宁波在体钙成像动物行为学

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。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。宁波在体钙成像动物行为学

哺乳动物进入睡眠后神经元活动发生了戏剧性的变化，觉醒的神经元活动被认为会增加睡眠需求。其他脑细胞(胶质细胞)在自然睡眠-觉醒周期中的变化以及它们在睡眠调节中的作用相对来说还没有被研究过。华盛顿州立大学ElsonS.Floyd医学院生物医学系的MarcosG.Frank研究团队于2020年9月24日在CurrentBiology上发表论文“ARoleforAstroglialCalciuminMammalianSleepandSleepRegulation”，通过使用滔博生物-Inscopix自由活动钙成像显微镜发现额叶皮层的星形胶质细胞钙浓度随睡眠和清醒而变化，会在睡眠剥夺后改变，并调节睡眠需求。上海神经细胞钙成像大概费用钙信号发挥着高度特异性的功能。

紫外光激发Ca2+荧光探针Fura-2和Indo-1都是紫外光激发的双波长Ca2+荧光指示剂，也是目前较常用的比率型钙离子荧光探针。与其他代的荧光指示剂相比，它们的荧光信号更强，对Ca2+的选择性也更强。比率指示剂会在与Ca2+结合后会改变吸收/发射特性。以双波长激发指示剂Fura-2为例。如图2所示，低Ca2+浓度下，Fura-2在~380nm处激发，高Ca2+浓度下，在~340nm处激发。光谱由两个峰组成：左侧较短波长的吸收峰随Ca2+浓度的增加而增大，右侧较长波长的吸收峰随Ca2+浓度的增加而减小。通过340/380nm交替激发，获取在510nm处对应的发射光荧光强度的比率，就可以对Ca2+浓度进行定量的测量。因为Fura-2结果准确，且不易被漂白，所以得到了普遍使用。

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。还有直接植入动物大脑的微型荧光显微镜，将GRINlens直接植入皮层下的海马，下丘脑，丘脑等区域，可以监测深部脑区的神经元活动。这种微型显微镜的重量只有几克，不会影响动物自由活动，可以提供800μm600μm视野和1.50μm横向分辨率。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。

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。双光子荧光显微镜的发展，使在实验动物处于活动状态下的钙成像技术取得了飞速进展。宁波在体钙成像动物行为学

有了钙成像技术，原本悄无声息的神经活动就变成了一幅斑斓闪烁的壮观影像。宁波在体钙成像动物行为学

目前可用的指示剂较多，根据荧光光谱、与钙离子亲和力及其化学特性的不同大致分为化学性钙离子指示剂和基因编码钙离子指示剂。前者指可特异性与钙离子结合的小分子，常用的有fura-2、indo-1等；而后者主要指来源于绿色荧光蛋白GFP及其变异体的蛋白质，可与钙调蛋白和肌球蛋白轻链激酶M13域结合，常用的有GCaMP、TN-XXL等，其中GCaMP5G和GCaMP6被广泛应用于在体钙成像研究中。生物荧光蛋白：Aequorin是水母荧光素（coelenterazine）通过硫酸酯键或过氧化键紧紧连到脱辅水母发光蛋白上形成的，遇到钙离子就发出470nm蓝光，可以作为钙离子的检测试剂；化学钙离子指示剂：Fura-2可在紫外光下被jihuo且发射出505-520nm光；基于FRET的基因编码的钙指示剂；单个荧光基因编码的钙指示剂。宁波在体钙成像动物行为学