GCaMP活体钙成像技术：神经元活动监测的利器
GCaMP活体钙成像技术：神经元活动监测的利器
GCaMP活体钙成像技术是一种利用基因编码的钙指示剂（GECIs）来监测细胞内钙离子浓度变化的方法，广泛应用于神经科学领域，用于实时监测神经元活动。这种技术基于神经元活动会引起细胞内游离钙浓度的快速变化这一原理，通过特殊的荧光染料或蛋白质荧光探针，将钙离子浓度的变化转化为荧光信号，实现对神经元活动的检测。
自从2001年GCaMP1问世以来，科学家们通过结构优化和筛选，开发了GCaMP2、GCaMP3、GCaMP5、GCaMP6等不同版本，以适应不同的成像实验需求。例如，GCaMP6系列能够检测单个动作电位，也适用于监测大量神经元活动和神经亚细胞活动，但GCaMP6在某些条件下的检测准确性会下降。新一代GCaMP钙指示剂—jGCaMP7系列被开发出来，提供了更高的性能。为了提高GCaMP的性能，研究人员不断进行优化，开发出更灵敏、更快速的变体，并探索多色钙指示器的开发以及提高稳定性的方法，以减少实验条件对GCaMP性能的影响，并将其应用于更广泛的生物学和医学研究领域。
GCaMP技术的优势与局限性
GCaMP技术的优势在于其高灵敏度、实时监测能力以及非侵入性，可以通过基因工程手段表达，不需要外源性染料或探针。然而，该技术也存在一些局限性，比如光漂白现象、对温度和pH值的依赖性，以及在某些细胞类型中基因转导效率可能较低。GCaMP活体钙成像技术在神经环路研究中的应用进展表明，它有助于从单细胞水平揭示生理或病理状态下不同环路的调控机制。此外，该技术也被用于长期监测神经元内钙动态。
化学遗传结合钙成像解析神经元活性
化学遗传学与光遗传学同样都可以对神经元的活性进行操纵，并且已经广泛应用于信号转导、药物筛选和功能学的研究。基于改造生物大分子如G蛋白偶联受体等激活或抑制神经元的活性进行神经功能方面的研究。常见的化学遗传受体是基于GPCR改造的DREADDs，通过病毒载体在动物体内表达，在计划的时间段内通过腹腔注射等方式给予动物只能被DREADD受体特异性识别的CNO化合物激活受体，进而利用电生理或双光子钙成像等手段检测神经元活动变化。
GCaMP活体钙成像技术在神经科学研究中的应用
神经环路调控机制的研究：GCaMP技术被用于实时监测神经元内钙离子的变化，以反映大脑组织内神经元活动，进而揭示生理或病理状态下不同神经环路的调控机制。
改进版钙探针GCaMP-X：实现了离体培养神经元和活体小鼠大脑皮层的长时程GCaMP-X成像，定量分析了自发钙振荡与神经元形态发育的关联。
新型GCaMP钙指示剂的开发：研究者通过大规模筛选和结构引导诱变，开发了快速灵敏的GCaMP型指示剂"jGCaMP8"，它具有超快的动力学和对神经活动的最高灵敏度，将允许在与神经计算相关的时间尺度上跟踪大量神经元。
神经活动的全局和微观观测：CaMPARI技术作为新型钙成像技术，通过转基因技术将新型蛋白导入实验动物的神经系统中，然后用高强度的紫外光照射动物大脑，通过检查荧光找到活跃的神经元，实现对全脑的检查。还可对对某类细胞集群进行特异性标记。