深圳细胞钙离子钙成像

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。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。深圳细胞钙离子钙成像

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di1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，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。浙江细胞钙离子钙成像inscopix传统的钙成像技术受限于显微镜的视野，只能对很小的一片区域进行记录。

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。

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。钙成像技术在神经科学研究中的应用。

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。对钙离子的功能研究中，钙指示剂是必不可少的工具。北京超微显微钙成像

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。深圳细胞钙离子钙成像

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