活體成像在神經(jīng)科學(xué)中的應(yīng)用案例?；铙w成像技術(shù)是一種在不對實驗動物造成傷害的前提下，應(yīng)用影像學(xué)方法，利用靈敏的光學(xué)檢測儀器對活體狀態(tài)下的生物過程進(jìn)行細(xì)胞和分子水平的定性和定量研究的技術(shù)。這一技術(shù)在神經(jīng)科學(xué)研究中展現(xiàn)出了巨大的潛力，為科學(xué)家們提供了非侵入式、直觀地觀測活體動物體內(nèi)神經(jīng)過程的新途徑。以下將圍繞幾個具體的應(yīng)用案例，探討活體成像在神經(jīng)科學(xué)中的應(yīng)用。

一、活體成像技術(shù)簡介

活體成像技術(shù)主要包括生物發(fā)光（Bioluminescence）與熒光（Fluorescence）兩種技術(shù)。生物發(fā)光技術(shù)是在哺乳動物體內(nèi)，將熒光素酶（Luciferase）基因標(biāo)記細(xì)胞或者DNA，即將熒光素酶基因整合到細(xì)胞染色體DNA上以表達(dá)熒光素酶，當(dāng)外源給予其底物熒光素（luciferin）時，即可在幾分鐘內(nèi)產(chǎn)生發(fā)光現(xiàn)象。這種酶在ATP及氧氣的存在條件下，催化熒光素的氧化反應(yīng)發(fā)光，且只有在活細(xì)胞內(nèi)才會產(chǎn)生發(fā)光現(xiàn)象，光的強(qiáng)度與標(biāo)記細(xì)胞的數(shù)目線性相關(guān)。熒光技術(shù)則是應(yīng)用熒光報告基團(tuán)表達(dá)的熒光蛋白（如GFP、EGFP、RFP、YFP）或熒光染料等進(jìn)行標(biāo)記，然后利用儀器進(jìn)行檢測。

二、活體成像在神經(jīng)腫瘤研究中的應(yīng)用

在神經(jīng)腫瘤研究中，活體成像技術(shù)發(fā)揮著重要作用。例如，利用螢火蟲熒光素酶或熒光蛋白作為報告基因，通過轉(zhuǎn)基因技術(shù)體外轉(zhuǎn)染神經(jīng)腫瘤細(xì)胞，可以建立各種腫瘤模型，用于實時觀察體內(nèi)腫瘤細(xì)胞的增殖、生長、轉(zhuǎn)移情況。這種技術(shù)的極高靈敏度使得微小的腫瘤病灶（少到幾百個細(xì)胞）也可以被檢測到，比傳統(tǒng)方法的檢測靈敏度大大提高，同時避免了因屠殺實驗動物而造成的組間差異，節(jié)省了動物成本。

此外，還可以利用功能性熒光探針監(jiān)測神經(jīng)腫瘤的發(fā)生發(fā)展。例如，通過應(yīng)用熒光染料標(biāo)記的DHE探測神經(jīng)膠質(zhì)瘤中的活性氧自由基，從而監(jiān)測腫瘤的發(fā)展情況。基于多模式成像功能，可以同時應(yīng)用生物發(fā)光及熒光成像功能共同監(jiān)測腫瘤。這種多模式成像技術(shù)為全面、深入地理解神經(jīng)腫瘤的發(fā)生發(fā)展機(jī)制提供了有力支持。

三、活體成像在神經(jīng)退行性疾病研究中的應(yīng)用

神經(jīng)退行性疾病如阿茲海默癥、帕金森氏病等，是由神經(jīng)元或其髓鞘的喪失所致，隨著時間的推移而惡化，導(dǎo)致功能障礙?；铙w成像技術(shù)在這些疾病的研究中也展現(xiàn)出了巨大潛力。

以阿茲海默癥為例，研究者可以通過不同思路應(yīng)用活體光學(xué)成像技術(shù)對其進(jìn)行觀測。利用Western Blot及免疫組化等技術(shù)手段進(jìn)行體外實驗顯示，隨著β淀粉樣蛋白表達(dá)的增多，GFAP（膠質(zhì)纖維酸性蛋白）的表達(dá)量也同時增多，兩者在疾病發(fā)展過程中成正相關(guān)，說明GFAP可以作為阿茲海默癥的特征性蛋白而反映疾病的發(fā)生發(fā)展。接著，研究者將Tg（GFAP-luc）生物發(fā)光轉(zhuǎn)基因小鼠與阿茲海默疾病模型小鼠Tg（APP23）及Tg（CRND8）進(jìn)行雜交，構(gòu)建出Tg（APP23：Gfap-luc）和Tg（CRND8：Gfap-luc）雙轉(zhuǎn)基因生物發(fā)光-阿茲海默疾病模型小鼠，并應(yīng)用活體成像系統(tǒng)在活體水平觀測阿茲海默癥的發(fā)生發(fā)展。結(jié)果顯示，在兩種雙轉(zhuǎn)基因疾病模型小鼠中，GFAP的表達(dá)量均隨阿茲海默癥病情的惡化而升高，說明GFAP可以表征阿茲海默癥的發(fā)生發(fā)展。

