Name: 具有突触可塑性树突脊柱的三维建模 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2020-05-18T13:30:00.000+00:00
Duration: 7 min 13 s
Description: 学习使用Blender与CellBlender、MCell进行三维几何建模，模拟树突棘突触可塑性中的AMPA受体动态。该方法为研究复杂非线性神经系统的受体转运机制提供了计算框架。

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本工作部分得到了圣保罗州科学基金会（FAPESP）基金项目 #2015/50122-0 和 IRTG-GRTK 1740/2、IBM/FAPESP 基金项目 #2016/18825-4 以及 FAPESP 基金项目 #2018/06504-4 的支持。

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作者声明不存在任何竞争性经济利益。

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...

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9,10,11,12。该模型可用于可视化复杂情景，调节敏感参数，并在涉及大量难以或无法通过实验控制的变量的科学条件下做出重要预测12,13。确定计算模型的细节水平是获得所模拟现象准确信息的基本步骤。理想的计算模型应在复杂性与简洁性之间取得精巧平衡，以捕捉自然现象的本质特征，同时避免计算成本过高。过于详细的计算模型可能计算代价昂贵；而细节不足的模型则可能缺少捕捉现象动态所必需的基本组分。尽管树突棘的三维建模在计算上比二维和一维更为昂贵，但在某些条件下——例如包含多个非线性变量在时间和三维空间中发生反应与扩散的复杂系统——进行三维水平的建模对于理解系统功能至关重要。此外，可通过谨慎简化以保留低维模型的关键特征，从而降低模型复杂性。
在体积较小且某种特定物种分子拷贝数较少的随机系统中，系统的平均动力学行为会偏离大群体的平均动力学行为。在此情况下，需要采用反应-扩散粒子的随机计算建模方法。本研究介绍了一种用于在三维树突棘中对少量AMPA受体（AMPARs）进行反应-扩散随机建模的方法。该方法的目的是建立包含树突棘及其突触的树突节段三维计算模型，以用于突触可塑性的模拟研究。
该方法使用软件&#160;MCell 对模型进行数值求解，利用 Blender 构建三维网格，并通过 CellBlender 创建和可视化 MCell 模拟过程，包括分子在三维网格中的时空反应-扩散过程14,15,16。Blender 是一套用于创建网格的软件套件，而 CellBlender 是其基础软件 Blender 的一个插件。MCell 是一种用于单分子反应-扩散过程的蒙特卡洛模拟器17。
采用该方法的原理在于模拟突触可塑性，以更深入地理解树突棘微生理环境中这一现象的本质14。特别是，该方法能够模拟树突棘之间的同突触增强、同突触抑制以及异突触可塑性14。
该方法的特点包括对树突及其突触的三维几何结构、分子的随机游走扩散过程，以及与突触可塑性相关的分子化学反应进行建模。该方法的优势在于能够构建丰富的环境，用于检验假设并对具有大量变量的复杂非线性系统的功能进行预测。此外，该方法不仅可用于研究突触可塑性，还可广泛应用于研究分子在三维网格结构中的随机反应-扩散过程。
或者，可以直接在Blender中利用电子显微镜连续切片重建结果构建树突结构的三维网格18。尽管基于连续切片重建的网格能够提供三维结构，但实验数据并不总是可获取。因此，如本实验方案所述，基于基本几何结构构建网格的方法具有较高的灵活性，可用于开发带有树突棘的定制化树突片段。
另一种可选的计算方法是在规则体积内对充分混合的反应进行整体模拟9,10,11,19,20,21,22。整体模拟在求解单个充分混合体积内多种物质的反应时效率很高23，但该整体方法在求解高分辨率三维网格中大量充分混合体素内的反应-扩散过程时速度极慢。相比之下，本方法采用MCell对单个粒子的反应-扩散过程进行模拟，在高分辨率三维网格中具有较高的计算效率15。
在使用此方法之前，应首先判断所研究的现象是否需要在三维网格中采用随机反应-扩散方法。如果该现象涉及的反应物中至少有一种的拷贝数较少（少于1,000个），并在具有小体积区室（如树突棘）的复杂几何结构中扩散，则适用于在三维网格中进行随机反应-扩散建模。
构建包含树突棘及其突触可塑性的树突段三维计算模型需要多个步骤。主要步骤包括：安装用于构建模型的适当软件，构建单个树突棘作为模板以生成多个树突棘，以及创建与多个树突棘相连的树突段。建模突触可塑性的步骤包括在&#160;PSD区域和树突段及树突棘中插入锚定蛋白和AMPARs。随后，定义位于&#160;PSD区域的锚定蛋白与AMPARs之间的动力学反应，形成锚定蛋白-AMPAR复合物，从而将AMPARs滞留在&#160;突触区域。相应地，锚定蛋白与突触AMPARs之间亲和力的增强和减弱分别模拟了LTP和LTD过程。

