双光子钙成像

双光子钙成像

Two-Photon Calcium Imaging (2P Ca²⁺ Imaging)

1. 概述

双光子钙成像是一种结合了双光子激发显微技术与钙离子指示剂的活体/离体光学成像方法。它允许在三维空间和毫秒级时间分辨率下，对神经系统（尤其是神经元和胶质细胞）的细胞内钙离子浓度动态进行高分辨率、低损伤的长期观测。该技术革命性地推动了我们对神经环路功能、可塑性及疾病机制的理解。

2. 工作原理

1. 双光子激发原理：

   • 荧光分子同时吸收两个长波长（如~920 nm）的近红外光子，达到与单个短波长光子（如~460 nm）相同的激发态。

   • 激发概率与激发光强度的平方成正比，因此激发被严格限制在焦点中心极小的体积内（约1 μm³），实现了固有的三维层析能力。

2. 钙指示剂原理：

   • 使用对钙离子敏感的荧光染料（如GCaMP系列、OGB-1等）。当钙离子与指示剂结合时，其荧光强度或波长发生变化。

   • 神经元活动（动作电位、突触输入）导致电压门控钙通道或NMDA受体等介导的钙内流，从而被转化为荧光信号变化。

3. 技术优势

1. 深层组织成像： 近红外光在生物组织中散射较少，可实现深度达1 mm的活体脑组织成像（如皮层L2-L5）。

2. 高空间分辨率： 激发体积小，分辨率可达亚微米级，能清晰分辨单个树突棘或单个神经元胞体。

3. 低光毒性与低光漂白： 长波长光子能量低，且激发仅限于焦点，显著减少对活细胞的损伤和荧光淬灭，支持长期稳定成像（数小时至数天）。

4. 良好的信噪比： 背景荧光极低，信号对比度高。

5. 三维成像能力： 可通过快速Z轴扫描实现三维体积成像。

4. 典型实验流程

1. 指示剂负载：

   • 化学指示剂（如OGB-1 AM）： 通过显微注射或局部灌流，由细胞摄取并水解活化。

   • 基因编码钙指示剂（如GCaMP6/7/8）： 通过病毒转导、转基因动物（如Thy1-GCaMP6小鼠）实现细胞特异性表达。

2. 成像系统：

   • 飞秒脉冲激光器（如钛蓝宝石激光器）： 提供超短脉冲近红外光。

   • 扫描振镜： 控制激光焦点快速扫描。

   • 高灵敏度探测器（如光电倍增管或科学级CMOS相机）。

   • 行为与电生理同步系统： 可结合在体行为学、膜片钳或电极记录。

3. 数据采集：

   • 以帧扫描（x-y平面）或线扫描（单线高速采样）模式记录荧光信号（ΔF/F）。

4. 数据分析：

   • 图像配准： 校正动物运动引起的图像偏移。

   • 感兴趣区提取： 识别并分割神经元/树突棘（如使用CNMF-E、Suite2p等算法）。

   • 信号提取与降噪： 提取ΔF/F时间序列，推断钙瞬变，进而反推动作电位事件（反卷积算法）。

5. 主要应用领域

1. 神经元群体活动编码：

   • 在感觉皮层（视、听、体感）观测数百个神经元对刺激的编码特性。

   • 研究运动皮层在行为执行中的神经元集群动态。

2. 精细亚细胞结构功能：

   • 在树突和树突棘水平观测单突触输入、树突钙锋电位、NMDA受体信号等。

   • 研究轴突的钙信号与递质释放。

3. 神经环路与连接图谱：

   • 结合光遗传学，解析特定输入对神经元活动的调控。

   • 通过结构性成像（如结合DAPI）或功能性连接分析，辅助环路重构。

4. 可塑性研究：

   • 长期追踪同一群神经元或同一树突棘在学习、记忆形成过程中的活动与结构变化。

5. 疾病模型研究：

   • 在阿尔茨海默病、癫痫、脑卒中等模型中，观测神经元活动异常、钙稳态失调及网络功能紊乱。

6. 局限性

1. 时间分辨率限制： 钙指示剂动力学（上升/衰减时间）慢于动作电位本身，难以完美解析单个动作电位，尤其是高频发放。超快GCaMP（如GCaMP8f）和新型指示剂正在改善这一点。

2. 信号间接性： 测量的是钙信号而非膜电位本身，需要反卷积推断电活动。

3. 光毒性风险： 尽管较低，但高强度或长时间成像仍可能造成损伤。

4. 成像深度限制： 对于深层脑区（如海马体、丘脑）仍需手术开窗或植入梯度折射率透镜。

5. 设备成本高： 系统复杂且昂贵。

7. 前沿发展

1. 多色成像： 结合不同颜色的钙指示剂（如RCaMP与GCaMP），同时成像多个细胞类型或细胞器。

2. 高速体积成像： 通过共振扫描、声光偏转器或光片照明实现毫秒级三维成像。

3. 大规模成像： 宽视野双光子显微镜可同时观测数毫米视野内数万个神经元的活动。

4. 结合其他模态： 与膜片钳、微型内窥镜、fMRI或电生理记录同步。

5. 新型探针： 开发更亮、更快、更敏感的基因编码钙指示剂（如jGCaMP8、XCaMP）及电压敏感染料成像。

8. 参考文献

1. Svoboda, K., & Yasuda, R. (2006). Principles of two-photon excitation microscopy and its applications to neuroscience. Neuron, 50(6), 823-839.

2. Chen, T. W., et al. (2013). Ultrasensitive fluorescent proteins for imaging neuronal activity. Nature, 499(7458), 295-300.

3. Grienberger, C., & Konnerth, A. (2012). Imaging calcium in neurons. Neuron, 73(5), 862-885.

4. Helmchen, F., & Denk, W. (2005). Deep tissue two-photon microscopy. Nature Methods, 2(12), 932-940.

5. Dana, H., et al. (2019). High-performance calcium sensors for imaging activity in neuronal populations and microcompartments. Nature Methods, 16(7), 649-657.

9. 总结

双光子钙成像通过其深层穿透、高分辨率、低损伤的特性，已成为现代神经科学观测神经元活动不可或缺的工具。它不仅揭示了从树突棘到神经元集群的多尺度动态，更通过与光遗传、行为学等技术的结合，正在系统性地解码大脑的功能原理与疾病机制。