在生物有机体，钙离子产生各种各样的胞内信号，这些胞内信号几乎在每种类型的细胞中都存在，且在很多功能方面有重要作用，例如对心肌细胞收缩的控制和从细胞增殖到细胞死亡整个细胞周期的调节等。在哺乳动物的神经系统中，钙离子是一类重要的神经元胞内信号分子。在静息状态下，大部分神经元的胞内钙离子浓度为50-100nM，而当神经元活动的时候，胞内钙离子浓度能上升10-100倍，增加的钙离子对于包含有神经递质的突触囊泡的胞吐释放过程必不可少。也就是说神经元的活动与其内部的钙离子浓度密切相关，神经元在放电的时候会爆发出一个短暂的钙离子浓度高峰。神经元钙成像（calciumimaging）技术的原理就是借助钙离子浓度与神经元活动之间的严格对应关系，利用特殊的荧光染料或者蛋白质荧光探针(钙离子指示剂，calciumindicator)，将神经元当中的钙离子浓度通过荧光强度表现出来，从而达到检测神经元活动的目的。钙成像技术一出现，就受到了全世界神经科学家们的追捧。美国光遗传钙成像inscopix
双光子显微成像技术是近些年发展起来的结合了共聚焦激光扫描显微镜和双光子激发技术的一种新型非线性光学成像方法,采用长波激发，能对组织进行深层次成像。常用的比较好激发波长大多位于800-900nm，而水、血液和固有组织发色团对这个波段的光吸收率低，此外散射的激发光子不能激发样品，因此背景第，光损伤小，适用于在体检测。双光子荧光成像技术能准确定位细胞内置入的微电极位置，从而观察胞体、树突甚至单个树突棘的活性。研究者可完整的观察神经组织的gaofen辨荧光图像,甚至可以分辨神经细胞单个树突棘中的钙分布。深圳荧光显微钙成像nVista现在钙成像技术使用的钙离子指示剂主要有化学性钙离子指示剂和基因编码钙离子指示剂。
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。
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。同样，选择合适的检测设备也是至关重要的。对于使用CCD/sCMOS相机的成像系统来说，有两个要求是很基本的：采集速度：根据不同的应用所需的相机帧速也不同，对于神经细胞来说，一般要求相机速度至少在10fps以上，有些高速应用场景可能需要几百甚至上千Hz的帧速。灵敏度：为了尽可能降低光漂白和其他副作用（特别是蓝光激发时），需要降低激发光强度。因此相机要在较宽的发射光波长范围上具有高灵敏度，才能检测到弱光条件下的信号，并适应不同的染料的光谱发射特性。通过钙成像技术发现当神经元活动的时候，胞内钙离子浓度能上升 10 - 100 倍。
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。钙成像技术被广泛应用于同时监测成百上千个神经元内钙离子的变化。浙江钙成像nVoke
钙成像技术能直接测量神经元和神经元组织中动态的钙流动。美国光遗传钙成像inscopix
CaMPARI，一种能够兼顾全局和微观的新型钙成像技术，包含CaMPARI以及CaMPARI2（第二代）。其原理在于，CaMPARI蛋白在正常状态下会发出绿色荧光，而如果对这种蛋白同时使用高浓度钙离子与紫外光处理，它就会不可逆、长久地转变成另一种能发出红色荧光的构象，即实现将瞬间的神经元活动变成长久的红色荧光蛋白表达。研究人员通过转基因技术将这种新型蛋白导入到实验动物的神经系统中，然后用度的紫外光照射动物的大脑，通过检查荧光，找到发红色荧光的神经元，这些神经元即是在紫外光照射期间活跃的神经元。由于紫外光可以对着整个大脑进行照射，所以理论上，人们可以对全脑进行检查。美国光遗传钙成像inscopix
