3D-Modellierung von Dendritischen Stacheln mit synaptischer Plastizität
18. Mai 2020
Das Protokoll entwickelt ein dreidimensionales (3D) Modell eines dendritischen Segments mit dendritischen Stacheln zur Modellierung synaptischer Plastizität. Das konstruierte Netz kann zur rechnerischen Modellierung des AMPA-Rezeptorhandels in der langfristigen synaptischen Plastizität mit dem Softwareprogramm Blender mit CellBlender und MCell verwendet werden.
Computational 3D Geometrische Modellierung der Reaktion chemischer Arten durch Fusion. ist eine nützliche Methode, um die Mechanismen des Rezeptorhandels in und aus dendritischen Wirbelsäule zu studieren, die synaptische Plastizität tut. Diese Technik hat den Vorteil, eine umfassende Umgebung zu schaffen, um Hypothesen und Projektionen über nichtlineare Systeme mit einer großen Anzahl von Variablen zu erstellen.
So erstellen Sie ein Netz aus einer einzelnen dendritischen Wirbelsäule mit einem Wirbelsäulenkopf und einem Wirbelsäulenhals mit einer modifizierten Kugel. Zuerst öffnen Blender. Wenn Cell Blender bereits installiert ist und 5 auf der Tastatur drückt, um von der Perspektive zur orthogonalen Ansicht zu wechseln.
Drücken Sie 1, um zur Frontansicht zu wechseln, und drücken Sie Umschalttaste C, um den Cursor zu zentrieren. Um den Wirbelsäulenkopf zu erstellen, drücken Sie Umschalttaste A, um die Netzpalette zu öffnen, und wählen Sie das Netz aus. Wählen Sie UV-Kugel und legen Sie im Hinzufügen uv Sphere die Größe auf 0,25 und die Ringe auf 32 fest.
Um den oberen Rand des Kopfes flach zu machen, drücken Sie Tab, um Blender aus dem Objektmodus in den Bearbeitungsmodus zu schalten. Drücken Sie B, um die oberen drei Viertel der Kugel auszuwählen, und drücken Sie Löschen, wählen Sie Scheitelpunkte aus und geben Sie die Taste ein, um die Scheitelpunkte zu entfernen. Drücken Sie B, und wählen Sie die Oberseite der Kugel aus.
Drücken Sie E, S, 0 und Enter, um die Spitze der noch ausgewählten Scheitelpunkte zu versiegeln. Und bewegen Sie den blauen Pfeil nach unten, um sich an der Spitze des Wirbelsäulenkopfes auszurichten. Um die Netzauflösung an der Spitze der Wirbelsäule zu erhöhen, wählen Sie Werkzeug und Messer und verwenden Sie das Messer, um einen Kreis um die Mitte der Oberseite zu schneiden.
Wählen Sie dann Werkzeug- und Schleifenschnitt und Schieben viermal aus, um vier konzentrische Kreise um die Mitte der Oberseite zu erstellen. Um den Wirbelsäulenhals zu erstellen, drücken Sie B und wählen Sie die Unterseite des Netzes aus. Drücken Sie Scheitelpunkte löschen und B, und wählen Sie den unteren Rand des Netzes aus.
Drücken Sie E und Z, und wählen Sie minus 0,45 aus, um eine Extrusion zur Z-Achsenposition bei minus 0,45 Mikrometern zu erstellen. Um das Netz mit M-Zellen kompatibel zu machen, drücken Sie Strg T, um das Netz zu triangulieren, und wählen Sie Werkzeug und Doppel entfernen aus. Um eine Einspinne Zudendriten zu erstellen, drücken Sie Umschalttaste A, um die Netzpalette zu öffnen, und wählen Sie Netz und Zylinder aus.
Legen Sie im Menü Zylinder hinzufügen den Radius von 0,3 Mikrometern und die Tiefe auf zwei Mikrometer fest und drücken Sie die Eingabetaste. Drücken Sie R und geben Sie 90 ein, um den Zylinder um 90 Grad zu drehen, und verwenden Sie den blauen Pfeil, um den Zylinder an den unteren Rand der Wirbelsäule zu ziehen. Drücken Sie 3, um eine Vorderansicht des Zylinders zu erhalten, und drücken Sie Z, um das Netz transparent zu machen.
