光纖記錄（Fiber photometry）通過(guò)時(shí)間相關(guān)單光子計(jì)數(shù)(TCSPC)的光纖光學(xué)來(lái)測(cè)量熒光分子在大腦中發(fā)出的光信號(hào)。基于基本原理，使用直徑較小的光纖探頭就能實(shí)現(xiàn)傳輸并收集熒光信號(hào)，將采集到的發(fā)射信號(hào)通過(guò)二色鏡進(jìn)行光譜分離，并通過(guò)濾波器聚焦到探測(cè)器上，即可檢測(cè)出熒光的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)變化。
 

 所以光纖記錄方法的優(yōu)勢(shì)主要在于：

1. 植入的光纖探頭體積小且柔韌性好，使得周?chē)�組織損傷較��；
2. 因?yàn)橹踩牍饫w體積小，方便同時(shí)記錄多個(gè)大腦區(qū)域的信號(hào)；
3. 基于TCSPC的光纖是檢測(cè)發(fā)射光的超靈敏工具，滿足在低強(qiáng)度激發(fā)光下即可檢測(cè)熒光，從而減少了光漂白的機(jī)會(huì)，并延長(zhǎng)了記錄時(shí)間。

目前光纖記錄常用于檢測(cè)鈣信號(hào)及神經(jīng)遞質(zhì)信號(hào)變化，背后原理是通過(guò)給實(shí)驗(yàn)動(dòng)物注射基因編碼型的熒光探針/生物傳感器，隨后通過(guò)光纖記錄即可檢測(cè)到對(duì)應(yīng)神經(jīng)信號(hào)的變化�；�因編碼生物傳感器是一類(lèi)生物分子信號(hào)介質(zhì)，它被整合到細(xì)胞的基因組中，然后由細(xì)胞的分子機(jī)制產(chǎn)生。這些蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)可以被設(shè)計(jì)成在化學(xué)物質(zhì)存在或細(xì)胞環(huán)境變化時(shí)改變構(gòu)象，從而產(chǎn)生熒光信號(hào)。

常見(jiàn)的基因編碼型的生物傳感器根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景主要分為：

 

1、膜去極化。一旦動(dòng)作電位(AP)被激活，AP將沿軸突向下傳播，并使突觸前鈕扣對(duì)應(yīng)的膜去極化(從−65 mV到+40 mV或更大)。這種膜去極化作為神經(jīng)元激活的分子特征，可以通過(guò)遺傳編碼的電壓指示探針(GEVIs)檢測(cè)；

2、電壓門(mén)控Ca2+通道激活和輸入。當(dāng)膜去極化發(fā)生在突觸前活躍區(qū)，電壓門(mén)控Ca2+通道打開(kāi)，導(dǎo)致Ca2+快速內(nèi)流。這種升高的細(xì)胞質(zhì)Ca2+濃度(從~100-~400nM)的變化可以持續(xù)約50-150毫秒，通過(guò)基因編碼Ca2+指示劑(GECIs)即可檢測(cè)；

3、膜泡融合/胞外分泌。胞質(zhì)Ca2+水平升高觸發(fā)易于釋放的突觸囊泡的胞外排泄，這些突觸囊泡充滿了神經(jīng)遞質(zhì)。在胞外分泌過(guò)程中，當(dāng)突觸囊泡與質(zhì)膜融合時(shí)，細(xì)胞外介質(zhì)(pH ~ 7.4)中和囊泡腔(pH ~ 5.5)的酸性pH值，這種中和作用可以通過(guò)pH值指標(biāo)探針檢測(cè)，如pHluorin；

4、神經(jīng)遞質(zhì)傳遞。一旦神經(jīng)遞質(zhì)被釋放到突觸，它們的功能根據(jù)遞質(zhì)類(lèi)型而異，可以通過(guò)神經(jīng)遞質(zhì)(NT)指標(biāo)檢測(cè)，如iAChSnFR和 dLight。基因編碼型乙酰膽堿(ACh)探針iAChSnFR用于檢測(cè)不同生物樣品中的ACh瞬變。它被設(shè)計(jì)成在膽堿結(jié)合時(shí)發(fā)出熒光，并被證實(shí)可用于測(cè)量小鼠體內(nèi)獎(jiǎng)勵(lì)活動(dòng)中海馬ACh傳遞的反應(yīng)。dLight是一種基于受體的遺傳編碼多巴胺(DA)熒光探針。它是通過(guò)用環(huán)狀排列的綠色熒光蛋白(cpGFP)取代DA受體(DAR)的第三個(gè)胞內(nèi)環(huán)（Intracellular Loop 3，ICL3）的位置而構(gòu)建的。dLight產(chǎn)生不同的熒光強(qiáng)度對(duì)應(yīng)于DA與DAR的結(jié)合量。
 

圖1所示：光纖記錄系統(tǒng)原理和基因編碼熒光探針。

A.光纖記錄裝置和信號(hào)處理的原理圖。在該模型中，將基因編碼的熒光探針病毒注射到腹側(cè)被蓋區(qū)(VTA)，投射的信號(hào)從伏隔核(NAc)和前額皮質(zhì)(PFC)記錄下來(lái)。

