Modélisation 3D des épines dendritiques avec plasticité synaptique
18 mai 2020
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.
Modélisation géométrique computationnelle 3D de la réaction des espèces chimiques par fusion. est une méthode utile pour étudier les mécanismes du trafic de récepteurs dans et hors de la colonne vertébrale dendritique fait la plasticité synaptique. Cette technique a l’avantage de créer un environnement riche pour faire des hypothèses et des projections sur les systèmes non ligneux avec un grand nombre de variables.
Pour créer un maillage d’une seule colonne vertébrale dendritique avec une tête de colonne vertébrale et un cou de la colonne vertébrale à l’aide d’une sphère modifiée. Premier blender ouvert. Avec Cell Blender déjà installé et appuyez sur 5 sur le clavier, pour passer de la perspective à la vue orthogonale.
Appuyez sur 1 pour passer à la vue avant et appuyez sur Shift C pour centrer le curseur. Pour créer la tête de la colonne vertébrale, appuyez sur Shift A pour ouvrir la palette Mesh et sélectionnez le Maillage. Sélectionnez sphère UV et dans la sphère UV ajouter, définir la taille à 0,25 et les anneaux à 32.
Pour faire le dessus de la tête à plat appuyez sur onglet pour passer blender du mode Objet au mode Modifier. Appuyez sur B pour sélectionner les trois premiers quarts de la sphère et appuyez sur Supprimer, sélectionnez Vertices et Entrez pour supprimer les vertices. Appuyez sur B et sélectionnez le haut de la sphère.
Appuyez sur E, S, 0 et Entrez pour sceller le haut des vertices encore sélectionnés. Et déplacez la flèche bleue vers le bas pour aligner vers le haut de la tête de la colonne vertébrale. Pour augmenter la résolution du maillage en haut de la colonne vertébrale, sélectionnez outil et couteau et utilisez le couteau pour couper un cercle autour du centre du haut.
Sélectionnez ensuite outil et boucle couper et glisser quatre fois pour créer quatre cercles concentriques autour du centre du haut. Pour créer le cou de la colonne vertébrale appuyez sur B et sélectionnez le fond de la maille. Appuyez sur Supprimer Vertices et B et sélectionnez le fond de la maille.
Appuyez sur E et Z et sélectionnez moins 0,45 pour créer une extrusion à la position de l’axe Z, à moins 0,45 micromètre. Pour rendre le maillage compatible avec la presse à cellules M Ctrl T pour trianguler le maillage et sélectionner tool and remove doubles. Pour créer une colonne vertébrale multiple, appuyez sur Shift A pour ouvrir la palette Mesh et sélectionner Mesh et Cylinder.
Dans le menu Ajouter le cylindre, réglez le rayon de 0,3 micromètre et la profondeur à deux micromètres et appuyez sur Entrez. Appuyez sur R et entrez 90 pour faire pivoter le cylindre de 90 degrés et utilisez la flèche bleue pour faire glisser le cylindre vers le bas de la colonne vertébrale. Appuyez sur 3 pour obtenir une vue avant du cylindre et appuyez sur Z pour rendre le maillage transparent.
Utilisez la flèche bleue normale pour déplacer la base de la colonne vertébrale à l’intérieur du cylindre et cliquez à droite pour sélectionner le Dendrite. Sélectionnez Modifier et Ajouter Modifier et sélectionnez Boolean, Operation Union et sélectionnez Object Spine. Cliquez sur Appliquer pour créer un maillage commun du Dendrite et de la colonne vertébrale.
Ensuite, utilisez la souris pour sélectionner le maillage de la colonne vertébrale isolée, en changeant la position et l’angle pour insérer chaque nouvelle colonne vertébrale dans une position physiologique. Pour créer des AMPARs, sélectionnez Molécules et insérez une nouvelle molécule. Changez le nom en AMPAR et changez le type de molécule en molécule surface.
Ensuite, changer la constante de diffusion 0,05 fois 10 à la huitième centimètre carrée par seconde. Pour tracer les ancres liées aux AMPARs, à la PSD1 pendant l’état basal, ouvrez les paramètres de sortie de la parcelle et appuyez sur pour définir les molécules. Ensuite, réglez la molécule Anchor_AMPAR, l’objet de Dendrite et la Région à PSD1.
