Uyarılabilir hücrelerde hızlı kalsiyum dalgalarını ölçme problemi, merkezi ve periferik sinir sistemlerinde sinyal iletimini incelemenin en önemli ve zorlu yönlerinden biridir. Kalsiyum iyonları, nörotransmitter salınımını, sinaptik plastisiteyi ve çeşitli hücre içi proteinlerin aktivitesinin modülasyonunu tetiklemede önemli bir rol oynar 1,2,3,4,5. Kalsiyum sinyallemesini incelemek, nörodejeneratif hastalıkları tedavi etmenin yollarını bulmak için de önemlidir6. Kalsiyum seviyelerindeki değişiklikleri ölçmek için, floresan kalsiyuma duyarlı boyalar yaygın olarak kullanılır ve floresan seviyelerindeki değişiklikler analiz edilir 7,8,9.
Kalsiyum boyalarının hücrelere yüklenmesi farklı şekillerde sağlanabilir. Ağırlıklı olarak, hücre perkastan boyalar10,11 oranında kullanılır. Bununla birlikte, böyle bir durumda, sadece hücre içindeki bir boya konsantrasyonunu kontrol etmek zor değildir, aynı zamanda yükleme için hedef hücreleri seçmek de zordur. Bu yöntem, boya postsinaptik hücrelere girdiğinden periferik sinir uçlarını incelemek için geçerli değildir. Bunun yerine, hücre geçirimsiz boyalar bu tür preparatlar için daha uygundur. Bu durumda, boyalar hücrelere mikroenjeksiyonla veya bir yama pipeti 12,13,14 yoluyla verilir. Bir sinir kütüğünden yükleme yöntemi de vardır. İkinci yöntem, nöromüsküler bileşke preparatları15,16,17,18,19,20 için en uygun yöntemdir. Sadece ilgilenilen hücreler için boyama yapılmasına izin verir. Bu yöntem, hedef hücredeki boya konsantrasyonunun doğru bir değerlendirmesini sağlamasa da, konsantrasyon, çözeltilerde duran hücrelerin floresan seviyesini, bilinen bir kalsiyum21 konsantrasyonu ile karşılaştırarak yaklaşık olarak tahmin edilebilir. Bu çalışmada, memelilerin sinapslarına uygulanan bu yöntemin bir modifikasyonu sunulmuştur.
Aksiyon potansiyelinin depolarize fazı sırasında kalsiyum girişi, özellikle nöromüsküler kavşakta hızlı bir süreçtir; bu nedenle, tescili için uygun ekipman gereklidir1. Voltaja duyarlı bir floresan boya kullanan yeni bir çalışma, bir farenin periferik sinapsındaki aksiyon potansiyelinin süresinin yaklaşık 300 μs22 olduğunu göstermiştir. Kurbağanın periferik sinapslarında kalsiyuma duyarlı boyalar kullanılarak değerlendirilen kalsiyum geçici, daha uzun bir süreye sahiptir: yükselme süresi yaklaşık 2-6 ms ve çürüme süresi, kullanılan kalsiyum boyasına bağlı olarak yaklaşık 30-90 ms'dir. Floresan boyaların yardımıyla hızlı süreçleri ölçmek için, genellikle hızlı ve hassas CCD matrislerine sahip CCD veya CMOS kameralar kullanılır. Bununla birlikte, bu kameralar,matris 25,26,27,28'in hassas elemanlarının boyutuyla sınırlı olan düşük çözünürlük dezavantajına sahiptir. Hücrelerin düşük frekanslı uyarılmasına yanıt olarak hem aksiyon potansiyellerini hem de kalsiyum geçicilerini kaydetmek için yeterli hassasiyete sahip en hızlı kameralar, 2.000 Hz'lik bir tarama frekansına ve 80 x 8029 boyutunda bir matrise sahiptir. Daha yüksek uzamsal çözünürlüğe sahip sinyaller elde etmek için, özellikle30,31,32 sinyalindeki bazı hacimsel değişiklikleri değerlendirmek gerekirse, konfokal mikroskopi kullanılır. Ancak, konfokal mikroskobun çizgi tarama modunda yüksek bir tarama hızına sahip olduğu akılda tutulmalıdır, ancak uzamsal bir görüntü oluştururken hızlı işlemlerin kayıt hızında hala önemli sınırlamalar vardır33. Daha yüksek tarama hızına sahip dönen Nipkow disklerine (yarık tarama mikroskobu) ve Çok Noktalı Dizi Tarayıcılara dayanan konfokal mikroskoplar vardır. Aynı zamanda, konfokal görüntü filtrelemede klasik konfokal mikroskoplardan daha düşüktürler (Nipkow diskli mikroskoplar için iğne delikleri çapraz konuşma)32,34,35. Rezonans taramalı konfokal görüntüleme aynı zamanda yüksek zamansal ölçümler için gereken yüksek uzaysal-zamansal çözünürlük sağlayabilir36. Bununla birlikte, rezonans tarayıcıları kullanırken zayıf floresan tepkilerinin yüksek bir tarama hızında kaydedilmesinin, hibrit dedektörler gibi son derece hassas dedektörler gerektirdiğini dikkate alın36.
Bu makalede, uzamsal çözünürlük37'yi korurken Lazer Tarama Konfokal Mikroskopisi (LSCM) ile kaydedilen sinyallerin zamansal çözünürlüğünü artırmak için bir yöntem sunulmaktadır. Mevcut yöntem, daha önce açıklanan ve LSCM platformu 38,39,40'a aktarılan yöntemlerin daha da geliştirilmesidir. Bu yaklaşım, mikroskop donanımında değişiklik gerektirmez ve periyodik olarak uyarılan floresan sinyalleri, stimülasyon anına göre bir zaman kayması ile kaydetmek için bir algoritmanın uygulanmasına dayanır.