南京超微显微钙成像动物行为学

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。对钙离子的功能研究中，钙指示剂是必不可少的工具。南京超微显微钙成像动物行为学

钙离子通过参与多种细胞内信号传导途径来调控绝大多数类型神经元的功能。由于钙离子信号在已知的细胞器结构中发挥其特定的功能，钙离子成像显得尤为重要。在神经系统中，由于神经元的多样性，导致钙离子功能也多样化。在突触前膜，钙内流激发贮存神经递质的神经小泡向胞外释放；在突触后膜，树突棘内钙水平瞬间升高，介导了突触可塑性；在细胞核内，钙信号能够调控基因转录。现在常使用的钙离子指示剂有化学性钙离子指示剂（ChemicalIndicators）和基因编码钙离子指示剂（GeneticallyEncodedIndicators）两类。北京神经元钙成像联系方式钙成像技术被广泛应用于同时监测成百上千个神经元内钙离子的变化。

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。

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。钙成像技术发现钙离子产生各种各样的胞内信号。

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。（A）单细胞注射法；（B）networkloading法；（C）通过病毒转染使其基因编码钙离子指示剂（expressionofgeneticallyencodedcalciumindicators,GECI）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。北京荧光钙成像nVoke

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。南京超微显微钙成像动物行为学

解决钙离子信号和BOLD信号转换：功能核磁共振成像主要依赖于神经元兴奋后局部耗氧与血流振幅的不一致，通过测定血氧水平依赖性（BOLD）信号间接反映神经元活动。而钙成像技术则是直接通过钙离子浓度变化反映神经元活动。将这两种技术联用，需要考虑BOLD信号和钙离子浓度变化之间的转换。研究人员通过卷积函数比较好化的将钙离子信号转换为BOLD信号，实现这两者之间比较大的关联。研究人员利用钙离子指示剂工具小鼠发现在低频刺激下（0.009–0.08赫兹），小鼠皮层钙离子活动变化与BOLD信号的一致性比较好。此外，钙离子活动变化与BOLD功能连接的关联存在区域的依赖性：钙离子和BOLD连接强度相关性在桶状皮层与同侧半球内的脑区呈正相关关系（同步化），但与对侧半球内的脑区呈负相关。这种区域功能依赖性表明BOLD的连接来自于不同细胞群的协同神经活动。南京超微显微钙成像动物行为学