3D моделирование дендритных шипов с синаптической пластичностью

Summary

Протокол разрабатывает трехмерную (3D) модель дендритного сегмента с дендритными шипами для моделирования синаптической пластичности. Построенная сетка может быть использована для вычислительного моделирования оборота рецепторов AMPA в долгосрочной синаптической пластичности с помощью программной программы Blender с CellBlender и MCell.

Abstract

Вычислительное моделирование диффузии и реакции химических видов в трехмерной (3D) геометрии является фундаментальным методом понимания механизмов синаптической пластичности в дендритных позвоночниках. В этом протоколе детальная 3D структура дендритов и дендритных шипов моделируется с помощью сеток на программном обеспечении Blender с CellBlender. На сетке определяются синаптические и экстрасинаптические области. Далее, синаптические рецепторы и синаптические молекулы якоря определяются с их диффузионные константы. Наконец, химические реакции между синаптических рецепторов и синаптических якорей включены и вычислительной модели решается численно с программным обеспечением MCell. Этот метод описывает spatiotemporal путь каждой молекулы в 3D геометрической структуры. Таким образом, очень полезно изучить торговлю синаптических рецепторов в и из дендритных шипов во время возникновения синаптической пластичности. Ограничением этого метода является то, что большое количество молекул замедляет скорость моделирования. Моделирование дендритных шипов с помощью этого метода позволяет изучать гомосинаптические потенции и депрессии в одиночных позвоночниках и гетеросинаптической пластичности между соседами дендритных шипов.

Introduction

Синаптическая пластичность была связана с обучением и^{памятью 1}. Синаптическая пластичность, такая как долгосрочная потенция (LTP) и долгосрочная депрессия (LTD), связана соответственно с вставкой и удалением рецепторов АМРА (АМПАР) в и из синаптической мембраны². Синапсы AMPAR расположены поверх небольших объемных структур, называемых дендритными шипами^3. Каждый позвоночник содержит белковую плотную область в постсинаптической мембране, называемую постсинаптической плотностью (PSD). Якорные белки в АМПАР-ловушке PSD в синаптической области. Есть несколько копий АМПАР в рамках одного синапса и торговли и реакции АМПАР с другими видами в дендритных шипов является стохастический^{процесс 2,4}. Существует несколько разрозненных моделей торговли синаптических рецепторов при дендритных шипах^5,,6,,7,,8. Однако не хватает стохастических вычислительных моделей оборота АМПАР, связанных с синаптической пластичностью у 3D-структур дендритов и их дендритных шипов.

Вычислительное моделирование является полезным инструментом для изучения механизмов, лежащих в основе динамики сложных^{систем,}таких как реакция-диффузия АМРА в дендритных шипов во время возникновения^{синаптической пластичности 9},^10,11,12. Модель может быть использована для визуализации сложных сценариев, различных чувствительных параметров и принятия важных прогнозов в научных условиях с участием многих переменных, которые трудно или невозможно^{контролировать экспериментальные 12,13}. Определение уровня детализации вычислительной модели является фундаментальным шагом в получении точной информации о смоделированном явлении. Идеальная вычислительная модель – это тонкий баланс между сложностью и простотой для захвата основных характеристик природных явлений без вычислительной запретительной. Слишком подробные вычислительные модели могут быть дорогостоящими для вычислений. С другой стороны, в плохо детализированных системах может не хватать основных компонентов, которые необходимы для того, чтобы зафиксировать динамику этого явления. Хотя 3D-моделирование дендритных шипов вычислительно дороже, чем 2D и 1D, есть условия, например, в сложных системах со многими нелинейными переменными, реагирующих и рассеянных во времени и 3D пространстве, для которых моделирование на 3D-уровне имеет важное значение для получения информации о функционировании системы. Кроме того, сложность может быть тщательно уменьшена, чтобы сохранить основные характеристики низкомерной модели.

В стохастичной системе с небольшим количеством копий данного вида в небольшом объеме средняя динамика системы отклоняется от средней динамики большой популяции. В этом случае требуется стохастичное вычислительное моделирование реакционных диффузионных частиц. Эта работа вводит метод стохастичного моделирования реакции-диффузии нескольких копий АМРА в 3D дендритных шипах. Целью данного метода является разработка 3D вычислительной модели дендритного сегмента с дендритными шипами и их синапсами для моделирования синаптической пластичности.

