具有突触可塑性的树突棘三维建模
2020年5月18日
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。
通过融合对化学物种反应进行计算三维几何建模，是研究树突棘内及树突棘外受体运输机制在突触可塑性中作用的一种有效方法。该技术的优势在于能够为具有大量变量的非线性系统构建丰富的假设和预测环境。
使用经过修改的球体创建包含树突棘头和树突棘颈的单个树突棘网格。首先打开 Blender，在已安装 CellBlender 的情况下，按键盘上的数字 5，将视图从透视模式切换为正交视图。
按 1 切换到前视图，按 Shift C 将光标居中。要创建树突棘头部，按 Shift A 打开网格菜单，选择“网格”，选择“UV 球体”，在添加 UV 球体时，将大小设置为 0.25，环数设置为 32。
为了使头部顶部变平，按 Tab 键将 Blender 从物体模式切换到编辑模式。按 B 键选择球体的上四分之三部分，然后按 Delete 键，选择“顶点”并按 Enter 键删除这些顶点。再次按 B 键并选择球体的顶部。
按 E、S、0，然后按 Enter 键，以封住仍被选中的顶点顶部。移动蓝色箭头向下，使其与脊头顶部对齐。为了提高脊顶部的网格分辨率，选择工具中的“刀具”，并使用刀具在顶部中心周围切割出一个圆形。
然后选择工具，进行环形切割并滑动四次，在顶部中心周围创建四个同心圆。要创建脊柱颈部，按下 B 键并选择网格的底部，按下删除顶点，再次按下 B 键并选择网格的底部。
按 E 和 Z 键，选择 -0.45，以在 Z 轴方向上创建一个延伸至 -0.45 微米位置的挤出。为了使网格与 M 细胞兼容，请按 Ctrl T 对网格进行三角化，然后选择工具并移除重复顶点。要创建多个棘突的树突，请按 Shift A 打开网格调色板，选择网格和圆柱体。
在“添加圆柱体”菜单中，将半径设置为 0.3 微米，深度设置为 2 微米，然后按 Enter 键。按 R 键并输入 90，将圆柱体旋转 90 度，并使用蓝色箭头将圆柱体拖动到树突棘的底部。按 3 键以获得圆柱体的前视图，按 Z 键使网格变为透明。
使用蓝色的法向箭头将脊柱的基部移动到圆柱体内部，然后右键单击选择树突。选择修改器，添加修改器，选择布尔运算，操作类型为并集，并选择对象脊柱。单击应用，以创建树突与脊柱的联合网格。
然后使用鼠标选择分离的树突棘的网格，调整位置和角度，以将每个新的树突棘插入到生理位置。要创建AMPARs，选择“分子”以插入新分子。将名称更改为AMPAR，并将分子类型更改为表面分子。
然后将扩散常数改为 0.05 乘以 10 的 8 次方平方厘米每秒。为了绘制在基础状态下结合于 PSD1 处 AMPARs 的锚定蛋白，请打开“绘图输出设置”，点击“定义分子”。随后将“分子”设为 Anchor_AMPAR，“对象”设为 Dendrite，“区域”设为 PSD1。
运行基础条件模拟时，选择“运行模拟”，将迭代次数设置为 30,000，时间步长设置为 1×10⁻³ 秒。点击“导出并运行”，等待模拟结束。
模拟结束后，选择“重新加载可视化数据”、“播放动画”、“绘图输出设置”并绘图以可视化时空结果。要运行同突触增强条件，请选择“分子放置”和 rel_anchorLTP_psd1。选中 rel_anchorLTP_psd1 并将“释放数量”更改为 200。
然后将释放数量改为零。选择 rel_anchor_psd1，将释放数量改为零，并按照刚刚演示的方法运行模拟。
可以通过每个树突棘上锚定的AMPA受体（AMPARs）种类数量的变化来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AMPARs总数的变化。
通过锚定AMPAR数量的增加或减少，可以分别验证AMPAR的同突触增强和减弱，这是由于锚定蛋白对AMPAR的亲和力相较于基础状态发生变化所致。例如，在单个树突棘上诱导同突触长时程增强（LTP），会在邻近的树突棘上产生异突触长时程抑制（LTD）效应。通过此过程，该模型可进一步扩展，用于研究树突棘上LTP和LTD的诱导机制。
该方法可用于检验关于具有大量变量的复杂非线性系统功能的假设。
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概述
