3D النمذجة من العمود الفقري Dendritic مع اللدونة متشابك
Summary
يطور البروتوكول نموذج ثلاثي الأبعاد (3D) لشريحة تشعبية مع العمود الفقري المتجّن لنمسم اللدونة المتشابكة. شبكة شيدت يمكن استخدامها لنم نمسترات حسابية من AMPA مستقبلات الاتجار في اللدونة متشابك على المدى الطويل باستخدام برنامج خلاط مع CellBlender و MCell.
Abstract
النمذجة الحاسوبية لنشر ورد فعل الأنواع الكيميائية في هندسة ثلاثية الأبعاد (3D) هو وسيلة أساسية لفهم آليات اللدونة متشابك في العمود الفقري التشعب. في هذا البروتوكول ، يتم تصميم بنية 3D مفصلة من التشعبات والعمود الفقري التشعب مع شبكات على برنامج خلاط مع CellBlender. يتم تعريف المناطق متشابك و extrasynaptic على شبكة. بعد ذلك ، يتم تعريف مستقبلات متشابك وجزيئات المرساة متشابك مع ثوابت انتشارها. وأخيرا، يتم تضمين التفاعلات الكيميائية بين مستقبلات متشابك والمراسي متشابك ويتم حل النموذج الحسابي رقميا مع MCell البرمجيات. تصف هذه الطريقة المسار الزماني الزقتي لكل جزيء في بنية هندسية ثلاثية الأبعاد. وهكذا ، فمن المفيد جدا لدراسة الاتجار بمستقبلات متشابك داخل وخارج العمود الفقري المتججر أثناء حدوث اللدونة متشابك. ومن القيود المفروضة على هذه الطريقة أن ارتفاع عدد الجزيئات يبطئ سرعة المحاكاة. النمذجة من الأشواك المتجهّد مع هذا الأسلوب يسمح لدراسة التقوية homosynaptic والاكتئاب داخل العمود الفقري واحد واللدونة غير المتغايرة بين العمود الفقري المتسخة الجار.
Introduction
وقد ارتبطت اللدونة متشابك مع التعلم والذاكرة1. ترتبط اللدونة متشابك، مثل التقوية طويلة الأجل (LTP) والاكتئاب على المدى الطويل (LTD)، على التوالي مع إدراج وإزالة مستقبلات AMPA (AMPA) داخل وخارج الغشاء متشابك2. تقع نقاط الاشتباك العصبي AMPAR على رأس هياكل حجم صغير يسمى العمود الفقري التشعب3. يحتوي كل عمود فقري على منطقة كثيفة البروتين في الغشاء ما بعد المينابك يسمى الكثافة ما بعد المينابك (PSD). البروتينات مرساة في PSD فخ AMPARs في المنطقة متشابك. هناك عدد قليل من نسخ من AMPARs داخل المشبك واحد والاتجار ورد فعل AMPARs مع الأنواع الأخرى في العمود الفقري التشعب هو عملية عشوائية2،4. هناك العديد من النماذج المجزأة من الاتجار مستقبلات متشابك في العمود الفقري التشعب5,6,7,8. ومع ذلك، هناك نقص في النماذج الحسابية العشوائية للاتجار AMPARs المرتبطة باللدونة متشابك في الهياكل ثلاثية الأبعاد من dendrites والعمود الفقري التشعب.
