光遺傳鈣成像nVoke

來源: 發(fā)布時(shí)間:2022-08-31

鈣離子通過參與多種細(xì)胞內(nèi)信號(hào)傳導(dǎo)途徑來調(diào)控絕大多數(shù)類型神經(jīng)元的功能。由于鈣離子信號(hào)在已知的細(xì)胞器結(jié)構(gòu)中發(fā)揮其特定的功能,鈣離子成像顯得尤為重要。在神經(jīng)系統(tǒng)中,由于神經(jīng)元的多樣性,導(dǎo)致鈣離子功能也多樣化。在突觸前膜,鈣內(nèi)流激發(fā)貯存神經(jīng)遞質(zhì)的神經(jīng)小泡向胞外釋放;在突觸后膜,樹突棘內(nèi)鈣水平瞬間升高,介導(dǎo)了突觸可塑性;在細(xì)胞核內(nèi),鈣信號(hào)能夠調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄?,F(xiàn)在常使用的鈣離子指示劑有化學(xué)性鈣離子指示劑(ChemicalIndicators)和基因編碼鈣離子指示劑(GeneticallyEncodedIndicators)兩類。功能鈣成像技術(shù)是將外源性熒光信號(hào)和生理現(xiàn)象耦合起來,通過熒光染料信號(hào)的改變反映細(xì)。光遺傳鈣成像nVoke

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包含鈣離子指示劑的細(xì)胞可以通過熒光顯微鏡(fluorescencemicroscope)觀測(cè),然后通過CCD攝像機(jī)捕捉、記錄圖像?,F(xiàn)在鈣成像技術(shù)主要在以下幾類神經(jīng)科學(xué)研究方面有廣泛應(yīng)用:1.記錄培養(yǎng)的神經(jīng)元的活動(dòng)。2.記錄腦片上神經(jīng)元的活動(dòng)。記錄神經(jīng)元的活動(dòng)。由于離體實(shí)驗(yàn)本身的限制,現(xiàn)在越來越多的神經(jīng)方面科學(xué)家傾向于做在體鈣成像實(shí)驗(yàn),希望能得到更準(zhǔn)確且更能反應(yīng)生理狀況的數(shù)據(jù)。得益于雙光子熒光顯微鏡的發(fā)展,現(xiàn)在在實(shí)驗(yàn)動(dòng)物處于huoti狀態(tài)下的鈣成像技術(shù)取得了飛速進(jìn)展。4.記錄神經(jīng)元樹突和樹突棘(spine)的活動(dòng)。由于對(duì)于實(shí)驗(yàn)精度的要求,有些科學(xué)家不僅只想記錄單個(gè)神經(jīng)元的反應(yīng),他們還想更確切地知道神經(jīng)元上哪些樹突和樹突棘參與了某個(gè)行為,也就是說他們需要在huoti條件下,對(duì)單根樹突以及某些spine進(jìn)行鈣成像記錄實(shí)驗(yàn)。由于雙光子熒光顯微鏡和GCaMP6基因編碼鈣離子指示劑的發(fā)展,現(xiàn)在,對(duì)樹突和樹突棘用鈣成像實(shí)驗(yàn)進(jìn)行記錄也成為了可能。光遺傳鈣成像nVoke鈣成像系統(tǒng)具有單細(xì)胞分辨率的大視野的特征。

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轉(zhuǎn)基因Ca2+指示劑:轉(zhuǎn)基因技術(shù)和光遺傳技術(shù)的飛速發(fā)展,催生了基因編碼的Ca2+指示劑(GECIs)。它們不依賴于熒光染料,可以靶向特定的組織,如神經(jīng)細(xì)胞、心肌細(xì)胞、T細(xì)胞等,并且可以避免熒光指示劑帶來的的許多問題,是監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)基因動(dòng)物體內(nèi)鈣離子的一個(gè)極好的工具。個(gè)基因編碼的鈣離子指示劑Cameleon早在1997年就發(fā)表了。它是利用與鈣離子結(jié)合后發(fā)生結(jié)構(gòu)變化,作為供體的CFP和作為受體的YFP之間產(chǎn)生FRET的原理。2000年,GCaMP誕生了。它是增強(qiáng)型綠色熒光蛋白(EGFP)和鈣調(diào)蛋白(結(jié)合鈣離子)、鈣調(diào)蛋白結(jié)合肽M13組成的,結(jié)合鈣離子后,鈣調(diào)素-M13相互作用引起GFP空間結(jié)構(gòu)變化,發(fā)出綠色熒光(圖5)。GCaMP的問世有著**性的意義,它改變了我們觀察神經(jīng)元群體活動(dòng)的方式,讓科學(xué)家們可以在成千上萬的細(xì)胞中,看到哪些神經(jīng)元在放電,它們放電的模式和規(guī)律是怎樣的,從而進(jìn)一步探索各種內(nèi)在的神經(jīng)機(jī)制。

