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案例展示

功能成像技术--钙成像

发布时间:2019-11-01

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一、神经元钙信号及钙成像技术基本原理


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。当一个细胞活跃时,产生了一个动作电位,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动作电位。神经信号如此一级一级地传递下去,从而构成复杂的神经网络体系,最终形成学习、记忆、情感等大脑的高级功能。在哺乳动物神经系统中,钙离子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。

 

二、利用钙成像技术记录大脑活动

 

随着功能光学成像技术的发展,神经学家们已经可以研究脑区和神经元内部的工作情况。功能钙成像技术就是其中之一,其主要原理是将外源性荧光信号和生理现象耦合起来——通过荧光染料信号的改变反映细胞内游离钙离子浓度,以此代表细胞的功能状态。目前它被广泛应用于实时监测一群相关神经元内钙离子的变化,从而判断其功能活动。该技术的出现使得科学家可以亲眼目睹神经信号在神经网络之中时间和空间上的传递穿梭。

 

三、神经元钙信号(Neuronal Calcium Signaling)


钙离子内流主要通过AMPA和NMDA谷氨酸受体、电压门控钙通道(VGCC)、烟碱型胆碱能受体(nAChR)和瞬时受体电位C型通道(TRPC);细胞内钙库的钙释放主要由IP3R和RyR介导;钙离子外流则由膜钙ATP酶(PMCA)、Na+-Ca2+质子泵(NCX)及萨尔科/内质网钙ATP酶(SERCA)介导;线粒体在维持神经元钙离子稳态中发挥重要作用。

 

四、钙离子指示剂(Calcium Indicators)


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。

 钙荧光指示剂显示神经活动

A 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;

 

B 化学钙离子指示剂:Fura-2可在紫外光下被激发且发射出505-520nm光;

 

C 基于FRET的基因编码的钙指示剂;

 

D 单个荧光基因编码的钙指示剂。

 

五、指示剂是如何负载细胞

 

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)network loading法;(C)通过病毒转染使其基因编码钙离子指示剂(expression of genetically encoded calcium indicators, GECI)

 

六、钙离子光学信号采集装置

 

(A和B)具有光电二级管阵的宽场显微镜;(C和D)激光扫描显微镜:C 共聚焦显微镜,D 双光子显微镜;(E和F)应用于无头部固定装置的行为动物的钙离子成像装置

 

单光子显微技术是最成熟的荧光显微技术,但由于其使用的激发光波长较短,成像深度有限;能量较大,会造成对荧光物质的漂白,光毒性严重。激光共焦扫描显微镜由于共焦显微镜的孔径很小, 实现样本三维成像要逐点扫描,成像速度慢,对样本损害大,很难用于长时间活细胞成像。而宽场显微镜能够很好地实现实时动态成像,光漂白小, 因而较早应用于活细胞内的实时检测,但宽场显微镜由于离焦信号的干扰,难以实现多维成像。

 

双光子荧光显微镜(Two-Photon Laser-Scanning Microscopy)。双光子显微成像技术是近些年发展起来的结合了共聚焦激光扫描显微镜和双光子激发技术的一种新型非线性光学成像方法,采用长波激发,能对组织进行深层次成像。常用的激发波长大多位于800-900nm,而水、血液和固有组织发色团对这个波段的光吸收率低,此外散射的激发光子不能激发样品,因此背景第,光损伤小,适用于在体检测。双光子荧光成像技术能准确定位细胞内置入的微电极位置,从而观察胞体、树突甚至单个树突棘的活性。研究者可完整的观察神经组织的高分辨率荧光图像, 甚至可以分辨神经细胞单个树突棘中的钙分布。

 

七、钙成像技术在神经科学研究中的应用


1、记录体外培养的神经元的活动

2、记录脑片上的神经元的活动

3、在体记录神经元树突和树突棘的活动

4、不同动物模型的环路分析

5、行为动物中的钙离子成像研究


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