Verwenden Sie den blauen Normalpfeil, um die Basis der Wirbelsäule in das Innere des Zylinders zu bewegen, und klicken Sie mit der rechten Maustaste, um den Dendrit auszuwählen. Wählen Sie Modifikator und Modifikator hinzufügen aus, und wählen Sie Boolean, Operation Union und Objektrücken aus. Klicken Sie auf Anwenden, um ein gemeinsames Netz aus Dendrit und Wirbelsäule zu erstellen.
Dann verwenden Sie die Maus, um das Netz der isolierten Wirbelsäule auszuwählen, und ändern Sie die Position und den Winkel, um jede neue Wirbelsäule in eine physiologische Position einzufügen. Um AMPARs zu erstellen, wählen Sie Moleküle aus und setzen Sie ein neues Molekül ein. Ändern Sie den Namen in AMPAR und ändern Sie den Molekültyp in Surface-Molekül.
Ändern Sie dann die Diffusionskonstante 0,05 mal 10 auf die achten Quadratzentimeter pro Sekunde. Um die an die AMPARs gebundenen Anker während der Basalbedingung an die AMPARs zu zeichnen, öffnen Sie die Plotausgabeeinstellungen und drücken Sie, um die Moleküle zu definieren. Legen Sie dann das Molekül auf Anchor_AMPAR, das Objekt auf Dendrite und die Region auf PSD1 fest.
Um eine Basalbedingungssimulation auszuführen, wählen Sie Simulation ausführen aus. Und legen Sie die Iterationen auf 30.000 und den Zeitschritt auf ein mal 10 bis minus drei Sekunden fest. Klicken Sie auf Exportieren und Ausführen, und warten Sie, bis die Simulation beendet ist.
Wählen Sie am Ende der Simulation Visualisierungsdaten neu laden, Animation wiedergeben, Ausgabeeinstellungen darstellen und darstellen, um die räumlichen zeitlichen Ergebnisse zu visualisieren. Um die homosynaptische Potenzierungsbedingung auszuführen, wählen Sie Molecule Placement und rel_anchorLTP_psd1. Wählen Sie rel_anchorLTP_psd1 aus, und ändern Sie Die Menge in Freigabe auf 200.
Ändern Sie dann Quantity in Release auf Null. Wählen Sie rel_anchor_psd1 aus. Ändern Sie die Menge, um sie auf Null freizugeben, und führen Sie die Simulation wie gerade gezeigt aus.
Synaptische Plastizität kann grob durch Veränderungen in der Anzahl der Arten von AMPARs an Anker an jeder Wirbelsäule gebunden überprüft werden. Für die genaue Berechnung des Auftretens synaptischer Plastizität. Es wird empfohlen, die Variation der Gesamtzahl der verankerten und freien AMPARs an der Synapse zu berechnen.
AMPAR homosynaptische Potenzierung und Depression kann durch Erhöhungen und Abnahmen der Anzahl der verankerten AMPARs bzw. durch Veränderungen in der Affinität von AMPARs durch Anker im Vergleich zum basalen Zustand überprüft werden. Zum Beispiel homosynaptische Langzeitpotenzierung Induktion an einer einzigen Wirbelsäule, erzeugt eine heterosynaptische Langzeitdepression Wirkung an den benachbarten Stacheln. Nach diesem Verfahren kann das Modell erweitert werden, um den Prozess der LTP- und LTD-Induktion an dendritischen Stacheln zu untersuchen.
Diese Methode ermöglicht das Testen von Hypothesen über die Funktionsweise komplexer nichtlinearer Systeme mit einer großen Anzahl von Variablen.
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Übersicht
Diese Studie entwickelt ein dreidimensionales (3D) Modell eines dendritischen Abschnitts, insbesondere mit dendritischen Dornen, zur Simulation der synaptischen Plastizität. Das Modell ermöglicht die rechnergestützte Analyse des Transports von AMPA-Rezeptoren mithilfe von Blender mit CellBlender und MCell und eröffnet Einblicke in die Mechanismen, die synaptischen Veränderungen zugrunde liegen.