النمذجة الحاسوبية هي أداة مفيدة للتحقيق في الآليات الكامنة في ديناميات النظم المعقدة مثل رد فعل نشر AMPARs في العمود الفقري التشعب خلال حدوث اللدونة متشابك9،10،11،12. ويمكن استخدام النموذج لتصور سيناريوهات معقدة، وتختلف المعلمات الحساسة وجعل التنبؤات الهامة في الظروف العلمية التي تنطوي على العديد من المتغيرات التي يصعب أو من المستحيل السيطرة التجريبية12،13. إن تحديد مستوى التفاصيل لنموذج حسابي هو خطوة أساسية في الحصول على معلومات دقيقة حول الظاهرة على غرار. النموذج الحسابي المثالي هو توازن دقيق بين التعقيد والبساطة لالتقاط الخصائص الأساسية للظواهر الطبيعية دون أن تكون باهظة حسابيًا. يمكن أن تكون النماذج الحسابية المفصلة جدًا مكلفة للحوسبة. ومن ناحية أخرى، فإن النظم التي لا تُفصَّل بشكل جيد يمكن أن تفتقر إلى العناصر الأساسية الضرورية لالتقاط ديناميات هذه الظاهرة. على الرغم من أن النمذجة ثلاثية الأبعاد للعمود الفقري التشعبي هي أغلى من 2D و 1D ، هناك شروط ، كما هو الحال في الأنظمة المعقدة مع العديد من المتغيرات غير الخطية تتفاعل وتنتشر في الوقت والمساحة ثلاثية الأبعاد ، والتي النمذجة على مستوى 3D ضرورية للحصول على رؤى حول أداء النظام. علاوة على ذلك، يمكن تقليل التعقيد بعناية للحفاظ على الخصائص الأساسية لنموذج أقل بعدا.
في نظام العشوائية مع عدد قليل من نسخ من الأنواع في حجم صغير، وديناميات المتوسط للنظام ينحرف عن متوسط ديناميات عدد كبير من السكان. في هذه الحالة، مطلوب النمذجة الحسابية العشوائية من جزيئات التفاعل نشر. هذا العمل يقدم طريقة النمذجة العشوائية رد فعل نشر بضع نسخ من AMPARs في العمود الفقري 3D dendritic. والغرض من هذه الطريقة هو تطوير نموذج حسابي ثلاثي الأبعاد لشريحة تشعبية ذات عمود فقري متشعب وتشابكها لنمس اللدونة المتشابكة.
الأسلوب يستخدم MCell البرمجيات لحل نموذج رقميا، خلاط لبناء شبكات 3D، وScellBlender لإنشاء وتصور المحاكاة MCell، بما في ذلك التفاعل الزقتية نشر الجزيئات في 3D الشبكات14،15،16. Blender هو جناح لإنشاء شبكات وSs.blender هو إضافة على للقاعدة خلاط البرمجيات. MCell هو محاكاة مونتي كارلو لتفاعل نشر جزيئات واحدة17.
يتكون الأساس المنطقي وراء استخدام هذه الطريقة من النمذجة اللدونة متشابك لتحقيق فهم أفضل لهذه الظاهرة في البيئة الدقيقة فيزيائية من العمود الفقري التشعب14. لا سيما, هذا الأسلوب يسمح محاكاة التقوية homosynaptic, الاكتئاب homosynaptic, واللدونة غير المتغايرة بين العمود الفقري التشعب14.
وتشمل ملامح هذه الطريقة نمّس الهيكل الهندسي ثلاثي الأبعاد للدّينة وتشابكها، وانتشارها عن طريق المشي العشوائي، والتفاعلات الكيميائية للجزيئات المُشَكّلة في اللدونة المشبكة. يوفر هذا الأسلوب ميزة إنشاء بيئات غنية لاختبار الفرضيات وإجراء تنبؤات حول عمل نظام غير خطي معقد مع عدد كبير من المتغيرات. وبالإضافة إلى ذلك، يمكن تطبيق هذه الطريقة ليس فقط لدراسة اللدونة متشابك ولكن أيضا لدراسة التفاعل العشوائي نشر الجزيئات في هياكل شبكة 3D بشكل عام.
بدلا من ذلك، يمكن بناء شبكات 3D من الهياكل التشعب مباشرة في خلاط من المجهر الإلكتروني إعادة بناء المسلسل18. على الرغم من أن الشبكات القائمة على عمليات إعادة البناء التسلسلية توفر هياكل ثلاثية الأبعاد، فإن الوصول إلى البيانات التجريبية ليس متاحًا دائمًا. وبالتالي، فإن بناء الشبكات المتكيفة من الهياكل الهندسية الأساسية، كما هو موضح في هذا البروتوكول، يوفر المرونة لتطوير أجزاء تشعب مخصصة مع العمود الفقري التشعبي.
