众所周知，只有游离钙才具有生物学活性，而细胞质内钙离子浓度由钙离子的内外流平衡所决定，同时也受钙结合蛋白的影响。细胞外钙离子内流的方式有很多种，其中包括电压门控钙离子通道、离子型谷氨酰胺受体、烟碱型胆碱能受体（nAChR）和瞬时受体电位C型通道（TRPC）等。神经元钙成像的原理就是利用特殊的荧光染料或钙离子指示剂将神经元中钙离子浓度的变化通过荧光强度表现出来，以反映神经元活性。该方法可以同时观察多个功能或位置相关的脑细胞。细胞内钙成像技术是通过向细胞内载入钙指示剂。细胞钙离子钙成像grain lens
近年来出现了通过植入性的 microscope 或 microlens 进行freely moving 动物钙成像的技术。如光纤成像法：使用一端带有 GRIN lens 的光纤连接显微镜和动物大脑，从特定脑区发出的荧光信号被光纤收集，然后通过相机成像。动物头部只需植入 GRIN lens，方便活动，而且可以同时植入多个 lens 来观察不同的脑区之间的联系和相互作用。还有直接植入动物大脑的微型荧光显微镜，将 GRIN lens 直接植入皮层下的海马，下丘脑，丘脑等区域，可以监测深部脑区的神经元活动。这种微型显微镜的重量只有几克，不会影响动物自由活动，可以提供 800μm × 600μm 视野和 1.50μm 横向分辨率。美国动物神经元钙成像grain lens钙成像技术在神经科学研究中的应用。
单光子显微技术是*成熟的荧光显微技术，但由于单光子显微技术使用的激发光波长较短，成像深度比较有限；能量比较大,会造成对荧光物质的漂白,光毒性严重。激光共焦扫描显微镜由于共焦显微镜的孔径很小, 实现样本三维成像要逐点扫描,成像速度慢,对样本损害大,很难用于长时间活细胞成像实验。而宽场显微镜能够很好地实现实时动态成像,光漂白小, 因而较早应用于活细胞内的实时检测，但宽场显微镜由于离焦信号的干扰,难以实现多维成像。
解决钙成像装置对核磁成像的干扰：考虑到金属对核磁成像的影响，研究人员在核磁共振成像的模块上装上了钙成像模块，该成像模块所有的金属元件全部被更换为非导电塑料。考虑到磁场对光纤记录系统的干扰，减少钙信号的噪音，将相干光纤激光器与核磁共振放置相邻不同的房间。
解决钙成像和核磁成像区域的一致性：在成像过程中，以皮层区域的血管分布为参照物，以保证钙成像和核磁成像的区域基本保持一致。但在实际成像中，钙离子变化和血氧水平依赖性信号所响应的区域并不是完全重合。因此研究人员将响应区域内的信号变化幅度进行均一化，尽量避免因统计阈值引起差异。多种钙离子指示剂和钙成像手段的存在使研究人员能够根据具体的实验需要进行选择。
传统的宽场荧光显微镜由于光散射的影响，只能够对大脑浅层的神经元或在离体组织上进行成像，共聚焦显微镜由于光损伤较大，一般也只用于离体钙成像。随着荧光显微镜技术的迅速发展，在体钙成像技术得到了蓬勃发展。双光子荧光显微镜能够在进行活动动物成像的时候实现高分辨率和高信噪比。例如，用双光子显微镜对海马树突棘的钙离子信号进行成像，研究神经元突触后长时程yizhi (Wang et al., 2000)；观察活动小鼠运动皮层神经元在嗅觉选择任务中刺激相关电位 (Komiyama et al., 2010)等等。不过，这些实验还是需要对动物进行麻醉和固定，而神经科学领域很多研究更希望能够对自由活动的动物进行研究。
钙信号发挥着高度特异性的功能。美国动物神经元钙成像grain lens
钙成像技术发现钙离子产生各种各样的胞内信号。细胞钙离子钙成像grain lens
一项由葡萄牙尚帕莫未知中心，牛津大学，哥伦比亚大学，荷兰鹿特丹伊拉斯谟大学，麻省理工学院，伦敦大学，德国MaxPlanck生物控制论研究所，德国图欧宾根大学多方合作的研究于2020年11月4日在Neuron上发表了题为TheAnteriorCingulateCortexPredictsFutureStatestoMediateModel-BasedActionSelection的文章，作者通过一个新的两步谜题任务了解基于模型的决策使用对行为具体后果的预测，在小鼠的一系列决策任务中使用Inscopix显微钙成像和光遗传学来证明前扣带皮层（ACC）预测了行动将导致的状态，而不仅*是预测它们是好是坏，并判断结果是否与这些预测相符。研究结果表明，ACC是基于模型的控制的关键节点，在预测所选操作的未来状态方面发挥着特定作用。细胞钙离子钙成像grain lens
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