Pour exécuter une simulation d’état basal, sélectionnez Exécuter la simulation. Et réglez les itérations à 30 000 et le temps passe à une fois 10 à moins trois secondes. Cliquez sur Export et Exécutez et attendez la fin de la simulation.
À la fin de la simulation, sélectionnez Données de visualisation de recharge, animation de lecture, paramètres de sortie de l’intrigue et intrigue pour visualiser les résultats temporels spatiaux. Pour exécuter l’état de potentialisation homosynaptique sélectionnez Placement de molécule et rel_anchorLTP_psd1. Sélectionnez rel_anchorLTP_psd1 et modifiez la quantité pour la libérer à 200.
Ensuite, changez la quantité pour libérer à zéro. Sélectionnez rel_anchor_psd1. Modifiez la quantité pour la libérer à zéro et exécutez la simulation comme vous venez de le démontrer.
La plasticité synaptique peut être vérifiée à peu près par des changements dans le nombre d’espèces d’AMPARs liées aux ancres à chaque colonne vertébrale. Pour le calcul exact de l’apparition de la plasticité synaptique. Il est recommandé de calculer la variation du nombre total d’AMPARs ancrés et libres à la synapse.
La potentialisation et la dépression homosynaptiques ampar peuvent être vérifiées par des augmentations et des diminutions du nombre d’AMPARs ancrés respectivement, provoquées par des changements dans l’affinité des AMPARs par des ancres par rapport à l’état basal. Par exemple, l’induction de potentialisation à long terme homosynaptique à une seule colonne vertébrale, crée un effet de dépression hétérosynaptique à long terme aux épines voisines. Suite à cette procédure, le modèle peut être élargi pour étudier le processus d’induction de LTP et ltd aux épines dendritiques.
Cette méthode permet de tester des hypothèses sur le fonctionnement de systèmes non linéaires complexes avec un grand nombre de variables.
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Aperçu
Cette étude développe un modèle tridimensionnel (3D) d’un segment dendritique, spécifiquement doté d’épines dendritiques, afin de simuler la plasticité synaptique. Ce modèle permet une analyse computationnelle du trafic des récepteurs AMPA à l’aide de Blender combiné à CellBlender et MCell, offrant ainsi des aperçus sur les mécanismes sous-jacents aux modifications synaptiques.
Composantes clés de l'étude
Domaine scientifique
- Neurosciences computationnelles
- Plasticité synaptique
- Modélisation et simulation
Contexte
- Les épines dendritiques sont essentielles à la plasticité synaptique et au traitement de l'information dans les neurones.
- La compréhension de la dynamique des récepteurs AMPA peut fournir des informations sur les mécanismes d'apprentissage et de mémoire.
- La modélisation 3D permet un examen détaillé des systèmes biologiques complexes.
Objectif de l'étude
- Créer un modèle maillé détaillé pour étudier le trafic des récepteurs.
- Faciliter la simulation des processus de plasticité synaptique.
- Permettre la vérification d'hypothèses concernant les comportements non linéaires dans les systèmes complexes.
Méthodes utilisées
- Utilisation du logiciel Blender avec CellBlender et MCell pour la modélisation géométrique en 3D.
- Concentration sur la création d'un maillage représentant une épine dendritique unique et un dendrite.
- Définition des étapes critiques de création du maillage, incluant la manipulation des sommets et les techniques d'extrusion.
- Les paramètres de simulation ont été détaillés, incluant les conditions des états basal et potentiel.
Résultats principaux
- Mise en place d'une méthode permettant de suivre la dynamique des récepteurs AMPA dans des conditions synaptiques.
- Mise en évidence de la manière dont les changements dans la liaison des récepteurs peuvent indiquer une potentialisation ou une dépression synaptique.
- Apport de précisions sur l'interaction entre épines voisines en ce qui concerne la potentialisation et la dépression à long terme.
Conclusions
- La présente étude démontre une approche computationnelle permettant de visualiser et de simuler les mécanismes de plasticité synaptique.
- Implications pour la compréhension du rôle des récepteurs AMPA dans les modifications de la force synaptique.
- Propose un cadre pour explorer les interactions neuronales complexes et la dynamique de la plasticité dans un environnement virtuel contrôlé.
