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。当个细胞兴奋时,产生了一个电冲动,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,终形成学习、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。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。双光子显微镜已成为较厚有生命体生物组织三维成像中不可或缺的工具。国内ultimainvestigator双光子显微镜光毒性
研究人员通过用不同激光波长并行化激光扫描(wavelengthmultiplexing),增加了相同时间内可以成像的体积,并同时保持较高的时间和空间分辨率。通过引入两种波长不同的钙信号荧光探针,研究人员将神经元群体的活动标记为两个不同颜色,并同时用两个不同波长的激光激发探针,实现了两个颜色的并行化数据记录。为了实现三维空间成像,研究人员还分别在两个激光光路上配置了快速变焦系统,分别为电可调节透镜(electricaltunablelens)和空间光调制器(spatiallightmodulator)。由此,可以同时以10赫兹的速度记录500微米500微米的10个平面,覆盖纵深达600微米,涵盖了从脑皮层第2层到第5层的结构,体积内记录到的神经元可以达到2000个以上。国外双光子显微镜应用是什么双光子显微镜只有焦平面处才能形成双光子吸收,而焦平面之外由于光强低无法被发动,所以双光子成像更清晰。
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,但明显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)networkloading法;(C)通过病毒转染使其基因编码钙离子指示剂(expressionofgeneticallyencodedcalciumindicators,GECI)
双光子之源:飞秒激光:双光子吸收理论早在1931年就由诺奖得主MariaGoeppertMayer提出,30年后因为有了激光才得到实验验证,但是到WinfriedDenk发明双光子显微镜又用了将近30年。要理解双光子的技术挑战和飞秒激光发挥的重要作用,首先要了解其中的非线性过程。双光子吸收相当于和频产生非线性过程,这要求极高的电场强度,而电场取决于聚焦光斑大小和激光脉宽。聚焦光斑越小,脉宽越窄,双光子吸收效率越高。对于衍射极限显微镜,聚焦在样品上的光斑大小只和物镜NA和激光波长有关,所以关键变量只剩下激光脉宽。基于以上分析,能够以高重频(100MHz)输出超短脉冲(100fs量级)的飞秒激光器成了双光子显微镜的标准激发光源。这也再次说明双光子显微镜的优势:只有焦平面处才能形成双光子吸收,而焦平面之外由于光强低无法被激发,所以双光子成像更清晰。WinfriedDenk初使用的光源是染料飞秒激光器(100fs脉宽、630nm可见光波长)。虽然染料激光器对于实验室演示尚可,但是使用很不方便所以远未实现商用。很快双光子显微镜的标配光源就变成了飞秒钛宝石激光器。除了固态光源优势,钛宝石激光器还具有较宽的近红外波长调谐范围,而近红外相比可见光穿透更深,对生物样品损伤更小。双光子显微镜的原理是什么?
新一代微型化双光子荧光显微镜体积小,重只2.2克,适于佩戴在小动物头部颅窗上,实时记录数十个神经元、上千个神经突触的动态信号。在大型动物上,还可望实现多探头佩戴、多颅窗不同脑区的长时程观测。相比单光子激发,双光子激发具有良好的光学断层、更深的生物组织穿透等优势,其横向分辨率达到0.65μm,成像质量与商品化大型台式双光子荧光显微镜可相媲美,远优于目前领域内主导的、美国脑科学计划重要团队所研发的微型化宽场显微镜。采用双轴对称高速微机电系统转镜扫描技术,成像帧频已达40Hz(256*256像素),同时具备多区域随机扫描和每秒1万线的线扫描能力。此外,采用自主设计可传导920nm飞秒激光的光子晶体光纤,该系统实现了微型双光子显微镜对脑科学领域较广泛应用的指示神经元活动的荧光探针(如GCaMP6)的有效利用。 同时采用柔性光纤束进行荧光信号的接收,解决了动物的活动和行为由于荧光传输光缆拖拽而受到干扰的难题。未来,与光遗传学技术的结合,可望在结构与功能成像的同时,精细地操控神经元和神经回路的活动。这种双光子显微镜的视场是普通显微镜的10倍。国外布鲁克双光子显微镜授权供应商
双光子显微镜的性能得到不断地优化,结合它的特点,大致可以分成深和活两个方面的提升。国内ultimainvestigator双光子显微镜光毒性
双光子荧光显微镜是结合了激光扫描共聚焦显微镜和双光子激发技术的一种新技术。双光子激发的基本原理是:在高光子密度的情况下,荧光分子可以同时吸收2个长波长的光子,在经过一个很短激发态后,发射出一个波长较短的光子;其效果和使用一个波长为长波长一半的光子去激发荧光分子是相同的。因其光损伤小、样本透射深等优势,使得观察荧光细胞成为可能。中国医学科学院医学实验动物研究所-双光子显微镜成像平台借助于双光子显微镜成像技术及不同转基因小鼠开展对多种脏器的***成像研究。以小鼠颅内***成像为优势,可动态**观察小鼠颅内神经细胞、小胶质细胞/巨噬细胞、周细胞、血管、转移瘤细胞、胶质瘤细胞等的变化情况,在**学、神经生物学、发育生物学、神经退行性疾病等领域具有广泛应用。小鼠其它组织脏器,如脾、肺、颅骨、股骨、胸骨等也可借助本平台进行成像研究。国内ultimainvestigator双光子显微镜光毒性