מידול תלת-מיוד של קוצים דנדריטיים עם פלסטיות סינפטית
18 במאי 2020
הפרוטוקול מפתח מודל תלת מימדי (תלת מימדי) של קטע דנדריטי עם קוצים דנדריטיים למידול פלסטיות סינפטית. רשת בנויה יכול לשמש מידול חישובי של סחר קולטן AMPA פלסטיות סינפטית לטווח ארוך באמצעות תוכנית התוכנה בלנדר עם CellBlender ו MCell.
מידול גיאומטרי תלת מימדי חישובי של תגובת מינים כימיים באמצעות היתוך. היא שיטה שימושית לחקר המנגנונים של סחר לקולטן פנימה ומבחוץ של עמוד השדרה דנדריטי עושה פלסטיות סינפטית. טכניקה זו יש את היתרון של יצירת סביבה עשירה להכנת השערות והקרנות על מערכות לא ליניאריות עם מספר רב של משתנים.
כדי ליצור רשת של עמוד שדרה דנדריטי יחיד עם ראש עמוד שדרה וצוואר עמוד שדרה באמצעות כדור שונה. בלנדר פתוח ראשון. כאשר Cell Blender כבר מותקן ולחץ על 5 בלוח המקשים, כדי לשנות את הפרספקטיבה לתצוגה אורתוגונלית.
הקש 1 כדי לעבור לתצוגה הקדמית והקש Shift C כדי למרכז את הסמן. ליצירת ראש השידרה הקישו Shift A לפתיחת לוח שינוי ובחרו באפשרות 'רשת שינוי'. בחר כדור UV ובתחום הוספת UV, הגדר את הגודל ל- 0.25 ואת הטבעות ל- 32.
כדי להפוך את החלק העליון של הראש שטוח הקש Tab כדי לעבור בלנדר מ מצב אובייקט למצב עריכה. הקש B כדי לבחור את שלושת הרבעונים העליונים של הכדור והקש Delete, בחר קודקודים והזן כדי להסיר את הקודקודים. הקש B ובחר את החלק העליון של הכדור.
הקש E, S, 0 ו- Enter כדי לאטום את החלק העליון של הקודקודים שעדיין נבחרו. ולהזיז את החץ הכחול למטה כדי ליישר לראש עמוד השדרה. להגדלת רזולוציית רשת שינוי בחלק העליון של עמוד השדרה, בחרו 'כלי וסכין' ולהשתמש בסכין כדי לחתוך עיגול סביב מרכז החלק העליון.
לאחר מכן בחרו 'כלי' ו'גזור לולאה' והחליקו ארבע פעמים כדי ליצור ארבעה עיגולים קונצנטריים סביב מרכז החלק העליון. ליצירת צוואר עמוד השדרה לחצו על B ובחרו בתחתית רשת שינוי. הקש Delete Vertices ו- B ובחר בתחתית רשת שינוי.
הקש E ו- Z ובחר מינוס 0.45 כדי ליצור שבלט למיקום ציר Z, במינוס 0.45 מיקרו מטרים. כדי להפוך את רשת שינוי תואמת עם תא M הקש Ctrl T כדי לאתר את רשת שינוי ובחר כלי ולהסיר זוגות. ליצירת שידריט מרובה, הקישו Shift A לפתיחת לוח שינוי ובחרו 'רשת שינוי' ו'גליל'.
בתפריט הוספת גליל, הגדר את הרדיוס 0.3 מיקרומטר ואת העומק לשני מיקרומטרים והקש Enter. הקש R והזן 90 כדי לסובב את הצילינדר ב- 90 מעלות ולהשתמש בחץ הכחול כדי לגרור את הצילינדר לתחתית עמוד השדרה. הקש 3 כדי לקבל תצוגה קדמית של הצילינדר והקש Z כדי להפוך את רשת שינוי לשקופה.
