示神经元活动。其原理在于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，<spanlang=EN-US>Calciumindicator），将神经元中钙离子的浓度通过荧光强度表现出来，并被显微镜捕捉，从而达到监测神经元活动的目的。钙离子在神经元功能中起着重要的作用：它们作为细胞内的信号可触发响应，如改变基因表达和突触囊泡中神经递质的释放。由于细胞内有离子泵在各种信号刺激下选择性地运输这些离子，胞内钙浓度是高度动态的。钙成像利用钙离子流的优势，在活神经细胞上直接可视化钙信号。在体钙成像grain lens钙成像技术（calcium imaging）是指利用钙离子指示剂监测组织内钙离子浓度的方法。

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。

包含钙离子指示剂的细胞可以通过荧光显微镜(fluorescencemicroscope)观测，然后通过CCD摄像机捕捉、记录图像。现在钙成像技术主要在以下几类神经科学研究方面有广泛应用：1.记录培养的神经元的活动。2.记录脑片上神经元的活动。记录神经元的活动。由于离体实验本身的限制，现在越来越多的神经方面科学家倾向于做在体钙成像实验，希望能得到更准确且更能反应生理状况的数据。得益于双光子荧光显微镜的发展，现在在实验动物处于huoti状态下的钙成像技术取得了飞速进展。4.记录神经元树突和树突棘（spine）的活动。由于对于实验精度的要求，有些科学家不仅只想记录单个神经元的反应，他们还想更确切地知道神经元上哪些树突和树突棘参与了某个行为，也就是说他们需要在huoti条件下，对单根树突以及某些spine进行钙成像记录实验。由于双光子荧光显微镜和GCaMP6基因编码钙离子指示剂的发展，现在，对树突和树突棘用钙成像实验进行记录也成为了可能。钙离子成像可以用于感知觉，学习记忆，社会性行为等各种各样的研究中。

指示剂是如何负载细胞，目前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，但明显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。钙成像技术发现钙离子产生各种各样的胞内信号。美国inscopix钙成像nVista

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。重庆荧光钙成像动物行为学

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。重庆荧光钙成像动物行为学