细胞内钙离子作为重要的信号分子其作用具有时间性和空间性。当个细胞兴奋时，产生了一个电冲动，此时，细胞外的钙离子流入该细胞内，促使该细胞分泌神经递质，神经递质与相邻的下一级神经细胞膜上的蛋白分子结合，促使这一级神经细胞产生新的电冲动。以此类推，神经信号便一级一级地传递下去，从而构成复杂的信号体系，较终形成学习、记忆等大脑的高级功能。在哺乳动物神经系统中，钙离子同样扮演着重要的信号分子的角色。静息状态下大部分神经元细胞内钙离子浓度约为50-100nM，而细胞兴奋时钙离子浓度能瞬间上升10-100倍，增加的钙离子对于突触囊泡胞吐释放神经递质的过程必不可少。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。对于钙离子成像来说，大多数情况下速度很重要。哈尔滨神经细胞钙成像nVista3.0
钙离子在很多生理活动中都发挥着重要作用，除了在肌肉细胞收缩中扮演着重要的角色，钙离子也是神经元活动的重要“风向标”之一：当神经元膜电位发生去极化，产生的动作电位传导到神经元轴突末梢时，细胞膜上的电压门控钙离子通道打开，大量钙离子内流，包含神经递质的囊泡由突触前膜释放至后膜，下游神经元就得以接受到上游的信号。因此，钙离子成像可以追踪神经元动作电位，从而帮助我们了解神经元集群的活动，可以用于感知觉，学习记忆，社会性行为等各种各样的研究中。北京光遗传钙成像grain lens清醒动物脑功能钙成像的微型显微镜的研究在不断实践中。
功能光学成像技术的发展使研究脑区和神经元的内部工作成为可能。随着功能光学成像技术的发展，神经学家们已经可以研究脑区和神经元内部的工作情况。功能钙成像技术就是其中之一，其主要原理是将外源性荧光信号和生理现象耦合起来——通过荧光染料信号的改变反映细胞内游离钙离子浓度，以此表示细胞的功能状态。目前它被广泛应用于实时监测一群相关神经元内钙离子的变化，从而判断其功能活动。该技术的出现使得科学家可以亲眼目睹神经信号在神经网络之中时间和空间上的传递穿梭。
钙成像具有以下几个优势：1.非侵入性：钙成像技术可以在活物细胞或组织中进行观察，无需破坏细胞或组织的完整性，因此是一种非侵入性的技术。2.高时空分辨率：钙成像技术可以实时观察细胞内钙离子的动态变化，具有较高的时空分辨率。可以捕捉到钙离子浓度的瞬时变化，揭示细胞内信号传导的快速过程。3.多样性：钙成像技术可以使用不同的荧光探针或基因工程技术，实现对不同类型的细胞或组织进行钙成像。可以根据需要选择适合的探针或方法，扩展应用范围。4.可定量分析：通过钙成像技术可以获得荧光信号的强度，可以进行定量分析，了解钙离子浓度的变化程度。可以通过比较不同条件下的钙成像结果，研究因素对钙离子信号的调控作用。5.可应用于多个领域：钙成像技术广泛应用于神经科学、细胞生物学、药理学等领域。可以研究神经元活动、细胞信号传导、细胞凋亡等生物过程，有助于揭示生物学机制和疾病发生及发展的过程。综上所述，钙成像技术具有非侵入性、高时空分辨率、多样性、可定量分析和广泛应用于多个领域等优势，成为研究细胞内钙离子动态变化的重要工具。钙离子是哺乳动物神经细胞内的重要信使。
不论采用哪一类钙离子指示剂，总体上成像记录过程是非常类似的。包含钙离子指示剂的细胞可以通过荧光显微镜(fluorescencemicroscope)观测，然后通过CCD摄像机捕捉、记录图像。现在钙成像技术主要在以下几类神经科学研究方面有广泛应用：1.记录培养的神经元的活动。2.记录脑片上神经元的活动。记录神经元的活动。由于离体实验本身的限制，现在越来越多的神经方面科学家倾向于做在体钙成像实验，希望能得到更准确且更能反应生理状况的数据。得益于双光子荧光显微镜的发展，现在在实验动物处于huoti状态下的钙成像技术取得了飞速进展。4.记录神经元树突和树突棘（spine）的活动。由于对于实验精度的要求，有些科学家不仅只想记录单个神经元的反应，他们还想更确切地知道神经元上哪些树突和树突棘参与了某个行为，也就是说他们需要在huoti条件下，对单根树突以及某些spine进行钙成像记录实验。由于双光子荧光显微镜和GCaMP6基因编码钙离子指示剂的发展，现在，对树突和树突棘用钙成像实验进行记录也成为了可能。细胞对钙离子有一套完备的监控系统以维持钙的内稳态平衡。北京钙成像inscopix
对钙离子的功能研究中，钙指示剂是必不可少的工具。哈尔滨神经细胞钙成像nVista3.0
紫外光激发Ca2+荧光探针：Fura-2和Indo-1都是紫外光激发的双波长Ca2+荧光指示剂，也是目前较常用的比率型钙离子荧光探针。与其他代的荧光指示剂相比，它们的荧光信号更强，对Ca2+的选择性也更强。比率指示剂会在与Ca2+结合后会改变吸收/发射特性。以双波长激发指示剂Fura-2为例。如图2所示，低Ca2+浓度下，Fura-2在~380nm处激发，高Ca2+浓度下，在~340nm处激发。光谱由两个峰组成：左侧较短波长的吸收峰随Ca2+浓度的增加而增大，右侧较长波长的吸收峰随Ca2+浓度的增加而减小。通过340/380nm交替激发，获取在510nm处对应的发射光荧光强度的比率，就可以对Ca2+浓度进行定量的测量。因为Fura-2结果准确，且不易被漂白，所以得到了普遍使用。哈尔滨神经细胞钙成像nVista3.0
