シナプス可塑性を用いた樹状脊椎の3Dモデリング
2020年5月18日
このプロトコルは、シナプス可塑性をモデリングするための樹状脊椎を持つ樹状セグメントの3次元(3D)モデルを開発します。構築されたメッシュは、CellBlender および MCell を使用するソフトウェア プログラム Blender を使用して、長期的なシナプス可塑性における AMPA 受容体の密売の計算モデリングに使用できます。
核融合による化学種反応の計算3D幾何学的モデリング樹状脊椎の内在および内在する受容体の密売のメカニズムを研究するための有用な方法は、シナプス可塑性を行っている。この手法には、多数の変数を持つ非線形系に関する仮説や投影を作成するための豊富な環境を作成できるという利点があります。
変更された球を使用して、脊椎ヘッドと脊椎首を持つ単一の樹状脊椎のメッシュを作成します。最初のブレンダーを開きます。セルブレンダーが既にインストールされている場合は、キーパッドの5を押して、視点から直交ビューに変更します。
1 を押して正面図に変更し、Shift C キーを押してカーソルを中央に配置します。脊椎ヘッドを作成するには、Shift A キーを押してメッシュ パレットを開き、メッシュを選択します。[UV 球]を選択し、[UV 球体を追加]でサイズを 0.25 に、リングを 32 に設定します。
頭の上端をフラットにするには、Tab キーを押して Blender をオブジェクト モードから編集モードに切り替えます。B キーを押して球の上部の 3 分の 1 を選択し、[Delete]を押して、[頂点]を選択し、[Enter]を選択して頂点を削除します。B を押して球の上部を選択します。
E、S、0、Enter キーを押して、選択した頂点の上部をシールします。そして、青い矢印を下に移動して、脊椎の頭の上に揃えます。脊椎の上部のメッシュ解像度を上げるには、[ツール]と[ナイフ]を選択し、ナイフを使用して上部の中心を囲む円をカットします。
次に、[ツールとループカット]を選択し、4回スライドして、上部の中心を中心に4つの同心円を作成します。脊椎の首を作成するには、B を押してメッシュの下部を選択します。頂点を削除して B を押し、メッシュの下部を選択します。
E と Z を押してマイナス 0.45 を選択し、Z 軸の位置に対してマイナス 0.45 マイクロメートルの押し出しを作成します。M セルとメッシュの互換性を持たせるには、Ctrl T を押してメッシュを三角形化し、[ツール]および[ダブルを削除]を選択します。複数の脊椎デンドライトを作成するには、Shift A を押してメッシュ パレットを開き、[メッシュと円柱]を選択します。
[円柱の追加]メニューで、半径0.3マイクロメートルと深さを2マイクロメートルに設定し、Enterキーを押して90を押して円柱を90度回転させ、青い矢印を使用して円柱を脊椎の底までドラッグします。3 を押して円柱の正面図を取得し、Z を押してメッシュを透明にします。
青い法線矢印を使用して、脊椎の底面を円柱の内部に移動し、右クリックしてデンドライトを選択します。[モディファイヤ]および[モディファイヤを追加]を選択し、[ブール演算、操作ユニオン]を選択して、[オブジェクト の脊椎]を選択します。[適用]をクリックして、樹状突起と脊椎のジョイント メッシュを作成します。
次にマウスを使用して孤立した脊椎のメッシュを選択し、位置と角度を変更して新しい脊椎を生理学的位置に挿入します。アンペアを作成するには、分子を選択して新しい分子を挿入します。名前を AMPAR に変更し、分子の種類を表面分子に変更します。
次に、拡散定数を10倍の0.05倍に変え、毎秒8平方センチメートルに変換します。アンパルに結合したアンカーをプロットするには、基礎条件の間に PSD1 で[プロット出力設定]を開き、押して分子を定義します。次に、分子をAnchor_AMPARに、オブジェクトをデンドライトに、領域をPSD1に設定します。
