具有突触可塑性的树突棘三维建模

摘要

本方案建立了一个包含树突棘的树突段三维（3D）模型，用于突触可塑性的建模。所构建的网格可用于在Blender软件中结合CellBlender和MCell程序，对长期突触可塑性过程中AMPA受体的转运进行计算建模。

摘要

在三维（3D）几何结构中对化学物质的扩散与反应进行计算建模，是理解树突棘中突触可塑性机制的基本方法。在本实验方案中，使用 Blender 软件结合 CellBlender 工具，通过网格对树突及树突棘的详细三维结构进行建模。突触区与突触外区域在网格上被明确定义。随后，定义突触受体与突触锚定分子，并赋予其相应的扩散系数。最后，引入突触受体与突触锚定分子之间的化学反应，并利用 MCell 软件对计算模型进行数值求解。该方法可描述每个单个分子在三维几何结构中的时空运动路径，因此在研究突触可塑性发生过程中突触受体进出树突棘的转运过程方面具有重要价值。该方法的一个局限性在于，分子数量较多会显著降低模拟运算速度。利用该方法对树突棘进行建模，可实现对单个树突棘内的同突触增强与抑制，以及相邻树突棘之间异突触可塑性的研究。

引言

突触可塑性与学习和记忆密切相关¹。突触可塑性，例如长时程增强（LTP）和长时程抑制（LTD），分别与AMPA受体（AMPARs）在突触膜上的插入和移除有关²。AMPAR突触位于称为树突棘的小体积结构顶端³。每个树突棘在其突触后膜上含有一个富含蛋白质的区域，称为突触后密度区（PSD）。PSD上的锚定蛋白可将AMPARs捕获在突触区域。单个突触内的AMPARs数量较少，且AMPARs在树突棘中与其他分子的运输和反应属于随机过程^2,4。目前已有一些关于树突棘中突触受体运输的区室化模型^5,6,7,8。然而，目前尚缺乏针对树突及其树突棘三维结构中与突触可塑性相关的AMPARs运输的随机计算模型。

计算建模是研究复杂系统动态背后机制的有用工具，例如在突触可塑性发生过程中树突棘内AMPA受体的反应-扩散过程^9,....

方案

注意：本实验方案中所用术语的词汇表请参见补充文件1。

1. 安装 Blender、CellBlender 和 MCell

注意：本方案需要安装 MCell、Blender 和 Cell Blender。

1. 在 MCell 主页（https://mcell.org/tutorials_iframe.html）下载并安装软件。点击页面顶部的“Downloads”部分，然后按照分步说明在所选环境中下载并安装软件（例如 Linux、Mac OSX 或 Windows）。
   注意：本方案中描述的所有计算模型和模拟均在包含 Blender 2.78、MCell 3.4 和 CellBlender 1.1 的 CellBlender 1.1 软件包上进行测试。该软件包在 Blender 2.79b 上也可正常运行。所有这些软件均为开放获取，无需获得再版许可即可使用。不同版本之间的模型构建与模拟操作说明可能略有差异。本方案部分内容改编自 Czech 等人¹⁶。

2. 创建单个树突棘

注意：本实验方案使用经修饰的球体创建单个树突棘的网格模型，该模型包含树突棘头和树突棘颈。

1. 在主....

结果

这些结果提供了构建模拟树突棘（包括棘头和棘颈）的三维网格的步骤（图1 至 图4）。此外，可在单个树突节段中插入多个树突棘（图5），以研究AMPA受体（AMPARs）的异突触可塑性¹⁴。位于棘头顶部的突触后致密区（PSD）（图6）是突触锚定蛋白结合AMPAR并暂时将其捕获在突触部位的位置（图7、图8）。

可通过每个树突棘上 anchor_AMPAR、anchor_AMPAR_LTP 和 anchor_AMPAR_LTD 这些物种数量的变化，粗略验证突触可塑性。为精确计算突触可塑性的发生情况，建议计算突触处锚定态与游离态 AMPAR.......

讨论

本文介绍了一种用于构建三维网格的方法，以模拟树突棘中树突区段上的反应-扩散型突触可塑性过程。所建立的模型包含一个带有少量树突棘的树突区段。通过AMPA受体（AMPARs）与突触锚定蛋白之间的侧向扩散和反应，可模拟基础动力学过程。该方案中的关键步骤包括：切割球体以形成树突棘头部顶端（图1，图2，图3），拉伸生成树突棘颈部（图4），以及将树突与树突棘合并为单一网格（图5）。必须确保树突棘颈部与树突之间完全重叠，否则网格将无法形成密闭结构。其他关键步骤包括膜区域的选择以及表面类别的定义（图6，图7）。每个关键步骤的文件应以不同名称分别保存。

在创建单个树突棘以及将树突棘与树突.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
Blender	Blender 基金会		https://www.blender.org/
CellBlender	匹兹堡大学		https://mcell.org/
Mcell	匹兹堡大学		https://mcell.org/