寧波熒光顯微鈣成像nVoke2.0

JaneliaResearchCampus霍華德休斯頓醫(yī)學(xué)研究所（HHMI）ScottSternson課題組研究了影響這種源源不斷的食欲的神經(jīng)機(jī)制。他們通過使用Inscopix小顯微鏡觀察小鼠腦干區(qū)域的神經(jīng)元，發(fā)現(xiàn)貪念美食的小鼠可能是因?yàn)樘厥獾拇竽X區(qū)域?qū)γ朗澈湍滩璞绕渌∈蟾用舾?。本能?huì)驅(qū)使我們?cè)诟械金囸I和干渴的時(shí)候?qū)ふ沂澄?，在找到食物或水時(shí)通過眼睛看、鼻子聞、嘴巴嘗等方式來(lái)感受和決定要不要吃，吃到一定程度產(chǎn)生滿足感（或是吃了還想吃的不滿足感）。因此，要把大腦中匯集的關(guān)于吃喝的各類信號(hào)分清楚，并找出控制不同吃喝行為的神經(jīng)環(huán)路無(wú)疑是很有挑戰(zhàn)的任務(wù)。ScottSternson博士的研究團(tuán)隊(duì)在小鼠大腦中尋找饑餓和干渴神經(jīng)環(huán)路共存的腦區(qū)。他們注意到，腦干的藍(lán)斑區(qū)（locuscoeruleus）附近有一群谷氨酸能神經(jīng)元（被稱為periLC神經(jīng)元），參與進(jìn)食和飲水的行為，是餓和渴的匯聚點(diǎn)。為了研究這些神經(jīng)細(xì)胞的功能，研究小組開發(fā)了一種技術(shù)，可以讓小鼠在自由活動(dòng)的同時(shí)，通過Inscopix自由活動(dòng)鈣成像顯微鏡觀察記錄腦干中periLC神經(jīng)元的活動(dòng)。這項(xiàng)研究的作者龔蓉博士表示，解決這個(gè)技術(shù)是此項(xiàng)研究的關(guān)鍵。鈣成像技術(shù)的不斷進(jìn)步，使得人們對(duì)神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域有了進(jìn)一步的拓展。寧波熒光顯微鈣成像nVoke2.0

鈣成像技術(shù)（calciumimaging）是指利用鈣離子指示劑監(jiān)測(cè)組織內(nèi)鈣離子濃度的方法。在神經(jīng)系統(tǒng)研究方面，在在體（invivo）或者離體（invitro）實(shí)驗(yàn)中，鈣成像技術(shù)被廣泛應(yīng)用于同時(shí)監(jiān)測(cè)成百上千個(gè)神經(jīng)元內(nèi)鈣離子的變化，從而檢測(cè)神經(jīng)元的活動(dòng)情況）。有了鈣成像技術(shù)，原本悄無(wú)聲息的神經(jīng)活動(dòng)就變成了一幅斑斕閃爍的壯觀影像，科學(xué)家終于可以親眼看著神經(jīng)信號(hào)在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)之中往來(lái)穿梭。因此，這種技術(shù)一出現(xiàn)，就受到了全世界神經(jīng)科學(xué)家們的追捧，至今依然是人們觀測(cè)神經(jīng)活動(dòng)直接的手段。西安熒光顯微鈣成像動(dòng)物行為學(xué)用標(biāo)準(zhǔn)行為測(cè)定法進(jìn)行成像和行為實(shí)驗(yàn)的時(shí)間同步可進(jìn)行深部腦區(qū)鈣成像。

通過篩選天然與人工合成的融合體，在小鼠與斑馬魚幼蟲身上成功得到以為靶點(diǎn)的致密神經(jīng)回路報(bào)告，報(bào)告顯示來(lái)自神經(jīng)纖維的偽信號(hào)明顯減少，信噪比增加，神經(jīng)元之間的偽影相關(guān)性降低。這些結(jié)果均說明GCaMP6f和GCaMP7f的細(xì)胞體靶向變體（Soma-GCaMP6f，Soma-GCaMP7f）對(duì)提高單光子熒光成像技術(shù)的精細(xì)性起到著重要作用。這種胞體靶向突變體對(duì)提高神經(jīng)信號(hào)標(biāo)記的精細(xì)性是否具有組織特異性或物種特異性呢？研究團(tuán)隊(duì)針對(duì)這一問題，分別在小鼠不同腦區(qū)以及斑馬魚幼魚的整胚轉(zhuǎn)染和斑馬魚不同發(fā)育時(shí)期的信號(hào)采集等方面進(jìn)行研究。