Wesentliche Studienkomponenten
Bereich der Wissenschaft
- Computerneurowissenschaft
- synaptische Plastizität
- Modellierung und Simulation
Hintergrund
- Dendritische Dornfortsätze sind entscheidend für die synaptische Plastizität und die Informationsverarbeitung in Neuronen.
- Das Verständnis der Dynamik von AMPA-Rezeptoren kann Einblicke in die Mechanismen von Lernen und Gedächtnis liefern.
- Mithilfe der 3D-Modellierung lässt sich komplexe biologische Systeme detailliert untersuchen.
Zweck der Studie
- Erstellung eines detaillierten Netzmodells zur Untersuchung des Rezeptortransports.
- Erleichterung der Simulation von Prozessen der synaptischen Plastizität.
- Möglichmachung der Überprüfung von Hypothesen bezüglich nichtlinearer Verhaltensweisen in komplexen Systemen.
Verwendete Methoden
- Verwendung der Blender-Software mit CellBlender und MCell für die 3D-Geometriemodellierung.
- Schwerpunkt auf der Erstellung eines Netzes, das einen einzelnen dendritischen Dorn und ein Dendrit darstellt.
- Festlegung kritischer Schritte für die Netzgenerierung, einschließlich der Manipulation von Eckpunkten und Extrusionstechniken.
- Simulationseinstellungen wurden detailliert beschrieben, einschließlich der Bedingungen für basale und potenzierte Zustände.
Hauptergebnisse
- Entwicklung einer Methode zur Verfolgung der Dynamik von AMPA-Rezeptoren unter synaptischen Bedingungen.
- Nachweis, wie Veränderungen in der Rezeptorbindung eine synaptische Potenzierung oder Depression anzeigen können.
- Gewonnene Erkenntnisse über die Wechselwirkung zwischen benachbarten Dornfortsätzen hinsichtlich langzeitiger Potenzierung und Depression.
Schlussfolgerungen
- Diese Studie demonstriert einen rechnergestützten Ansatz zur Visualisierung und Simulation von synaptischen Plastizitätsmechanismen.
- Auswirkungen für das Verständnis der Rolle von AMPA-Rezeptoren bei der Modifikation der synaptischen Stärke.
- Bietet einen Rahmen zur Untersuchung komplexer neuronaler Wechselwirkungen und Plastizitätsdynamiken in einer kontrollierten virtuellen Umgebung.
Häufig gestellte Fragen
Ausschlaggebende Bedeutung für die Industrie
Dieser rechnergestützte 3D-Modellierungsansatz ermöglicht die mechanistische Absicherung von Hypothesen zur synaptischen Plastizität, indem er die Dynamik des Rezeptortransports in dendritischen Dornen simuliert. Er unterstützt die Zielvalidierung in der neurowissenschaftlichen Arzneimittelforschung, indem er quantitative, räumlich aufgelöste Messgrößen für die Verankerung und Diffusion von AMPA-Rezeptoren unter basalen und potenzierten Bedingungen bereitstellt. Die Methode erhöht die Vorhersagesicherheit bei der Identifizierung von Leitverbindungen für Wirkstoffe, die die synaptische Stärke modulieren, insbesondere in therapeutischen Bereichen des Zentralnervensystems, in denen der Rezeptortransport ein zentraler Wirkmechanismus darstellt.
Strategische Anwendungen in der Biopharma-Forschung und -Entwicklung
Frühe Entdeckung und Zielvalidierung
- Wissenschaftlicher Wert: Ermöglicht die Überprüfung therapeutischer Hypothesen bezüglich der Mechanismen des AMPA-Rezeptor-Transports bei der synaptischen Plastizität.
- Operativer Wert: Bietet ein krankheitsrelevantes System zur funktionellen Zielvalidierung synaptischer Proteine, die an der Rezeptorverankerung und -diffusion beteiligt sind.