本研究建立了一个树突段的三维（3D）模型，特别是包含树突棘的模型，用于模拟突触可塑性。该模型利用Blender结合CellBlender和MCell进行AMPA受体转运的计算分析，有助于深入理解突触变化的潜在机制。
关键研究组成部分
科学领域
- 计算神经科学
- 突触可塑性
- 建模与仿真
背景
- 树突棘对神经元中的突触可塑性和信息处理至关重要。
- 了解AMPA受体动态可为学习和记忆机制提供见解。
- 三维建模可实现对复杂生物系统的详细研究。
研究目的
- 构建详细的网格模型，以研究受体转运过程。
- 促进突触可塑性过程的模拟。
- 实现对复杂系统中非线性行为相关假设的检验。
使用方法
- 使用 Blender 软件结合 CellBlender 和 MCell 进行三维几何建模。
- 重点创建代表单个树突棘和树突的网格结构。
- 定义了网格创建的关键步骤，包括顶点操作和拉伸技术。
- 详细说明了模拟设置，包括基础状态和增强状态的条件。
主要结果
- 建立了一种在突触条件下追踪AMPA受体动态的方法。
- 阐明了受体结合状态的变化如何指示突触增强或减弱。
- 提供了关于邻近树突棘之间在长时程增强和长时程抑制方面相互作用的见解。
结论
- 本研究展示了一种用于可视化和模拟突触可塑性机制的计算方法。
- 有助于理解AMPA受体在突触强度改变中的作用。
- 提供了一个在受控的虚拟环境中探索复杂神经元相互作用和可塑性动态的框架。
常见问题
行业重要性概述
这种计算型三维建模方法通过模拟树突棘中受体的转运动力学，实现了对突触可塑性假说的机制性风险评估。该方法通过在基础状态和增强状态下提供对AMPA受体锚定与扩散的定量、空间分辨的读数，支持神经科学药物研发中的靶点验证。该技术提高了调控突触强度化合物在先导化合物筛选中的预测可信度，特别是在受体转运作为关键作用机制的中枢神经系统治疗领域。
生物制药研发中的战略应用
早期发现与靶点验证
- 科学价值：可探究关于AMPA受体在突触可塑性中转运机制的治疗假设。
- 操作价值：提供一种与疾病相关的系统，用于验证参与受体锚定和扩散的突触蛋白的功能性靶点。
筛选与检测方法开发
- 科学价值：生成锚定型和游离型AMPARs的定量因变量测量结果，以支持检测方法的标准化和可重复性。
- 操作价值：通过定义三维空间中的受体时空动态，为下游筛选流程准备经过验证的生物模型。
转化与临床前研究
- 科学价值：通过捕捉相邻树突棘之间的同突触和异突触可塑性，支持与疾病相关的系统建模。
- 操作价值：通过模拟受体亲和力的变化如何影响相连树突棘间的突触强度，实现基于风险评估的推进决策。
流程与工作流整合
该方法可融入从早期发现阶段的假设验证到先导化合物优化的整个发现流程，通过定量评估受体转位变化，为机制性风险消除提供依据。
- 发现生物学：通过模拟复杂突触环境中非线性受体动力学，支持假设验证与通路阐明。
- 筛选：提供标准化的模拟输出，量化基础状态、增强状态和抑制状态下的AMPAR结合情况，实现检测就绪。
- 分析：通过扩散-反应模型的数值解提供统计分析能力，支持在不同条件下对受体群体进行比较。
- 转化研究：通过建模与网络水平可塑性相关的树突棘间信号效应，连接发现研究与临床前研究的连续性。
- 企业级复用：建立可重复使用的计算平台，用于在多种神经元模型中测试关于受体转运的多个假设。
运营与企业影响
- 科学价值：通过降低受体转运通路中的机制模糊性，提高靶点验证的预测可信度。
- 操作价值：通过在Blender/CellBlender/MCell中采用标准化的网格构建与模拟协议，增强实验的可重复性与可扩展性。
- 战略价值：在湿实验验证之前，通过虚拟测试化合物对突触可塑性的影响，优化“推进/终止”决策。
- 项目组合影响：通过模拟治疗干预对多突触效应的影响，支持对中枢神经系统靶点进行风险调整后的优先排序。
实施注意事项
- 需要具备计算神经科学、三维建模和反应-扩散模拟方面的专业知识。
- 依赖于使用 CellBlender 插件的 Blender 进行网格生成，以及使用 MCell 进行空间动力学的数值求解。
- 需要跨团队对分子定义、扩散系数和感兴趣区域的规范进行标准化。
- 在将模型扩展至不同树突棘几何形态或突触分子类型时，需考虑模型的适应性调整。
- 存在实际限制，例如当分子数量较多时模拟速度降低，如原始文献所述。
