與傳統(tǒng)的單光子寬視野熒光顯微鏡相比，多光子顯微鏡（MPM）具有光學(xué)切片和深層成像等功能，這兩個優(yōu)勢極大地促進(jìn)了研究者們對于完整在體大腦深處神經(jīng)的了解與認(rèn)識。2019年，JeromeLecoq等人從大腦深處的神經(jīng)元成像、大量神經(jīng)元成像、高速神經(jīng)元成像這三個方面論述了相關(guān)的MPM技術(shù)。想要將神經(jīng)元活動與復(fù)雜行為聯(lián)系起來，通常需要對大腦皮質(zhì)深層的神經(jīng)元進(jìn)行成像，這就要求MPM具有深層成像的能力。激發(fā)和發(fā)射光會被生物組織高度散射和吸收是限制MPM成像深度的主要因素，雖然可以通過增加激光強(qiáng)度來解決散射問題，但這會帶來其他問題，例如燒壞樣品、離焦和近表面熒光激發(fā)。增加MPM成像深度比較好的方法是用更長的波長作為激發(fā)光。鈣離子成像可以用于感知覺，學(xué)習(xí)記憶，社會性行為等各種各樣的研究中。美國inscopix鈣成像

想要對鈣離子的動態(tài)變化進(jìn)行有效的檢測，鈣離子指示劑的選擇顯得尤為重要。鈣離子熒光指示劑在未結(jié)合鈣離子前幾乎無熒光，與鈣離子結(jié)合后，熒光強(qiáng)度xianzhu增強(qiáng)。利用這一原理，可以通過指示劑的信號強(qiáng)弱來觀察細(xì)胞內(nèi)鈣離子濃度水平的變化。根據(jù)激發(fā)光波長范圍，鈣離子指示劑可以分為可見光激發(fā)和紫外光激發(fā)，而根據(jù)其工作原理又可以分為比率和非比率型。常見的鈣離子指示劑有以下幾種：紫外光激發(fā)Ca2+熒光探針、可見光激發(fā)Ca2+熒光探針、轉(zhuǎn)基因Ca2+指示劑。江蘇inscopix鈣成像動物行為學(xué)通過鈣成像技術(shù)檢測活動動物記錄神經(jīng)元的活動。

細(xì)胞內(nèi)鈣離子作為重要的信號分子其作用具有時間性和空間性。當(dāng)di1個細(xì)胞興奮時，產(chǎn)生了一個電沖動，此時，細(xì)胞外的鈣離子流入該細(xì)胞內(nèi)，促使該細(xì)胞分泌神經(jīng)遞質(zhì)，神經(jīng)遞質(zhì)與相鄰的下一級神經(jīng)細(xì)胞膜上的蛋白分子結(jié)合，促使這一級神經(jīng)細(xì)胞產(chǎn)生新的電沖動。以此類推，神經(jīng)信號便一級一級地傳遞下去，從而構(gòu)成復(fù)雜的信號體系，終形成學(xué)習(xí)、記憶等大腦的高級功能。在哺乳動物神經(jīng)系統(tǒng)中，鈣離子同樣扮演著重要的信號分子的角色。靜息狀態(tài)下大部分神經(jīng)元細(xì)胞內(nèi)鈣離子濃度約為50-100nM，而細(xì)胞興奮時鈣離子濃度能瞬間上升10-100倍，增加的鈣離子對于突觸囊泡胞吐釋放神經(jīng)遞質(zhì)的過程必不可少。眾所周知，只有游離鈣才具有生物學(xué)活性，而細(xì)胞質(zhì)內(nèi)鈣離子濃度由鈣離子的內(nèi)外流平衡所決定，同時也受鈣結(jié)合蛋白的影響。細(xì)胞外鈣離子內(nèi)流的方式有很多種，其中包括電壓門控鈣離子通道、離子型谷氨酰胺受體、煙堿型膽堿能受體（nAChR）和瞬時受體電位C型通道（TRPC）等。神經(jīng)元鈣成像的原理就是利用特殊的熒光染料或鈣離子指示劑將神經(jīng)元中鈣離子濃度的變化通過熒光強(qiáng)度表現(xiàn)出來，以反映神經(jīng)元活性。該方法可以同時觀察多個功能或位置相關(guān)的腦細(xì)胞。