Screening und Assay-Entwicklung
- Wissenschaftlicher Wert: Erzeugt quantitative Messungen der abhängigen Variablen für verankerte und freie AMPA-Rezeptoren, um die Standardisierung und Reproduzierbarkeit von Assays zu unterstützen.
- Operationaler Wert: Bereitet validierte biologische Modelle für nachgeschaltete Screening-Workflows vor, indem die räumlich-zeitliche Dynamik der Rezeptoren in 3D-Geometrie definiert wird.
Translationale und präklinische Forschung
- Wissenschaftlicher Wert: Unterstützt die Modellierung krankheitsrelevanter Systeme, indem homosynaptische und heterosynaptische Plastizität zwischen benachbarten dendritischen Dornen erfasst wird.
- Operationaler Wert: Ermöglicht risikoadjustierte Entscheidungen über die Weiterentwicklung, indem simuliert wird, wie Änderungen der Rezeptoraffinität die synaptische Stärke über verbundene Dornen hinweg beeinflussen.
Pipeline- und Workflow-Integration
Die Methode integriert sich in den Entdeckungsprozess, von der Hypothesenprüfung in der frühen Entdeckungsphase bis hin zur Leitstrukturoptimierung, durch eine quantitative Bewertung von Veränderungen im Rezeptortrafficking, die der mechanistischen Ent风险minimierung dient.
- Entdeckungsbiochemie: Unterstützt die Hypothesenprüfung und Klärung von Signalwegen durch Simulation nichtlinearer Rezeptordynamik in komplexen synaptischen Umgebungen.
- Screening: Ermöglicht die Bereitschaft für Assays durch standardisierte Simulationsergebnisse, die AMPAR-Bindung unter basalen, potenzierten und deprimierten Bedingungen quantifizieren.
- Analytik: Bietet statistische Analysemöglichkeiten über numerische Lösungen von Diffusions-Reaktionsmodellen, die den Vergleich von Rezeptorpopulationen zwischen verschiedenen Bedingungen ermöglichen.
- Translationale Forschung: Verbindet die Entdeckungsforschung mit der präklinischen Kontinuität, indem Effekte der Signalübertragung von Dornfortsatz zu Dornfortsatz modelliert werden, die für die Plastizität auf Netzwerkebene relevant sind.
- Unternehmensweite Wiederverwendung: Schafft eine wiederverwendbare computerbasierte Plattform zum Testen mehrerer Hypothesen über den Rezeptortransport in verschiedenen neuronalen Modellen.
Operative und unternehmerische Auswirkungen
- Wissenschaftlicher Wert: Erhöht die Vorhersagesicherheit bei der Target-Validierung, indem mechanistische Unklarheiten in Rezeptortransportwegen reduziert werden.
- Operativer Wert: Verbessert die Reproduzierbarkeit und Skalierbarkeit durch standardisierte Erstellung von Netzen und Simulationsprotokolle in Blender/CellBlender/MCell.
- Strategischer Wert: Verbessert Entscheidungen über Fortführung oder Abbruch, indem virtuelle Tests der Wirkstoffeffekte auf synaptische Plastizität vor der experimentellen Validierung ermöglicht werden.
- Portfolio-Wirkung: Unterstützt die risikoadjustierte Priorisierung von ZNS-Targets durch Simulation poly-synaptischer Effekte therapeutischer Interventionen.
Durchführungsüberlegungen
- Erfordert Fachkenntnisse in der computerbasierten Neurowissenschaft, 3D-Modellierung und Reaktions-Diffusions-Simulation.
- Basiert auf Blender mit CellBlender zur Gittererzeugung und MCell zur numerischen Lösung räumlicher Dynamiken.
- Erfordert eine standardisierte Definition von Molekülen, Diffusionskoeffizienten und Spezifikationen von interessierenden Regionen über Teamgrenzen hinweg.
- Beinhaltet Anpassungsüberlegungen, wenn das Modell auf unterschiedliche Dornengeometrien oder synaptische Molekültypen erweitert wird.
- Umfasst praktische Einschränkungen wie eine verlangsamte Simulation bei hohen Molekülzahlen, wie in der Quelle angegeben.