基底条件シミュレーションを実行するには、[シミュレーションを実行]を選択します。反復回数を 30,000 に、タイム ステップを 10 倍からマイナス 3 秒に設定します。[エクスポートして実行] をクリックし、シミュレーションが終了するまで待ちます。
シミュレーションの最後で、[視覚化データの再読み込み]、[アニメーションを再生]、[出力設定を印刷]、および [印刷] を選択して、空間的な時間結果を視覚化します。ホモシナプス増強条件を実行するには、分子配置とrel_anchorLTP_psd1を選択します。rel_anchorLTP_psd1を選択し、数量をリリースに変更して 200 にします。
次に、[数量] を [リリース] に変更します。rel_anchor_psd1を選択します。[数量]を[ゼロにリリース]に変更し、実例のようにシミュレーションを実行します。
シナプス可塑性は、各脊椎のアンカーに結合されたAMPARsの種数の変化を通じてほぼ検証することができる。シナプス可塑性の発生の正確な計算のため。シナプスでアンカーとフリーのAMPARsの合計数の変動を計算することをお勧めします。
AMPARホモシナプス増強および抑うつは、基底状態と比較してアンカーによるAMPPARの親和性の変化によって引き起こされる、アンカーアンパールの数の増加および減少を通じて検証することができる。例えば単一の脊椎におけるホモシナプス長期増強誘導は、隣接する脊椎においてヘテロシンシナプス長期うつ病効果を生み出す。この手順に従って、モデルを拡張して樹状脊椎におけるLTPおよびLTD誘導のプロセスを調査することができる。
この方法により、多数の変数を持つ複雑な非線形系の機能に関する仮説の検定が可能になります。
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概要
本研究では、シナプス可塑性をシミュレーションするために、樹状突起スパインを備えた樹状突起セグメントの三次元（3D）モデルを構築しました。このモデルを用いることで、Blender、CellBlender、およびMCellを使用したAMPA受容体のトラフィッキングの計算解析が可能となり、シナプス変化の根底にあるメカニズムについての知見が得られます。
研究の主要構成要素
科学分野
- 計算神経科学
- シナプス可塑性
- モデリングとシミュレーション
背景
- 樹状突起スパインは、ニューロンにおけるシナプス可塑性と情報処理において極めて重要です。
- AMPA受容体のダイナミクスを理解することで、学習および記憶のメカニズムに関する知見を得ることができます。
- 3Dモデリングにより、複雑な生物学的システムの詳細な検討が可能になります。
研究目的
- 受容体輸送を調査するための詳細なメッシュモデルを作成すること。
- シナプス可塑性プロセスのシミュレーションを容易にすること。
- 複雑な系における非線形挙動に関する仮説の検証を可能にすること。
使用した手法
- 3D幾何学的モデリングに、CellBlenderおよびMCellを導入したBlenderソフトウェアを利用した。
- 単一の樹状突起スパインと樹状突起を表すメッシュの作成に焦点を当てた。
- 頂点操作や押し出し手法を含む、メッシュ作成の重要なステップを定義した。
- 基底状態および増強状態の条件を含む、シミュレーション設定の詳細を記述した。
主な結果
- シナプス条件下におけるAMPA受容体のダイナミクスを追跡する方法を確立した。
- 受容体結合の変化が、シナプス増強または抑制をどのように示すかを実証した。
- 長期増強および長期抑制の観点から、隣接するスパイン間の相互作用に関する知見を提供した。
結論
- 本研究では、シナプス可塑性のメカニズムを可視化およびシミュレーションするための計算論的アプローチを提示します。
- シナプス強度の変化におけるAMPA受容体の役割を理解するための示唆を与えます。
- 制御された仮想環境において、複雑なニューロン相互作用と可塑性のダイナミクスを探索するためのフレームワークを提供します。
よくある質問
産業界における重要性