解決鈣成像裝置對核磁成像的干擾：考慮到金屬對核磁成像的影響，研究人員在核磁共振成像的模塊上裝上了鈣成像模塊，該成像模塊所有的金屬元件全部被更換為非導(dǎo)電塑料。考慮到磁場對光纖記錄系統(tǒng)的干擾，減少鈣信號的噪音，將相干光纖激光器與核磁共振放置相鄰不同的房間。解決鈣成像和核磁成像區(qū)域的一致性：在成像過程中，以皮層區(qū)域的血管分布為參照物，以保證鈣成像和核磁成像的區(qū)域基本保持一致。但在實際成像中，鈣離子變化和血氧水平依賴性信號所響應(yīng)的區(qū)域并不是完全重合。因此研究人員將響應(yīng)區(qū)域內(nèi)的信號變化幅度進(jìn)行均一化，盡量避免因統(tǒng)計閾值引起差異。鈣成像系統(tǒng)支持聯(lián)網(wǎng)，基于網(wǎng)絡(luò)的軟件可讓您隨時隨地監(jiān)控數(shù)據(jù)。

近年來出現(xiàn)了通過植入性的microscope或microlens進(jìn)行freelymoving動物鈣成像的技術(shù)。如光纖成像法：使用一端帶有GRINlens的光纖連接顯微鏡和動物大腦，從特定腦區(qū)發(fā)出的熒光信號被光纖收集，然后通過相機(jī)成像。動物頭部只需植入GRINlens，方便活動，而且可以同時植入多個lens來觀察不同的腦區(qū)之間的聯(lián)系和相互作用。還有直接植入動物大腦的微型熒光顯微鏡，將GRINlens直接植入皮層下的海馬，下丘腦，丘腦等區(qū)域，可以監(jiān)測深部腦區(qū)的神經(jīng)元活動。這種微型顯微鏡的重量只有幾克，不會影響動物自由活動，可以提供800μm600μm視野和1.50μm橫向分辨率。通過鈣成像技術(shù)發(fā)現(xiàn)神經(jīng)元的活動與其內(nèi)部的鈣離子濃度密切相關(guān)。美國inscopix鈣成像

鈣成像系統(tǒng)在自由行為動物上對鈣離子動態(tài)進(jìn)行單細(xì)胞分辨率級別的持久成像。美國inscopix鈣成像

目前有三種在神經(jīng)元上填充鈣離子指示劑的方法，且都可以用于體內(nèi)和體外研究。第一種方法是利用玻璃吸管將膜滲透性鹽或葡聚糖形式的指示劑注入單個神經(jīng)元中。此方法方便實驗者控制單個神經(jīng)元內(nèi)的鈣離子指示劑濃度且信噪比較高。第二種是利用“批量加載”的方法將鈣離子指示劑染料負(fù)載神經(jīng)元，觀察對象為一群神經(jīng)元。盡管此方法可能導(dǎo)致一些膠質(zhì)細(xì)胞也被指示劑所標(biāo)記，但提高了整體神經(jīng)元的標(biāo)記百分比，使研究者得以觀察到一群神經(jīng)元內(nèi)動作電位相關(guān)性的活動。第三種也較為常用，通過病毒轉(zhuǎn)染的方式使其基因編碼鈣離子指示劑。（A）單細(xì)胞注射法；（B）networkloading法；（C）通過病毒轉(zhuǎn)染使其基因編碼鈣離子指示劑（expressionofgeneticallyencodedcalciumindicators,GECI）美國inscopix鈣成像