طريقة أخرى حسابية بديلة هي محاكاة الكميات الكبيرة من ردود الفعل المختلطة في مجلد منتظم9،10،11،19،20،21،22. المحاكاة السائبة هي فعالة جدا في حل ردود فعل العديد من الأنواع داخل مجلد واحد مختلطةجيدا 23، ولكن النهج السائبة بطيئة للغاية لحل التفاعل نشر الجزيئات داخل العديد من voxels مختلطة جيدا في شبكة عالية الدقة 3D. من ناحية أخرى ، فإن الأسلوب الحالي باستخدام محاكاة MCell من انتشار رد الفعل للجسيمات الفردية يعمل بكفاءة في الشبكات ثلاثية الأبعاد عالية الدقة15.
قبل استخدام هذه الطريقة، ينبغي للمرء أن يتساءل عما إذا كانت الظاهرة التي تمت دراستها تتطلب نهجًا للانتشار والتفاعل العشوائي في شبكة ثلاثية الأبعاد. إذا كانت الظاهرة لديها نسخ قليلة (أقل من 1000) من واحد على الأقل من الأنواع تتفاعل تنتشر في بنية هندسية معقدة مع مقصورات صغيرة الحجم مثل العمود الفقري dendri، ثم النمذجة العشوائية من نشر رد فعل في شبكات 3D هو مناسب للتطبيق.
هناك عدة خطوات مطلوبة لبناء نموذج حسابي ثلاثي الأبعاد لشريحة شريغورية تحتوي على العمود الفقري المتجّن مع اللدونة المتشابكة. الخطوات الرئيسية هي تركيب البرنامج المناسب لبناء النموذج ، وبناء عمود فقري واحد التشعب لاستخدامها كقالب لإنشاء العمود الفقري متعددة ، وخلق قطعة التشعب التي ترتبط مع العمود الفقري التشعب متعددة. الخطوة لنمجة اللدونة متشابك يتكون من إدراج المراسي في منطقة PSD و AMPARs في الجزء التشعب والعمود الفقري التشعب. ثم يتم تعريف التفاعلات الحركية بين المراسي الموجودة في PSD و AMPARs لإنتاج أنواع معقدة من المرساة AMPAR التي تحبس AMPARs في المنطقة المتشابكة. على التوالي ، وزيادة وانخفاض التقارب بين المراسي و AMPARs متشابك خلق عملية LTP و LTD.
Protocol
Representative Results
Discussion
تقدم هذه المقالة طريقة لبناء شبكات ثلاثية الأبعاد لـ نمسترات عمليات اللدونة المتشابكة في جزء من التشعب مع العمود الفقري المتجّن. النموذج المطور يحتوي على قطعة التشعب مع عدد قليل من الأشواك التشعب. انتشار الجانبي ورد فعل AMPARs مع المراسي متشابك تسمح محاكاة الديناميات القاعدية. الخطوات الحا?…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
وقد تم دعم هذا العمل جزئياً من خلال منحة مؤسسة ساو باولو للعلوم (FAPESP) #2015/50122-0 و IRTG-GRTK 1740/2، ومنحة IBM/FAPESP #2016/18825-4، ومنحة FAPESP #2018/06504-4.
Materials
| Blender | Blender Foundation | https://www.blender.org/ | |
| CellBlender | University of Pittsburgh | https://mcell.org/ | |
| Mcell | University of Pittsburgh | https://mcell.org/ |
Referências
- Sweatt, J. D. Neural plasticity and behavior – sixty years of conceptual advances. Journal of Neurochemistry. 139, 179-199 (2016).
- Heine, M., et al. Surface mobility of postsynaptic AMPARs tunes synaptic transmission. Science. 320 (5873), 201-205 (2008).
- Buonarati, O. R., Hammes, E. A., Watson, J. F., Greger, I. H., Hell, J. W. Mechanisms of postsynaptic localization of AMPA-type glutamate receptors and their regulation during long-term potentiation. Science Signaling. 12 (562), 6889 (2019).
- Nair, D., et al. Super-Resolution Imaging Reveals That AMPA Receptors Inside Synapses Are Dynamically Organized in Nanodomains Regulated by PSD95. Journal of Neuroscience. 33 (32), 13204-13224 (2013).
- Czöndör, K., et al. Unified quantitative model of AMPA receptor trafficking at synapses. Proceeding of the National Academy of Sciences of the United States of America. 109 (9), 3522-3527 (2012).