この計算機による3Dモデリング手法は、樹状突起スパインにおける受容体トラフィッキングのダイナミクスをシミュレーションすることにより、シナプス可塑性に関する仮説のメカニズム的なリスク低減を可能にします。また、基底状態および増強状態におけるAMPA受容体のアンカリングと拡散の定量的かつ空間分解能の高いリードアウトを提供することで、神経科学における創薬のターゲットバリデーションを支援します。本手法は、特に受容体トラフィッキングが主要な作用機序となる中枢神経系（CNS）治療領域において、シナプス強度を調節する化合物のリード同定における予測信頼性を向上させます。
バイオファーマR&Dにおける戦略的応用
初期創薬およびターゲットバリデーション
- 科学的価値：シナプス可塑性におけるAMPA受容体のトラフィッキング機構に関する治療仮説の検証を可能にする。
- 運用的価値：受容体のアンカリングおよび拡散に関与するシナプスタンパク質の機能的なターゲットバリデーションのための、疾患に関連したシステムを提供する。
スクリーニングおよびアッセイ開発
- 科学的価値： 固定化および遊離AMPARの定量的な従属変数測定を行い、アッセイの標準化と再現性を裏付ける。
- 運用の価値： 3D幾何学構造における受容体の時空間的なダイナミクスを定義することにより、後続のスクリーニングワークフローに向けた検証済みの生物学的モデルを構築する。
トランスレーショナル＆前臨床研究
- 科学的価値：隣接する樹状突起スパイン間のホモシナプス可塑性とヘテロシナプス可塑性を捉えることで、疾患に関連したシステムモデリングを支援します。
- 運用的価値：受容体親和性の変化が、接続されたスパイン間のシナプス強度にどのように影響するかをシミュレーションすることにより、リスクを調整した開発進展の意思決定を可能にします。
パイプラインおよびワークフローの統合
この手法は、初期探索における仮説検証から、メカニズム的なリスク低減に資する受容体トラフィッキング変化の定量的な評価を通じたリード最適化まで、創薬探索のコンティニュアムに統合されます。
- 探索生物学：複雑なシナプス環境における非線形受容体ダイナミクスのシミュレーションにより、仮説検証とパスウェイの解明を支援します。
- スクリーニング：基底状態、増強状態、および抑制状態におけるAMPAR結合を定量化する標準化されたシミュレーション出力を提供し、アッセイの準備を整えます。
- アナリティクス：拡散反応モデルの数値解を通じた統計解析機能を提供し、異なる条件下での受容体集団の比較を可能にします。
- トランスレーショナルリサーチ：ネットワークレベルの可塑性に関連するスパイン間シグナル伝達効果をモデル化することで、探索研究から前臨床研究への継続性を構築します。
- エンタープライズ再利用：多様なニューロンモデルにおける受容体トラフィッキングに関する複数の仮説を検証するための、再利用可能な計算プラットフォームを確立します。
運用および企業への影響
- 科学的価値：受容体輸送経路におけるメカニズムの曖昧さを排除することで、ターゲットバリデーションにおける予測の信頼性を向上させる。
- 運用上の価値：Blender/CellBlender/MCellにおけるメッシュ作成およびシミュレーションプロトコルの標準化により、再現性と拡張性を高める。
- 戦略的価値：ウェットラボでの検証前に、化合物のシナプス可塑性への影響を仮想的にテストすることで、意思決定（go/no-go判断）の精度を向上させる。
- ポートフォリオへの影響：治療的介入による多シナプス効果をシミュレートすることで、中枢神経系（CNS）ターゲットのリスク調整済み優先順位付けを支援する。
実施上の考慮事項
- 計算神経科学、3Dモデリング、および反応拡散シミュレーションの専門知識が必要です。
- メッシュ生成のためのCellBlenderを導入したBlenderと、空間ダイナミクスの数値解法のためのMCellに依存します。
- 分子の定義、拡散係数、および関心領域（ROI）の仕様について、チーム間での標準化が必要です。
- モデルを異なるスパイン形状やシナプス分子の種類に拡張する場合、適応に関する検討が必要となります。
- ソースに記載されている通り、分子数が多い場合にシミュレーション速度が低下するという実用上の制限があります。