Метод использует программное обеспечение MCell для решения модели численно, Blender для построения 3D-сеток, и CellBlender для создания и визуализации моделирования MCell, в том числе spatiotemporal реакции диффузии молекул в 3D-сетки^14,15,16. Blender является набором для создания сеток и CellBlender является дополнением для базового программного обеспечения Blender. MCell является симулятор Монте-Карло для реакции диффузии отдельных молекул¹⁷.

Обоснование использования этого метода состоит из моделирования синаптической пластичности для достижения лучшего понимания этого явления в микрофизиологической среде дендритных шипов¹⁴. В частности, этот метод позволяет моделирование гомосинаптической потенции, гомосинаптической депрессии и гетеросинаптической пластичности между дендритными^{шипами 14.}

Особенности этого метода включают моделирование 3D геометрической структуры дендрита и его синапсов, диффузию случайной ходьбой, а также химические реакции молекул, связанных с синаптической пластичностью. Этот метод обеспечивает преимущество создания богатых сред для проверки гипотез и прогнозирования функционирования сложной нелинейной системы с большим количеством переменных. Кроме того, этот метод можно применять не только для изучения синаптической пластичности, но и для изучения стохастической реакции-диффузии молекул в структурах 3D-сетки в целом.

Кроме того, 3D-сетки дендритных структур могут быть построены непосредственно в Blender из электронного микроскопа серийных^{реконструкций 18}. Хотя сетки, основанные на серийных реконструкциях, обеспечивают 3D-структуры, доступ к экспериментальным данным не всегда доступен. Таким образом, конструкция сеток, адаптированных из основных геометрических структур, как описано в настоящем протоколе, обеспечивает гибкость в разработке индивидуальных дендритных сегментов с дендритными шипами.

Другим альтернативным вычислительным методом является массовое моделирование хорошо смешанных^{реакций в регулярном томе 9,,10,,11,,19,,20,,21,,22.} Массовое моделирование очень эффективно в решении реакций многих видов в рамках одного хорошо смешанного^{тома 23}, но объемный подход чрезвычайно медленно, чтобы решить реакцию-диффузии молекул во многих хорошо смешанных вокселей в высоком разрешении 3D сетки. С другой стороны, настоящий метод с использованием MCell моделирования реакции-диффузии отдельных частиц эффективно работает в высоком разрешении 3D^{сетки 15}.

Прежде чем использовать этот метод, следует спросить, требует ли изучаемое явление стохастичного подхода к реакции диффузии в 3D-сетке. Если явление имеет несколько копий (менее 1000) по крайней мере одного из реагирующих видов, рассеянных в сложной геометрической структуре с небольшим объемом отсеков, таких как дендритные шипы, то стохастичное моделирование реакционно-диффузии в 3D-сетках подходит для применения.

Есть несколько шагов, необходимых для построения 3D вычислительной модели дендритного сегмента, содержащего дендритные шипы с синаптической пластичностью. Основными шагами являются установка надлежащего программного обеспечения для строительства модели, строительство одного дендритного позвоночника, который будет использоваться в качестве шаблона для создания нескольких шипов, и создание дендритного сегмента, который связан с несколькими дендритными шипами. Шаг для моделирования синаптической пластичности состоит из вставки якорей в области PSD и AMPARs в дендритном сегменте и дендритных шипов. Затем определяются кинетические реакции между якорями, расположенными в PSD и AMPARs, для производства сложных якорных видов АМПАР, которые ловят АМПАР в синаптической области. Соответственно, увеличение и уменьшение сродства между якорями и синаптических АМПАР создают процесс LTP и LTD.

Protocol

ПРИМЕЧАНИЕ: Пожалуйста, смотрите дополнительный файл 1 для глоссарий терминов, используемых в этом протоколе. 1. Установите Blender, CellBlender и MCell ПРИМЕЧАНИЕ: Этот протокол требует установки MCell, Blender и Cell Blender. Скачать и установить программное обесп?…

Representative Results

Эти результаты обеспечивают шаги для строительства 3D сетки, которая имитирует дендритный позвоночник с головой позвоночника и шеи позвоночника(рисунок 1 на рисунке 4). Кроме того, несколько дендритных шипов могут быть вставлены в одном дендритном<strong class…

Discussion

В данной статье представлен метод строительства 3D-сеток для моделирования реакционно-диффузионных процессов синаптической пластичности в дендритном сегменте с дендритными шипами. Разработанная модель содержит дендритный сегмент с несколькими дендритными шипами. Боковое распростр?…

Materials

Blender	Blender Foundation		https://www.blender.org/
CellBlender	University of Pittsburgh		https://mcell.org/
Mcell	University of Pittsburgh		https://mcell.org/