体内神经元钙处理的亚细胞成像

钙离子（Ca²⁺）是许多细胞类型中高度通用的信息载体。在神经元中，Ca²⁺负责神经递质的活动依赖性释放，细胞骨架运动的调节，代谢过程的微调，以及适当的神经元维持和功能所需的许多其他机制^1，2。为了确保有效的细胞内信号传导，神经元必须在其细胞质^中保持较低的基础Ca²⁺水平3。这是通过合作的Ca 2+处理机制实现的，包括将Ca²⁺摄取到细胞器中，例如内质网（ER）和线粒体。除了在质膜中排列Ca 2+渗透离子通道外，这些过程还导致整个神经元中细胞质Ca²⁺的异质水平。

休息和神经元激活期间的Ca 2+异质性允许对Ca ²⁺依赖机制进行多种的，位置特异性的调节1。Ca 2+浓度特异性作用的一个例子是通过肌醇1，4，5-三磷酸（InsP₃）受体从ER释放Ca²⁺。低 Ca²⁺ 水平与 InsP₃ 相结合是打开受体的钙渗透性孔所必需的。或者，高Ca²⁺水平直接或间接抑制受体⁴。Ca 2+稳态对正常神经元功能的重要性得到了证据的支持，表明细胞内Ca ²⁺处理和信号传导中断是神经退行性疾病和自然衰老发病机制的早期步骤5^，6。具体来说，ER和线粒体的异常Ca²⁺摄取和释放与阿尔茨海默病，帕金森病和亨廷^顿病6，7的神经元功能障碍的发作有关。

研究自然衰老或神经变性过程中的Ca 2+稳态失调需要纵向观察活的，完整的生物体中具有亚细胞分辨率的Ca²⁺水平，其中天然细胞结构（即突触的排列和离子通道的分布）得以维持。为此，该协议为使用两种现成的基因编码Ca 2+传感器以高空间和时间分辨率记录体内Ca ²⁺动力学提供了指导。在秀丽隐杆线虫中使用所述方法获得的代表性结果表明，单个神经元的细胞质或线粒体基质中Ca 2+指示剂的表达如何允许快速获取荧光图像（高达50 Hz），这些荧光图像说明了Ca 2+动力学，并具有识别单个脊柱样结构和单个线粒体内Ca ²⁺水平的额外能力。