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钙成像技术的基本原理及科学研究中的应用

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       钙成像技术是指利用钙离子指示剂监测组织内钙离子浓度的方法。在神经系统研究方面,在在体或者离体实验中,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,从而检测神经元的活动情况。
  一、钙成像技术的基本原理:
  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,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。
  二、钙成像技术在神经科学研究中的应用举例:
  不论采用哪一类钙离子指示剂,总体上成像记录过程是非常类似的。包含钙离子指示剂的细胞可以通过荧光显微镜观测,然后通过CCD摄像机捕捉、记录图像。
  1. 活体记录神经元的活动。由于离体实验本身的限制,现在越来越多的神经方面科学家倾向于做在体钙成像实验,希望能得到更准确且更能反应生理状况的数据。得益于双光子荧光显微镜的发展,现在在实验动物处于活体状态下的钙成像技术取得了飞速进展。
  2. 活体记录神经元树突和树突棘的活动。由于对于实验精度的要求,有些科学家不仅仅想记录单个神经元的反应,他们还想更确切地知道神经元上哪些树突和树突棘参与了某个行为,也就是说他们需要在活体条件下,对单根树突以及某些spine进行钙成像记录实验。由于双光子荧光显微镜和 GCaMP 6 基因编码钙离子指示剂的发展,现在,对树突和树突棘用钙成像实验进行记录也成为了可能。
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