השתמש בחץ הכחול הנורמלי כדי להזיז את בסיס השידרה אל פנים הצילינדר ולחץ באמצעות לחצן העכבר הימני כדי לבחור את ה- Dendrite. בחרו 'משנה' ו'הוסף משנה' ובחרו 'בוליאני', 'מבצע איחוד' ובחרו 'שידרת אובייקט'. לחץ על החל כדי ליצור רשת שינוי משותפת של דנדריט ועמוד השדרה.
לאחר מכן השתמש בעכבר כדי לבחור את רשת שינוי השדרה המבודדת, לשנות את המיקום והזווית כדי להכניס כל עמוד שדרה חדש במצב פיזיולוגי. כדי ליצור אמפארים, בחר מולקולות והכנס מולקולה חדשה. שנה את השם ל- AMPAR ושנה את סוג המולקולה למולקולת פני השטח.
לאחר מכן לשנות את קבוע דיפוזיה 0.05 פעמים 10 לסנטימטרים מרובעים השמיני לשנייה. כדי להתוות את העוגנים המאוגדים ל- AMPARs, ב- PSD1 במהלך מצב בסיסי, פתח את הגדרות פלט התוויית ולחץ כדי להגדיר את המולקולות. לאחר מכן הגדר את המולקולה Anchor_AMPAR, את האובייקט לדנדריט ואת האזור ל- PSD1.
כדי להפעיל הדמיית מצב בסיס, בחר הפעל הדמיה. ותגדיר את איטרציות ל30, 000 ואת צעד הזמן לפעם אחת 10 למינוס שלוש שניות. לחץ על יצא והפעל והמתן לסיום ההדמיה.
בסוף הסימולציה, בחר טען מחדש נתוני תצוגה חזותית, הפעל הנפשה, התווה הגדרות פלט ותוויה כדי להמחיש את התוצאות הזמניות המרחביות. כדי להפעיל את מצב potentiation homosynaptic לבחור מיקום מולקולה rel_anchorLTP_psd1. בחר rel_anchorLTP_psd1 ושנה את כמות לשחרור ל- 200.
לאחר מכן שנה את הכמות לשחרור לאפס. בחר rel_anchor_psd1. שנה את הכמות כדי לשחרר לאפס והפעל את הסימולציה כפי שהודגם זה הרגע.
פלסטיות סינפטית ניתן לאמת בערך באמצעות שינויים במספר המינים של אמפארים מאוגדים עוגנים בכל עמוד שדרה. לחישוב המדויק של התרחשות הפלסטיות הסינפטית. מומלץ לחשב את הווריאציה של המספרים הכוללים של אמפארים מעוגנים וחופשיים בסינאפזה.
AMPAR homosynaptic potentiation ודיכאון ניתן לאמת באמצעות עליות וי ירידות במספר אמפרים מעוגנים בהתאמה, הנגרמת על ידי שינויים בזיקה של אמפרים על ידי עוגנים בהשוואה למצב הבסיסי. לדוגמה, אינדוקציה של פוטנציה ארוכת טווח הומוסינאפטית בעמוד שדרה אחד, יוצרת אפקט דיכאון הטרוסינאפטי לטווח ארוך בקוצים השכנים. בעקבות הליך זה, ניתן להרחיב את המודל כדי לחקור את התהליך של אינדוקציה LTP ו- LTD בקוצים דנדריטיים.
שיטות אלה מאפשרות בדיקת השערה על תפקודן של מערכות לא ליניאריות מורכבות עם מספר רב של משתנים.
צפו בתמליל המלא וקבלו גישה לאלפי סרטונים מדעיים
סקירה כללית
מחקר זה מפתח מודל תלת-ממדי (3D) של מקטע דנדריטי, ובפרט עם קוצים דנדריטיים, לצורך סימולציה של פלסטיות סינפטית. המודל מאפשר ניתוח חישובי של תנועת קולטני AMPA באמצעות Blender עם CellBlender ו-MCell, ובכך מספק תובנות לגבי המנגנונים העומדים בבסיס שינויים סינפטיים.