B.四種不同的基因編碼型探針及其對(duì)應(yīng)的神經(jīng)傳遞分子信號(hào)的示意圖表示。隨著動(dòng)作電位(AP)的傳播，電壓門(mén)控鈣(Ca2+)通道被觸發(fā)打開(kāi)，導(dǎo)致快速的Ca2+內(nèi)流；隨即誘導(dǎo)突觸囊泡的胞吐，突觸囊泡將神經(jīng)遞質(zhì)(NTs)釋放到突觸間隙，在突觸間隙中神經(jīng)遞質(zhì)可以與相應(yīng)的受體結(jié)合并激活突觸后神經(jīng)元，這些分子特征可以通過(guò)電壓指標(biāo)(GEVIs) ，Ca2+探針(GECIs)， pH值指標(biāo)探針(如pHluorin)，NT指標(biāo)探針(G protein-coupled受體,GCPR)進(jìn)行檢測(cè)。示意圖非真實(shí)比例。

光纖記錄實(shí)驗(yàn)操作較為簡(jiǎn)便，目前在神經(jīng)環(huán)路分子機(jī)制探究上應(yīng)用越發(fā)廣泛，同時(shí)越來(lái)越多的實(shí)驗(yàn)室將光纖記錄與其他實(shí)驗(yàn)技術(shù)進(jìn)行聯(lián)合應(yīng)用。

1、光纖記錄與光遺傳
光遺傳學(xué)是一種以光作為工具特異性激活或抑制神經(jīng)傳遞的方法。研究人員經(jīng)常使用光遺傳學(xué)以極大的時(shí)間精確度來(lái)研究確定的神經(jīng)元亞群對(duì)特定行為的影響。但是光照的作用僅僅通過(guò)動(dòng)物行為的檢測(cè)評(píng)估是不完善的，很有可能存在“假陽(yáng)性”和“假陰性”，且不能排除自然行為的干擾。而光纖記錄即可提供足夠的證據(jù)支撐。光遺傳學(xué)結(jié)合光纖記錄的方法使研究人員能夠研究特定細(xì)胞、它們的投射關(guān)系的功能意義。

2、光纖記錄與核磁
一般認(rèn)為，血氧水平檢測(cè)(BOLD) fMRI(功能性磁共振成像)通過(guò)血管耦合機(jī)制與神經(jīng)傳遞在時(shí)空上相關(guān)。為了更深入地了解神經(jīng)元對(duì)BOLD信號(hào)的貢獻(xiàn)，電生理學(xué)技術(shù)已被納入功能磁共振成像研究。雖然這些研究提供了關(guān)于神經(jīng)元環(huán)路更具體的信息，但功能磁共振成像(fMRI)所需要的磁場(chǎng)會(huì)在電生理信號(hào)中產(chǎn)生偽影。

而近幾年的研究中將光纖記錄和fMRI相結(jié)合，證明了Ca2+峰值和不同大腦區(qū)域的BOLD信號(hào)之間的聯(lián)系，同時(shí)有文獻(xiàn)證明星形膠質(zhì)細(xì)胞Ca2+水平的變化與BOLD信號(hào)也有關(guān)聯(lián)。fMRI技術(shù)與光纖記錄相結(jié)合，使fMRI掃描具有細(xì)胞分辨率。這種綜合技術(shù)有潛力闡明單個(gè)神經(jīng)元亞群對(duì)大腦回路的貢獻(xiàn)。
 

圖2所示：將BOLD fMRI技術(shù)與細(xì)胞-特異性病毒傳遞的GCaMP6（一種遺傳編碼的鈣指示劑，GECI）的光學(xué)檢測(cè)技術(shù)相結(jié)合（Schlegel et al .,Nature protocols(2018)）

3、光纖記錄與電生理
目前，電生理學(xué)是研究行為與自由行為動(dòng)物體內(nèi)神經(jīng)元?jiǎng)恿�學(xué)關(guān)系的金標(biāo)準(zhǔn)分析技術(shù)。電生理學(xué)允許同時(shí)記錄數(shù)百或數(shù)千個(gè)細(xì)胞、離子通道和神經(jīng)元活動(dòng)，電極可以落在單個(gè)細(xì)胞上，記錄細(xì)胞內(nèi)信號(hào)變化，或者落在細(xì)胞外空間，監(jiān)測(cè)整個(gè)大腦區(qū)域的電生理信號(hào)。它測(cè)量的電信號(hào)（電流或電位）以高時(shí)間分辨率的毫秒級(jí)離子通量導(dǎo)出。

電極陣列記錄來(lái)自電極尖端附近所有細(xì)胞的信號(hào)，不能直接區(qū)分細(xì)胞種類(lèi)。由于光纖記錄方法缺乏較高的時(shí)間分辨率，在體電生理學(xué)缺乏細(xì)胞類(lèi)型特異性，二者結(jié)合有助于高時(shí)空分辨率下研究不同的大腦區(qū)域特定環(huán)路和行為狀態(tài)。
 

R820三色光纖記錄系統(tǒng)，可記錄GCaMP、dLight等綠色熒光指示劑或遞質(zhì)探針，及RCaMP、jrGECO1a等紅色指示劑或遞質(zhì)探針信號(hào)，同時(shí)特有的410nm光源用于獲取對(duì)照信號(hào)，有效排除噪聲。靈活的TTL信號(hào)輸入輸出設(shè)置，更方便拓展實(shí)驗(yàn)應(yīng)用。