合肥荧光钙成像动物行为学

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。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。合肥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。合肥荧光钙成像动物行为学功能钙成像技术是将外源性荧光信号和生理现象耦合起来，通过荧光染料信号的改变反映细。

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。

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。近年来出现了通过植入性的显微镜或透镜进行活动动物钙成像的技术。

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。钙离子是哺乳动物神经细胞内的重要信使。北京荧光显微钙成像代理

钙成像技术一出现，就受到了全世界神经科学家们的追捧。合肥荧光钙成像动物行为学

霍华德休斯顿医学研究所（HHMI）ScottSternson课题组研究了影响这种源源不断的食欲的神经机制。他们通过使用Inscopix小显微镜观察小鼠脑干区域的神经元，发现贪念美食的小鼠可能是因为特殊的大脑区域对美食和奶茶比其他小鼠更加敏感。本能会驱使我们在感到饥饿和干渴的时候寻找食物，在找到食物或水时通过眼睛看、鼻子闻、嘴巴尝等方式来感受和决定要不要吃，吃到一定程度产生满足感（或是吃了还想吃的不满足感）。因此，要把大脑中汇集的关于吃喝的各类信号分清楚，并找出控制不同吃喝行为的神经环路无疑是很有挑战的任务。ScottSternson博士的研究团队在小鼠大脑中寻找饥饿和干渴神经环路共存的脑区。他们注意到，脑干的蓝斑区（locuscoeruleus）附近有一群谷氨酸能神经元（被称为periLC神经元），参与进食和饮水的行为，是饿和渴的汇聚点。为了研究这些神经细胞的功能，研究小组开发了一种技术，可以让小鼠在自由活动的同时，通过Inscopix自由活动钙成像显微镜观察记录脑干中periLC神经元的活动。这项研究的作者龚蓉博士表示，解决这个技术是此项研究的关键。合肥荧光钙成像动物行为学