除了利用生物發(fā)光成像技術(shù)外，還可以應(yīng)用功能性熒光探針開展神經(jīng)退行性疾病研究。目前科研人員已開發(fā)出一些有效的熒光功能性探針，它們通過尾靜脈注射后能夠順利通過血腦屏障，并特異性靶向結(jié)合β淀粉樣蛋白，通過熒光信號監(jiān)測腦中β淀粉樣蛋白的含量，進(jìn)而反映阿茲海默癥的發(fā)生發(fā)展。

四、活體成像在神經(jīng)干細(xì)胞研究中的應(yīng)用

神經(jīng)干細(xì)胞在神經(jīng)科學(xué)研究中占據(jù)重要地位，它們具有自我更新和分化為多種神經(jīng)細(xì)胞的潛力。活體成像技術(shù)為在活體水平監(jiān)測神經(jīng)干細(xì)胞的移植、存活和增殖，以及示蹤干細(xì)胞在體內(nèi)的分布和遷移提供了可能。

由于神經(jīng)疾病發(fā)生的部位主要集中于顱內(nèi)及脊髓等相對較深的區(qū)域，而生物發(fā)光成像技術(shù)的極高靈敏度使得神經(jīng)干細(xì)胞在上述區(qū)域的觀測成為可能。通過示蹤，不僅可以直觀地了解神經(jīng)干細(xì)胞在體內(nèi)的分布，而且可以追蹤到其體內(nèi)的分化轉(zhuǎn)歸及調(diào)控機(jī)制。這對于理解神經(jīng)干細(xì)胞在治療神經(jīng)退行性疾病中的潛力具有重要意義。

五、活體成像在神經(jīng)電活動研究中的應(yīng)用

神經(jīng)電活動是神經(jīng)系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)，活體成像技術(shù)在神經(jīng)電活動研究中也展現(xiàn)出了獨(dú)特優(yōu)勢。例如，利用雙光子顯微鏡技術(shù)，可以在活體情況下觀察到神經(jīng)元鈣離子的圖像信息，從而將神經(jīng)元的放電顯示在圖像中。鈣離子濃度的驟然增加是神經(jīng)元動作電位的標(biāo)志，通過熒光標(biāo)記來顯示細(xì)胞內(nèi)鈣離子濃度的變化，是神經(jīng)元鈣成像的基本原理。早期的神經(jīng)元鈣成像應(yīng)用有機(jī)熒光染料與鈣離子的特異性結(jié)合而顯示鈣離子濃度的變化，但其代謝快，難以在長時間內(nèi)觀察神經(jīng)元的放電特征。而GCaMP（一種由綠色熒光蛋白、鈣調(diào)蛋白和肌球蛋白輕鏈激酶的一段肽鏈組合成的融合蛋白）的出現(xiàn)使鈣離子成像技術(shù)發(fā)生了革命性的改變。GCaMP具有鈣離子指示器的功能，它可以感受細(xì)胞內(nèi)鈣離子濃度的變化，發(fā)出相應(yīng)的熒光信號。通過病毒轉(zhuǎn)染技術(shù)，可以在腦特定皮層區(qū)域的神經(jīng)元內(nèi)表達(dá)這種蛋白，運(yùn)用雙光子顯微鏡技術(shù)就能實現(xiàn)長時間、高分辨率的神經(jīng)元鈣離子成像。

六、活體成像技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)與未來展望

盡管活體成像技術(shù)在神經(jīng)科學(xué)研究中取得了顯著進(jìn)展，但仍面臨一些挑戰(zhàn)。例如，如何提高成像的時空分辨率，以更精確地捕捉神經(jīng)過程的動態(tài)變化；如何降低成像過程中的干擾因素，提高成像的準(zhǔn)確性和可靠性；如何將活體成像技術(shù)更好地應(yīng)用于臨床研究和治療等。

未來，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和跨學(xué)科合作的加強(qiáng)，相信活體成像技術(shù)在神經(jīng)科學(xué)研究中將發(fā)揮越來越重要的作用。它不僅能夠為科學(xué)家們提供更深入、更全面的神經(jīng)過程信息，還有望為神經(jīng)退行性疾病的診斷和治療提供新的思路和方法。

活體成像技術(shù)作為一種強(qiáng)大的工具，正在神經(jīng)科學(xué)研究中發(fā)揮著越來越重要的作用。通過具體的應(yīng)用案例可以看出，它在神經(jīng)腫瘤、神經(jīng)退行性疾病、神經(jīng)干細(xì)胞以及神經(jīng)電活動等多個領(lǐng)域都展現(xiàn)出了巨大的潛力。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和完善，相信活體成像技術(shù)將為神經(jīng)科學(xué)的發(fā)展帶來更多的突破和創(chuàng)新。