Modélisation 3D des épines dendritiques avec plasticité synaptique

Résumé

Le protocole développe un modèle tridimensionnel (3D) d’un segment dendritique avec des épines dendritiques pour la modélisation de la plasticité synaptique. Le maillage construit peut être utilisé pour la modélisation computationnelle du trafic des récepteurs AMPA dans la plasticité synaptique à long terme à l’aide du logiciel Blender avec CellBlender et MCell.

Résumé

La modélisation computationnelle de la diffusion et de la réaction des espèces chimiques dans une géométrie tridimensionnelle (3D) est une méthode fondamentale pour comprendre les mécanismes de la plasticité synaptique dans les épines dendritiques. Dans ce protocole, la structure 3D détaillée des dendrites et des épines dendritiques est modélisée avec des mailles sur le logiciel Blender avec CellBlender. Les régions synaptiques et extrasynaptiques sont définies sur le maillage. Ensuite, les molécules de récepteur synaptique et d’ancrage synaptique sont définies avec leurs constantes de diffusion. Enfin, les réactions chimiques entre les récepteurs synaptiques et les ancres synaptiques sont incluses et le modèle de calcul est résolu numériquement avec le logiciel MCell. Cette méthode décrit le chemin spatiotemporal de chaque molécule dans une structure géométrique 3D. Ainsi, il est très utile d’étudier le trafic des récepteurs synaptiques dans et hors des épines dendritiques lors de l’apparition de la plasticité synaptique. Une limitation de cette méthode est que le nombre élevé de molécules ralentit la vitesse des simulations. La modélisation des épines dendritiques avec cette méthode permet l’étude de la potentialisation homosynaptique et de la dépression dans les épines simples et la plasticité hétérosynaptique entre les épines dendritiques voisines.

Introduction

La plasticité synaptique a été associée à l’apprentissage et à la mémoire¹. La plasticité synaptique, telle que la potentialisation à long terme (LTP) et la dépression à long terme (LTD), est associée respectivement à l’insertion et à l’élimination des récepteurs AMPA (AMPARs) dans et hors de la membrane synaptique². Les synapses AMPAR sont situées au-dessus des structures à petit volume appelées épines dendritiques³. Chaque colonne vertébrale contient une région riche en protéines dans la membrane postsynaptique appelée densité postsynaptique (PSD). Les protéines d’ancrage au PSD piègent les AMPA....

Protocole

REMARQUE : Veuillez consulter le fichier supplémentaire 1 pour le glossaire des termes utilisés dans ce protocole.

1. Installer Blender, CellBlender et MCell

REMARQUE : Ce protocole nécessite l’installation de MCell, Blender et Cell Blender.

1. Téléchargez et installez le logiciel sur la page d’accueil de MCell (https://mcell.org/tutorials_iframe.html). Accédez aux téléchargements en haut de la page, puis suivez les instructions étape par étape pour télécharger et installer le logiciel dans l’environnement de choix (par exemple, Linux, Mac OSX ou Windows).
   REMARQUE : Tous les modèles et....

Résultats

Ces résultats fournissent les étapes de la construction d’un maillage 3D qui simule une colonne vertébrale dendritique avec une tête de colonne vertébrale et un cou de la colonne vertébrale (figure 1 à la figure 4). En outre, plusieurs épines dendritiques peuvent être insérées dans un seul segment dendritique (Figure 5) pour étudier la plasticité hétérosynaptique des AMPARs¹⁴. Le PSD sur le dessus de la tête .......

Discussion

Cet article présente une méthode pour la construction de mailles 3D pour la modélisation des processus de plasticité synaptique réaction-diffusion dans un segment dendritique avec des épines dendritiques. Le modèle développé contient un segment dendritique avec peu d’épines dendritiques. La diffusion latérale et la réaction des AMPARs avec des ancres synaptiques permettent la simulation de la dynamique basale. Les étapes critiques du protocole sont la coupe de la sphère pour la création du haut de la tête de la colonne v.......

Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article

Nom	Entreprise	Numéro de catalogue	Commentaires
Blender	Blender Foundation		https://www.blender.org/
CellBlender	Université de Pittsburgh		https://mcell.org/
Mcell	Université de Pittsburgh		https://mcell.org/