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(wú)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(wú)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)。鈣成像系統(tǒng)集成自動(dòng)控制和精確計(jì)時(shí)的多模式輸入端口。

解決鈣離子信號(hào)和BOLD信號(hào)轉(zhuǎn)換：功能核磁共振成像主要依賴于神經(jīng)元興奮后局部耗氧與血流振幅的不一致，通過測(cè)定血氧水平依賴性（BOLD）信號(hào)間接反映神經(jīng)元活動(dòng)。而鈣成像技術(shù)則是直接通過鈣離子濃度變化反映神經(jīng)元活動(dòng)。將這兩種技術(shù)聯(lián)用，需要考慮BOLD信號(hào)和鈣離子濃度變化之間的轉(zhuǎn)換。研究人員通過卷積函數(shù)比較好化的將鈣離子信號(hào)轉(zhuǎn)換為BOLD信號(hào)，實(shí)現(xiàn)這兩者之間比較大的關(guān)聯(lián)。研究人員利用鈣離子指示劑工具小鼠發(fā)現(xiàn)在低頻刺激下（0.009–0.08赫茲），小鼠皮層鈣離子活動(dòng)變化與BOLD信號(hào)的一致性比較好。此外，鈣離子活動(dòng)變化與BOLD功能連接的關(guān)聯(lián)存在區(qū)域的依賴性：鈣離子和BOLD連接強(qiáng)度相關(guān)性在桶狀皮層與同側(cè)半球內(nèi)的腦區(qū)呈正相關(guān)關(guān)系（同步化），但與對(duì)側(cè)半球內(nèi)的腦區(qū)呈負(fù)相關(guān)。這種區(qū)域功能依賴性表明BOLD的連接來(lái)自于不同細(xì)胞群的協(xié)同神經(jīng)活動(dòng)。鈣是模型動(dòng)物神經(jīng)細(xì)胞內(nèi)重要的第二信使,參與細(xì)胞多種功能的調(diào)節(jié),可以產(chǎn)生多種細(xì)胞內(nèi)信號(hào)。西安熒光顯微鈣成像動(dòng)物行為學(xué)

鈣離子能產(chǎn)生許多控制細(xì)胞功能的胞內(nèi)信號(hào)，如突觸囊泡中神經(jīng)遞質(zhì)的釋放等。寧波熒光顯微鈣成像nVoke2.0

鈣成像的熒光指示劑鈣成像的熒光探針一般均為Ca2螯合劑EGTA，APTRA，BAPTA的衍生物，它們可以結(jié)合鈣離子從而顯示一個(gè)光譜響應(yīng)，使研究者可以用熒光顯微鏡來(lái)觀察細(xì)胞內(nèi)的自由鈣的濃度。熒光顯微鏡可以使用普通的倒置熒光顯微鏡來(lái)進(jìn)行鈣信號(hào)的測(cè)定和成像。并可結(jié)合電生理設(shè)備、活細(xì)胞培養(yǎng)裝置等，適用于大強(qiáng)度、廣范圍的鈣信號(hào)測(cè)定。共聚焦顯微系統(tǒng)，共聚焦以激光為光源，且可配備氬離子光源，可以選擇可見光激發(fā)的鈣指示劑，進(jìn)行層掃，相比普通熒光顯微鏡有更好的空間分辨率。并且共聚焦除了配備大視野掃描鏡更可配置共振掃描振鏡，以滿足更高速成像應(yīng)用的需求。雙光子顯微系統(tǒng)使用長(zhǎng)波長(zhǎng)來(lái)激發(fā)熒光指示劑，具有較低的細(xì)胞毒性，也可適用于紫外激發(fā)的鈣指示劑，且可獲得和單光子共聚焦系統(tǒng)類似的空間分辨率。小結(jié)綜上可見，在研究鈣信號(hào)時(shí)，可結(jié)合樣品自身特點(diǎn)來(lái)選擇相應(yīng)的鈣指示劑，并考慮既有的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，來(lái)確定具體的實(shí)驗(yàn)方案。同時(shí)還需進(jìn)一步摸索實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的校正、控制等多種影響因素，可獲得可靠的圖像及熒光定量數(shù)據(jù)。寧波熒光顯微鈣成像nVoke2.0