Questions fréquemment posées
Pertinence industrielle pour les cadres
Cette approche computationnelle de modélisation 3D permet une détection mécanistique des hypothèses relatives à la plasticité synaptique en simulant la dynamique du trafic des récepteurs dans les épines dendritiques. Elle facilite la validation des cibles en découverte de médicaments en neurosciences en fournissant des mesures quantitatives, résolues spatialement, de l’ancrage et de la diffusion des récepteurs AMPA dans des conditions basales et potentielles. La méthode renforce la confiance prédictive dans l’identification de composés candidats modulant la force synaptique, en particulier dans les domaines thérapeutiques du SNC où le trafic des récepteurs constitue un mécanisme d’action clé.
Applications stratégiques en recherche et développement biopharmaceutique
Début de la découverte et validation de la cible
- Valeur scientifique : Permet l'interrogation d'hypothèses thérapeutiques concernant les mécanismes de trafic des récepteurs AMPA dans la plasticité synaptique.
- Valeur opérationnelle : Fournit un système pertinent pour la maladie afin de valider fonctionnellement des cibles impliquées dans l'ancrage et la diffusion des protéines synaptiques.
Développement de tests et criblage
- Valeur scientifique : Génère des mesures quantitatives de variables dépendantes des récepteurs AMPA ancrés et libres afin de soutenir la standardisation et la reproductibilité des tests.
- Valeur opérationnelle : Prépare des modèles biologiques validés pour des protocoles de criblage en aval en définissant la dynamique spatiotemporelle des récepteurs en géométrie tridimensionnelle.
Recherche translationnelle et préclinique
- Valeur scientifique : Permet la modélisation de systèmes pertinents pour les maladies en capturant la plasticité homosynaptique et hétérosynaptique entre les épines dendritiques voisines.
- Valeur opérationnelle : Permet de prendre des décisions d'avancement ajustées au risque en simulant la manière dont les variations d'affinité des récepteurs affectent la force synaptique au niveau des épines connectées.
Intégration des pipelines et des flux de travail
La méthode s'intègre dans la continuité de la découverte, depuis les tests d'hypothèses en phase initiale jusqu'à l'optimisation du composé, grâce à une évaluation quantitative des modifications du trafic des récepteurs permettant d'éclairer la détection mécanistique des risques.
- Biologie de la découverte : Facilite la vérification d'hypothèses et l'élucidation des voies en simulant la dynamique non linéaire des récepteurs dans des environnements synaptiques complexes.
- Screening : Assure la préparation des tests grâce à des sorties de simulation normalisées qui quantifient la liaison des récepteurs AMPAR dans des conditions basales, potentialisées et déprimées.
- Analytique : Offre des fonctionnalités d'analyse statistique par le biais de solutions numériques de modèles de diffusion-réaction permettant la comparaison des populations de récepteurs selon différentes conditions.
- Recherche translationnelle : Relie la découverte à la continuité préclinique en modélisant les effets de la signalisation entre épines dendritiques, pertinents pour la plasticité au niveau du réseau.
- Réutilisation en entreprise : Met en place une plateforme computationnelle réutilisable pour tester plusieurs hypothèses concernant le trafic des récepteurs dans divers modèles neuronaux.
Impact opérationnel et organisationnel
- Valeur scientifique : Accroît la confiance prédictive dans la validation des cibles en réduisant l'ambiguïté mécanistique des voies de trafic des récepteurs.
- Valeur opérationnelle : Améliore la reproductibilité et l'évolutivité grâce à la création normalisée de maillages et à des protocoles de simulation dans Blender/CellBlender/MCell.
- Valeur stratégique : Affine les décisions d'avancement ou d'abandon en permettant des tests virtuels des effets des composés sur la plasticité synaptique avant toute validation en laboratoire.
- Impact sur le portefeuille : Favorise la priorisation des cibles du SNC ajustée au risque en simulant les effets polysynaptiques des interventions thérapeutiques.
Considérations relatives à la mise en œuvre
- Nécessite une expertise en neurosciences computationnelles, en modélisation 3D et en simulation de réaction-diffusion.
- Repose sur Blender avec CellBlender pour la génération de maillages et MCell pour la résolution numérique des dynamiques spatiales.
- Exige une standardisation inter-équipes des définitions des molécules, des constantes de diffusion et des spécifications des régions d’intérêt.
- Implique des considérations d’adaptation lors de l’extension du modèle à différentes géométries de dendrites ou à divers types de molécules synaptiques.
- Comprend des limites pratiques telles qu’une réduction de la vitesse de simulation avec un nombre élevé de molécules, comme indiqué dans la source.