- Triesch, J., Vo, A. D., Hafner, A. S. Competition for synaptic building blocks shapes synaptic plasticity. eLife. 7, 37836 (2018).
- Earnshaw, B. A., Bressloff, P. C. Biophysical model of AMPA receptor trafficking and its regulation during long-term potentiation/long-term depression. Journal of Neuroscience. 26 (47), 12362-12373 (2006).
- Earnshaw, B. A., Bressloff, P. C. Modeling the role of lateral membrane diffusion in AMPA receptor trafficking along a spiny dendrite. Journal of Computational Neuroscience. 25 (2), 366-389 (2008).
- Antunes, G., Roque, A. C., Simoes-de-Souza, F. M. Stochastic Induction of Long-Term Potentiation and Long-Term Depression. Scientific Reports. 6, 30899 (2016).
- Kotaleski, J. H., Blackwell, K. T. Modelling the molecular mechanisms of synaptic plasticity using systems biology approaches. Nature Reviews Neuroscience. 11 (4), 239-251 (2010).
- Bhalla, U. S. Molecular computation in neurons: a modeling perspective. Current Opinion in Neurobiology. 25, 31-37 (2014).
- Czöndör, K., Thoumine, O. Biophysical mechanisms regulating AMPA receptor accumulation at synapses. Brain Research Bulletin. 93, 57-68 (2013).
- Bromer, C., et al. Long-term potentiation expands information content of hippocampal dentate gyrus synapses. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 115 (10), 2410-2418 (2018).
- Antunes, G., Simoes-de-Souza, F. M. AMPA receptor trafficking and its role in heterosynaptic plasticity. Scientific Reports. 8 (1), 10349 (2018).
- Kerr, R. A., et al. Fast monte carlo simulation methods for biological reaction-diffusion systems in solution and on surfaces. SIAM Journal on Scientific Computing. 30 (6), 3126 (2008).
- Czech, J., Dittrich, M., Stiles, J. R. Rapid Creation, Monte Carlo Simulation, and Visualization of Realistic 3D Cell Models. Systems Biology. 500, 237-287 (2009).
- Stiles, J., Bartol, T., De Schutter, Monte Carlo Methods for Simulating Realistic Synaptic Microphysiology Using MCell. Computational Neuroscience. , (2000).
- Jorstad, A., et al. NeuroMorph: A Toolset for the Morphometric Analysis and Visualization of 3D Models Derived from Electron Microscopy Image Stacks. Neuroinformatics. 13 (1), 83-92 (2015).
- Antunes, G., Roque, A. C., Simoes de Souza, F. M. Modelling intracellular competition for calcium: kinetic and thermodynamic control of different molecular modes of signal decoding. Scientific Reports. 6, 23730 (2016).
- Antunes, G., Roque, A. C., Simoes-de-Souza, F. M. Molecular mechanisms of detection and discrimination of dynamic signals. Scientific Reports. 8 (1), 2480 (2018).
- Hoops, S., et al. COPASI–a COmplex PAthway SImulator. Bioinformatics. 22 (24), 3067-3074 (2006).
- Faeder, J. R., Blinov, M. L., Hlavacek, W. S. Rule-based modeling of biochemical systems with BioNetGen. Methods in Molecular Biology. 500, 113-167 (2009).
- Gillespie, D. T. Exact stochastic simulation of coupled chemical reactions. Journal of Physical Chemistry. 81 (25), 21 (1977).
- Anggono, V., Huganir, R. L. Regulation of AMPA receptor trafficking and synaptic plasticity. Current Opinion in Neurobiology. 22 (3), 461-469 (2012).
- Matsuda, S., Launey, T., Mikawa, S., Hirai, H. Disruption of AMPA receptor GluR2 clusters following long-term depression induction in cerebellar Purkinje neurons. EMBO Journal. 19 (12), 2765-2774 (2000).
- Ahmad, M., et al. Postsynaptic Complexin Controls AMPA Receptor Exocytosis during LTP. Neuron. 73 (2), 260-267 (2012).
- Sheng, M., Hoogenraad, C. C. The postsynaptic architecture of excitatory synapses: a more quantitative view. Annual Review of Biochemistry. 76, 823-847 (2007).