מרכיבי מפתח של המחקר
תחום המדע
- מדעי המוח החישוביים
- פלסטיות סינפטית
- מידול וסימולציה
רקע
- קוצים דנדריטיים הם קריטיים עבור פלסטיות סינפטית ועיבוד מידע בנוירונים.
- הבנת הדינמיקה של קולטני AMPA יכולה לספק תובנות לגבי מנגנוני למידה וזיכרון.
- מידול בתלת-ממד מאפשר בחינה מפורטת של מערכות ביולוגיות מורכבות.
מטרת המחקר
- ליצירת מודל רשת מפורט לחקירת תעתוע קולטנים (receptor trafficking).
- להקל על סימולציה של תהליכי פלסטיות סינפטית.
- לאפשר בדיקת היפותזות בנוגע להתנהגויות לא-ליניאריות במערכות מורכבות.
שיטות שנעשה בהן שימוש
- שימוש בתוכנת Blender עם CellBlender ו-MCell לצורך מידול גיאומטרי תלת-ממדי.
- התמקדות ביצירת רשת (mesh) המייצגת קוץ דנדריטי בודד ודנדריט.
- הגדרה של שלבים קריטיים ליצירת הרשת, כולל מניפולציה של קודקודים וטכניקות אקסטרוזיה.
- פירוט הגדרות הסימולציה, כולל תנאים למצבים בסיסיים ומצבים מחוזקים (potentiated).
תוצאות עיקריות
- ביסוס שיטה למעקב אחר הדינמיקה של רצפטורי AMPA בתנאים סינפטיים.
- הדגמה כיצד שינויים בקישור הרצפטורים יכולים להעיד על פוטנציאציה או דפרסיה סינפטית.
- אספקת תובנות לגבי האינטראקציה בין קוצים שכנים בהקשר של פוטנציאציה ודפרסיה לטווח ארוך.
מסקנות
- מחקר זה מדגים גישה חישובית להדמיה ולסימולציה של מנגנוני פלסטיות סינפטית.
- השלכות להבנת תפקידם של קולטני AMPA בשינויים של חוזק סינפטי.
- מציע מסגרת לבחינת אינטראקציות עצביות מורכבות ודינמיקת פלסטיות בסביבה וירטואלית מבוקרת.
שאלות נפוצות
רלוונטיות תעשייתית מובילה
גישה זו למידול תלת-ממדי חישובי מאפשרת הפחתת סיכונים מכניסטית של היפותזות על פלסטיות סינפטית, על ידי סימולציה של דינמיקת תעבורת קולטנים בקוצים דנדריטיים. היא תומכת בתיקוף מטרות (target validation) בתגליות של תרופות למדעי העצבים, באמצעות אספקת תוצאות כמותיות בעלות רזולוציה מרחבית של עיגון ודיפוזיה של קולטני AMPA בתנאים בסיסיים ובתנאי פוטנציאציה. השיטה מגבירה את הביטחון החזוי בזיהוי מועמדים (lead identification) עבור תרכובות המודולטיביות של חוזק סינפטי, במיוחד בתחומי טיפול במערכת העצבים המרכזית (CNS) שבהם תעבורת קולטנים היא מנגנון פעולה מרכזי.
יישומים אסטרטגיים במחקר ופיתוח בביופארמה
גילוי מוקדם ותיקוף מטרה
- ערך מדעי: מאפשר בדיקה של היפותזות טיפוליות הנוגעות למנגנוני תעתוע של קולטני AMPA בפלסטיקה סינפטית.
- ערך תפעולי: מספק מערכת רלוונטית למחלה עבור תיקוף פונקציונלי של מטרות של חלבונים סינפטיים המעורבים בעיגון ודיפוזיה של קולטנים.
סריקה ופיתוח בדיקה
- ערך מדעי: מייצר מדידות כמותיות של משתנים תלויים עבור AMPARs מעוגנים וחופשיים, כדי לתמוך בסטנדרטיזציה ובשחזור של הבדיקה.
