查看原文
其他

【技术牛】钙成像技术在神经科学研究中的应用

Athos a小博 2019-06-30

钙成像技术(calcium imaging)利用钙离子指示剂表征组织内钙离子浓度,广泛应用于神经环路功能研究。在神经系统中,钙离子是重要信号分子。静息状态下,神经元胞内钙离子浓度为50-100 nM;而当神经元激发时,胞内钙离子浓度上升10-100倍,以完成突触递质、调质的释放。因此,神经元的激活水平与其内部的钙离子浓度呈正相关。钙成像技术利用特殊的荧光染料或探针将神经元中的钙离子浓度通过荧光强度表现出来,进而监测神经元活动水平。

图片来源:slideserve

目前广泛应用的钙离子指示剂分为化学钙离子指示剂与基因编码钙离子指示剂两大类:

1

化学性钙离子指示剂是可螯合钙离子的小分子,这些小分子基于BAPTA特异性螯合钙离子。现在使用广泛的化学性钙离子指示剂有:Oregon Green-1、Fura-2、Indo-1、Fluo-3、Fluo-4等等。

图片来源:Advansys

2


基因编码钙离子指示剂是荧光蛋白,来源于绿色荧光蛋白及其变异体,它们与钙调蛋白和肌球蛋白轻链激酶M13域融合。现在使用广泛的基因编码钙离子指示剂有:GCaMP、Pericams、 Cameleons、TN-XXL和Twitch等等,其中GCaMP6应用最广。

图片来源:Labrigger

钙信号记录系统主要有以下三种:光纤钙成像记录,内窥镜记录和双光子钙成像记录,难度依次增大,分辨率依次升高。光纤成像技术具有细胞特异性,可探究深部脑区钙信号变化,但钙信号呈现的是一个细胞群体的机体活性变化,无法精确到单细胞水平。

内窥镜技术也可记录深部脑区钙信号,且分辨率可达到单细胞水平记录。但内窥镜成本较高,而且部分脑区分辨率不足。

图片来源:Stuberlab

双光子成像技术可以精确到细胞水平,但现阶段只能应用于皮层与亚皮层结构,受限于双光子显微镜系统的有效工作距离,成像体系难度较高。

图片来源:Wikipedia

钙成像技术发展至今,已经成为现代神经科学研究神经元活动水平的常规方法。它即可研究基础医学,也可用于临床医学研究。目前钙成像技术已经不亚于电生理技术以及光遗传技术,其广泛应用于神经科学、药理学、细胞生物学等多种领域研究。

图片来源:Researchgate

下面,我们介绍一些膜片钳技术在当今神经科学领域的应用实例。

在2016年DayuLin研究组发表于《Nature Neuroscience》的工作中,他们使用光纤该信号记录方式,探究小鼠在发出攻击指令时其腹内侧下丘脑神经活性的变化[1]。

图片来源:Nature Neuroscience

在2017年RüdigerKlein研究组发表于《Nature Neuroscience》的工作中,他们使用内窥镜技术,单细胞水平观察到CeA脑区神经活性在小鼠进食时的变化[2]。

图片来源:Nature Neuroscience

在2018年MarleneBartos研究组发表于《Nature》的工作中,他们使用双光子钙成像技术,单细胞水平观察到海马CA1、DG、CA3亚区神经活性在小鼠学习记忆过程中的变化[3]。

图片来源:Nature

结语:

钙成像技术自建立以来,发展迅猛,对细胞生物学及神经生物学研究中起巨大作用。该技术可用于记录体外培养神经元的活动、脑片上神经元活动、在体特定脑区特定类型神经元的活动、在体单细胞水平神经活动。结合行为学方法,我们通过钙信号记录实时监测参与某一行为的特定神经元亚群,比传统c-fos染色方法省时、实时、精确度高。综上,钙成像技术必将为生命科学研究与临床疾病治疗做出巨大贡献!

参考文献:

1. Falkner, A.L., et al., Hypothalamic controlof male aggression-seeking behavior. Nat Neurosci, 2016. 19(4): p. 596-604.

2. Douglass, A.M., et al., Central amygdalacircuits modulate food consumption through a positive-valence mechanism. NatNeurosci, 2017. 20(10): p. 1384-1394.

3. Hainmueller, T. and M. Bartos, Parallelemergence of stable and dynamic memory engrams in the hippocampus. Nature,2018. 558(7709): p. 292-296.



      

专业的科研服务平台



    您可能也对以下帖子感兴趣

    文章有问题?点此查看未经处理的缓存