单光子显微技术是较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-PhotonLaser-ScanningMicroscopy)。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。常用的比较好激发波长大多位于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分辨荧光图像,甚至可以分辨神经细胞单个树突棘中的钙分布。钙成像显微镜由软件控制的电子对焦方式,让成像更加稳定清晰。浙江钙成像供应商
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。当神经细胞兴奋时,会产生一个电冲动,在此时,细胞外的钙离子回流入该细胞内,促使这个细胞分泌神经递质,神经递质与相邻的下一级神经细胞膜上的蛋白分子相结合,促使这个一级神经细胞产生新的电冲动。以此类推,神经信号便一级一级地传递下去,从而构成复杂的信号体系,形成了学习、记忆等大脑的高级功能。在哺乳动物神经系统中,钙离子同样扮演着重要的信号分子的角色。江苏超微显微钙成像nVista小鼠头戴式微型显微镜为后续清醒动物脑功能钙成像研究提供了一套可靠的显微成像系统。
钙离子成像系统:传统的宽场荧光显微镜由于光散射的影响,只能够对大脑浅层的神经元或在离体组织上进行成像,共聚焦显微镜由于光损伤较大,一般也只用于离体钙成像。随着荧光显微镜技术的迅速发展,在体钙成像技术得到了蓬勃发展。双光子荧光显微镜能够在进行成像的时候实现高分辨率和高信噪比。例如,用双光子显微镜对海马树突棘的钙离子信号进行成像,研究神经元突触后长时程控制(Wangetal.,2000);观察小鼠运动皮层神经元在嗅觉选择任务中刺激相关电位(Komiyamaetal.,2010)等等。不过,这些实验还是需要对动物进行麻醉和固定,而神经科学领域很多研究更希望能够对自由活动的动物进行研究。近年来出现了通过植入性的microscope或microlens进行freelymoving动物钙成像的技术。如图6中所示的光纤成像法:使用一端带有GRINlens的光纤连接显微镜和动物大脑,从特定脑区发出的荧光信号被光纤收集,然后通过相机成像。动物头部只需植入GRINlens,方便活动,而且可以同时植入多个lens来观察不同的脑区之间的联系和相互作用。不过这种成像方法的视野较小,分辨率也比较差。
多种钙离子指示剂和钙成像手段的存在使研究人员能够根据具体的实验需要进行选择。同样,选择合适的检测设备也是至关重要的。对于使用CCD/sCMOS相机的成像系统来说,有两个要求是很基本的:采集速度:根据不同的应用所需的相机帧速也不同,对于神经细胞来说,一般要求相机速度至少在10fps以上,有些高速应用场景可能需要几百甚至上千Hz的帧速。灵敏度:为了尽可能降低光漂白和其他副作用(特别是蓝光激发时),需要降低激发光强度。因此相机要在较宽的发射光波长范围上具有高灵敏度,才能检测到弱光条件下的信号,并适应不同的染料的光谱发射特性。钙离子成像可以用于感知觉,学习记忆,社会性行为等各种各样的研究中。
科学家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daibiao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。长时间追踪相同细胞,进行可重复的科学研究对自由行为动物进行慢性钙成像研究。江苏超微显微钙成像nVista
钙成像相关仪器设备设计团队一直在研究并提高系统成像帧速、系统信号水平。浙江钙成像供应商
对于成像和长时间成像,较重要的是要保证细胞的正常生长。荧光团受激发光光照后产生的氧化物质与蛋白质、核酸和脂肪等发生反应,荧光信号降低的同时(光致退色)也降低了细胞寿命(光线损伤)。在光照过程中氧化剂的产生,主要决定于荧光团的光化学性质和光照剂量,因此减少光照剂量成为解决上述问题的途径之一。光漂白(Photobleaching)指在光的照射下荧光物质所激发出来的荧光强度随着时间推移逐步减弱乃至消失的现象。荧光成像的质量很大程度上依赖于荧光信号强度,提高激发光强度固然可以提高信号强度,但激发光的强度不是可以无限提高的,当激发光的强度超过一定限度时,光吸收就趋于饱和,并不可逆地破坏激发态分子,这就是光漂白现象。在显微技术中,光漂白使得观测变得很复杂,因为它会造成破坏,使萤光团无法继续放光,从而干扰实验结果。浙江钙成像供应商
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