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高分辨率大脑神经元3D钙离子成像技术




3D钙成像技术(Calcium Imaging)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(in vivo)或者离体(in vitro)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,从而检测老鼠大脑神经元的活动情况(如图1)。有了3D钙成像技术,原本悄无声息的神经元活动就变成了一幅斑斓闪烁的壮观影像,科学家可以亲眼看着神经信号在神经网络之中往来穿梭。

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Meadowlark Optics公司于2016年2月份推出了一款基于液晶空间光调制器技术的高分辨率的大脑神经元3D钙离子成像系统。该系统由512x512液晶空间光调制器、473 nm 激光器、640x480相机、载物台、机械模块、控制系统等构成。具有分辨率高、操作简便、便于观测等优点,是理论研究、教学演示的理想器件。


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图2. 大脑神经元3D钙离子成像系统


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图3. a为观测到的斑马鱼的图片,b为SLM产生的激发模式


3D钙成像技术的基本原理

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;当神经元活动(兴奋)的时候,神经元胞内钙离子浓度迅速上升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(calcium imaging)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(钙离子指示剂,calcium indicator),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。

大脑神经元3D钙离子成像系统正是利用钙成像的原理,473nm的激光器作为荧光激发光源,通过SLM(液晶空间光调制器)产生客户需要的3D激发模式,多焦点的光束照射到加入了荧光探针的生物组织(在体或离体),激发出荧光。通过传统的显微镜技术,将钙离子的分布清晰的显示在相机上。我们可以通过钙离子浓度的分布状况,研究大脑神经元的活动及互联性。


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图4. 老鼠脑组织钙离子分布随时间变化


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