<table><tbody><tr><td>Blender</td><td>Blender 基金会</td><td></td><td>https://www.blender.org/</td></tr><tr><td>CellBlender</td><td>匹兹堡大学</td><td></td><td>https://mcell.org/</td></tr><tr><td>Mcell</td><td>匹兹堡大学</td><td></td><td>https://mcell.org/</td></tr></tbody></table>

具有突触可塑性的树突棘三维建模

3D Modeling of Dendritic Spines with Synaptic Plasticity

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。

这些结果提供了构建模拟树突棘（包含棘头和棘颈）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AMPA受体并暂时将其捕获在突触部位的位置（图7、图8）。
可通过每个树突棘处 anchor_AMPAR、anchor_AMPAR_LTP 和 anchor_AMPAR_LTD 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AMPARs与游离AMPARs总数的变化...

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。

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……的基本方法。

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。

3d-modeling-of-dendritic-spines-with-synaptic-plasticity

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神经科学

具有突触可塑性树突脊柱的三维建模

最近的多项研究已发现与脑部病理相关的突触蛋白存在突变。原代培养的皮层神经元为研究这些致病相关蛋白对树突棘形态和运动性的影响提供了极大的灵活性。...

培养的中枢神经系统神经元中树突棘形态的分析

来源：Gouder, 等. 来自人诱导性多能干细胞的锥体神经元树突棘的三维定量分析。J. Vis. Exp.

使用共聚焦显微镜成像定量树突棘

本文介绍了一种用于成像海马神经元树突棘的工作方案 体外...

使用结构光照明显微镜成像大鼠原代海马神经元的树突棘

锥体神经元的树突棘是哺乳动物大脑皮层中大多数兴奋性突触的所在部位。本方法描述了对来源于诱导 多能干细胞的人类皮层锥体谷氨酸能神经元的树突棘形态进行三维定量分析。...

源自人诱导性多能干细胞的锥体神经元树突棘三维定量分析

树突棘是大多数兴奋性突触的突触后区室。在神经发育、衰老、学习过程以及许多神经和精神疾病中，树突棘形态会发生改变，这凸显了可靠分析树突棘的重要性。本方案描述了如何使用自动三维神经元重建软件，准确且可重复地量化树突棘形态。...

使用自动三维神经元重建软件进行树突棘定量分析

阿尔茨海默病的一个特征是Aβ1-42肽水平升高。本文提供了一种合成Aβ1-42寡聚体的实验方案，该寡聚体可损害海马区的长时程增强作用（Long-Term...

制备寡聚态β-淀粉样蛋白1-42并诱导海马脑片突触可塑性损伤

FRAP 已被用于定量培养细胞中绿色荧光蛋白（GFP）标记蛋白的移动性。我们通过分析光漂白后荧光恢复的百分比，来检测 GFP 的可移动组分与不可移动组分。在本研究中，FRAP...

培养的海马神经元树突棘中荧光标记蛋白的光漂白后荧光恢复（FRAP）

本报告介绍了利用活细胞成像和光漂白技术，研究在神经元质膜上外源性表达的、pH敏感型GFP标记蛋白的表面表达、转运途径及运输动力学。...

利用荧光恢复与荧光丢失光漂白技术评估培养神经元中膜蛋白的侧向扩散与胞吐作用

本文描述了一种用于监测膜电位变化的成像技术，其空间分辨率达到亚微米级，时间分辨率达到亚毫秒级。该技术基于激光激发电压敏感性染料，可对轴突及轴突侧支、终末树突分支以及单个树突棘中的信号进行测量。...

脑片中单个神经元轴突、树突及树突棘的电压敏感染料记录

本文中，我们介绍了一种快速微离子电渗技术，用于以高空间和时间精度研究突触后信号的整合。...

快速微离子导入谷氨酸和GABA：研究突触整合的有用工具

学习使用Blender与CellBlender、MCell进行三维几何建模，模拟树突棘突触可塑性中的AMPA受体动态。该方法为研究复杂非线性神经系统的受体转运机制提供了计算框架。

具有突触可塑性的树突棘三维建模

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