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解析大脑中神经集群的活动和相互连接是当今脑科学研究所面临的重大挑战之一。早在2011年,美国西北大学的Konrad P.Kording教授就提出DNA断续磁带记录的理论设想,以期用于动态记录神经集群的活动。然而截止目前尚未有可在DNA上记录神经活动信号的遗传工具。本论文通过合成生物学和光遗传学手段设计了以NFAT和Cas9为基础的遗传工具,并验证了这一工具在基因水平上记录钙离子(Ca2+)信号的可行性,可能将为在DNA上记录神经细胞集群活动提供方法学基础。本文设计的Ca2+记录工具包括三个模块:（1）Ca2+信号触发模块,Cat Ch在蓝光的刺激下可以将细胞外的Ca2+泵入细胞,用于模拟神经元的电生理活动;（2）Ca2+信号传递模块,利用NFAT可动态响应Ca2+信号而进、出细胞核的性质,设计了NFAT-Cas9融合蛋白,使Cas9在Ca2+信号的刺激下进入细胞核,实现动态基因编辑;（3）报告基因模块,利用自我靶向的CRISPR-Cas9系统在基因组上连续、长时间的基因编辑活性,实现单细胞响应Ca2+信号后,在DNA上的持续、永久的记录。基于以上设计,本论文通过流式细胞术、T7E1酶切实验和二代测序分析等实验方法,验证了该系统能够响应Ca2+信号并在基因组中进行记录。由于第一代设计存在系统本底信号较高、信号响应动态范围不足等缺陷。本论文通过构建NFAT的不同亚型和不同截短体、拆分Cas9（split Cas9）为互补片段、以及将NFAT-Cas9锚定在细胞膜上等一系列方法对系统进行了优化,初步获得了可响应Ca2+信号的DNA记录系统。结果表明,通过NFAT-Cas9融合表达的方式可以实现Ca2+依赖的Cas9活性的调控,进而实现Ca2+的信号在DNA水平上的记录和储存,该技术将为脑科学中神经活动的存储和复现研究提供一个有力的工具。