- ערך תפעולי: מכין מודלים ביולוגיים מתוקפים עבור תהליכי סינון המשך, על ידי הגדרת הדינמיקה המרחבית-זמנית של הרספטורים בגיאומטריה תלת-ממדית.
מחקר תרגומי ופרה-קליני
- ערך מדעי: תומך במידול מערכות הרלוונטיות למחלה על ידי לכידה של פלסטיות הומוסינפטית והטרוסינפטית בין קוצים דנדריטיים שכנים.
- ערך תפעולי: מאפשר קבלת החלטות על קידום המבוסס על התאמת סיכונים, על ידי סימולציה של האופן שבו שינויים באפיניות של קולטנים משפיעים על עוצמה סינפטית לאורך קוצים מחוברים.
שילוב תהליכי עבודה וצינורי עיבוד
השיטה משתלבת ברצף הגילוי, החל מבדיקת השערות בשלבי הגילוי המוקדמים ועד לאופטימיזציה של מובילים, באמצעות הערכה כמותית של שינויים בתעבורת רצפטורים המספקת מידע להפחתת סיכונים מכנית.
- ביולוגיה של גילוי: תומך בבדיקת השערות ובבירור מסלולים על ידי סימולציה של דינמיקת קולטנים לא-ליניארית בסביבות סינפטיות מורכבות.
- סריקה: מספק מוכנות לבדיקה באמצעות פלטי סימולציה סטנדרטיים המכמתים את קישור ה-AMPAR בתנאים בסיסיים, מועצמים ומדוכאים.
- אנליטיקה: מספק יכולות ניתוח סטטיסטי באמצעות פתרונות מספריים של מודלי דיפוזיה-תגובה המאפשרים השוואה של אוכלוסיות קולטנים בין תנאים שונים.
- מחקר תרגומי: מקשר בין שלב הגילוי להמשכיות פרה-קלינית על ידי מידול השפעות איתות בין קוצים (spine-to-spine) הרלוונטיות לפלסטיות ברמת הרשת.
- שימוש חוזר ארגוני: מבסס פלטפורמה חישובית לשימוש חוזר לבדיקת השערות מרובות בנוגע לתעבורת קולטנים במודלים נוירונליים מגוונים.
השפעה תפעולית וארגונית
- ערך מדעי: מגביר את הביטחון החזוי בתיקוף מטרות על ידי הפחתת עמימות מכניסטית במסלולי הובלה של רצפטורים.
- ערך תפעולי: משפר את השחזוריות והיכולת להרחבה (scalability) באמצעות פרוטוקולים סטנדרטיים ליצירת רשת וסימולציה ב-Blender/CellBlender/MCell.
- ערך אסטרטגי: משפר החלטות go/no-go על ידי מתן אפשרות לבדיקה וירטואלית של השפעות תרכובות על פלסטיקה סינפטית לפני תיקוף במעבדה (wet-lab).
- השפעה על תיק הפיתוח: תומך בתיעדוף של מטרות במערכת העצבים המרכזית (CNS) בהתאם לסיכון, על ידי סימולציה של השפעות פולי-סינפטיות של התערבויות טיפוליות.
שיקולי יישום
- דורש מומחיות במדעי המוח החישובים, מידול תלת-ממדי וסימולציית תגובה-דיפוזיה.
- תלוי ב-Blender עם CellBlender ליצירת רשתים (mesh) וב-MCell לפתרון נומרי של דינמיקה מרחבית.
- מחייב סטנדרטיזציה חוצת-צוותים של הגדרות מולקולות, קבועי דיפוזיה ואפיון של אזורי עניין (ROI).
- כולל שיקולי התאמה בעת הרחבת המודל לגאומטריות שונות של קוצים דנדריטים או לסוגים שונים של מולקולות סינפטיות.
- כולל מגבלות מעשיות, כגון ירידה במהירות הסימולציה כאשר מספר המולקולות גבוה, כפי שצוין במקור.