利用鈣成像技術(shù)記錄大腦活動(dòng)。隨著功能光學(xué)成像技術(shù)的發(fā)展,神經(jīng)學(xué)家們已經(jīng)可以研究腦區(qū)和神經(jīng)元內(nèi)部的工作情況。功能鈣成像技術(shù)就是其中之一,其主要原理是將外源性熒光信號(hào)和生理現(xiàn)象耦合起來——通過熒光染料信號(hào)的改變反映細(xì)胞內(nèi)游離鈣離子濃度,以此daibiao細(xì)胞的功能狀態(tài)。目前它被廣泛應(yīng)用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)一群相關(guān)神經(jīng)元內(nèi)鈣離子的變化,從而判斷其功能活動(dòng)。該技術(shù)的出現(xiàn)使得科學(xué)家可以親眼目睹神經(jīng)信號(hào)在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)之中時(shí)間和空間上的傳遞穿梭。鈣成像系統(tǒng)支持聯(lián)網(wǎng),基于網(wǎng)絡(luò)的軟件可讓您隨時(shí)隨地監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。

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Anderson研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室雄性小鼠對(duì)雌性和雄性的攀爬行為可以通過是否存在超聲發(fā)聲(USV)來區(qū)分。這些和更多的行為數(shù)據(jù)表明,大多數(shù)雄性主導(dǎo)的攀爬是攻擊性的,盡管在極少數(shù)情況下可能是性行為。研究人員調(diào)查了USV+和USV-攀爬是否使用相同或不同的下丘腦神經(jīng)基質(zhì)。通過使用Inscopix自由行為顯微鈣成像方法觀察內(nèi)側(cè)視前區(qū)(MPOA)或腹內(nèi)側(cè)下丘腦腹側(cè)細(xì)分(VMHvl)中雌ji su受體1(ESR1)陽性神經(jīng)元,發(fā)現(xiàn)在小鼠活動(dòng)中可以解碼出在USV+和USV-攀爬過程中神經(jīng)元活動(dòng)的獨(dú)特模式。交叉光遺傳刺激表達(dá)ESR1和囊狀GABA轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(VGAT)的MPOA神經(jīng)元,可 促進(jìn)USV+攀爬,并將雄性的定向攻擊轉(zhuǎn)換為USV攀爬。細(xì)胞內(nèi)鈣成像技術(shù)是通過向細(xì)胞內(nèi)載入鈣指示劑。南京鈣成像生產(chǎn)廠家

小鼠頭戴式微型顯微鏡為后續(xù)清醒動(dòng)物腦功能鈣成像研究提供了一套可靠的顯微成像系統(tǒng)。光遺傳鈣成像nVoke

可見光激發(fā)Ca2+熒光探針:與紫外光激發(fā)探針相比,可見光激發(fā)Ca2+探針具有更強(qiáng)的染料吸收性能,對(duì)Ca2+變化水平檢測(cè)敏感度也更高,能夠降低對(duì)活細(xì)胞的光毒性和樣品自發(fā)熒光以及光散射的干擾,且無光譜偏移。較常使用的可見光激發(fā)Ca2+熒光探針有Fluo-3,F(xiàn)luo-4,Rhod-2等,同時(shí)他們也都是非比率型指示劑。Fluo-3是較常用的可見光激發(fā)Ca2+熒光指示劑之一,是典型的的單波長(zhǎng)指示劑,比較大激發(fā)波長(zhǎng)為506nm,比較大發(fā)射波長(zhǎng)為526nm。它與Ca2+結(jié)合之前幾乎無熒光,結(jié)合后熒光會(huì)增加60至100倍,從而避免了細(xì)胞自身的熒光干擾。實(shí)際檢測(cè)時(shí)推薦使用的激發(fā)波長(zhǎng)為488nm左右,發(fā)射波長(zhǎng)為525~530nm(圖3)。Fluo-3可以用在激光共聚焦顯微成像或流式細(xì)胞儀中。它還有一個(gè)升級(jí)版本Fluo-4,在相同Ca2+濃度下信號(hào)更強(qiáng)。光遺傳鈣成像nVoke

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