Name: 시냅스 가소성을 가진 수지상 척추의 3D 모델링 (동영상) | JoVE Journal
Uploaded: 2020-05-18T13:30:00.000+00:00
Duration: 7 min 13 s
Description: 배우세요 수지상 척추의 3D 기하학적 모델링을 통해 시냅스 가소성에서 AMPA 수용체 이동 메커니즘을 시뮬레이션하는 방법을. Blender와 CellBlender, MCell을 활용하여 비선형 시스템의 복잡한 뉴런 상호작용을 분석할 수 있습니다.

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이 작품은 상파울루 주 과학 재단 (FAPESP) 보조금 #2015/50122-0 및 IRTG-GRTK 1740/2, IBM/ FAPESP 보조금 #2016/18825-4, 그리고 FAPESP 보조금 #2018/06504-4에 의해 부분적으로 지원되었다.

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저자는 경쟁적인 재정적 이익이 없다고 선언합니다.

이 문서에서는 수지상 척추가 있는 수지상 세그먼트에서 반응 확산 시냅스 가소성 공정을 모델링하기 위한 3D 메쉬를 시공하는 방법을 제시합니다. 개발된 모델에는 수지상 척추가 거의 없는 수지상 세그먼트가 포함되어 있습니다. 시냅스 앵커를 가진 AMPAR의 측면 확산 및 반응은 기초 역학의 시뮬레이션을 허용합니다. 프로토콜의 중요한 단계는 척추 헤드의상단(도 1, 도 2, 도 3)의생성을 위한 구를 절단하고, 척추목을 만드는 압출(도4),그리고 원원과 척추를 단일 메쉬로 결합한다(도5). 척추 목과 선장 사이에 완전한 오버랩을 갖는 것이 중요합니다. 그렇지 않으면 메시가 방수되지 않습니다. 다른 중요한 단계는 멤브레인 영역의 선택과 표면 클래스의 정의입니다<strong...

시냅스 가소성은 학습 및 메모리1과관련이 있습니다. 시냅스 가소성, 장기 전성(LTP) 및 장기 우울증(LTD)과 같은 시냅스 가소성은 시냅스 멤브레인2안팎에서 AMPA 수용체(AMPARs)의 삽입 및 제거와 각각 연관된다. AMPAR 시냅스는 수지상 척추3이라는작은 볼륨 구조 위에 있습니다. 각 척추는 포스트 냅 스 밀도라는 포스트 냅 스 막에 단백질 조밀 한 영역을 포함 (PSD). 시냅스 부위의 PSD 트랩 AMPAR에서 단백질을 고정합니다. 단일 시냅스 내에 AMPARs의 몇 사본이 있으며 수지상 척추에서 다른 종과의 AmpARs의 인신 매매 및 반응은 금세 과정2,,4입니다. 수지상 척추,5,6,,7,8에서시냅스 수용체 인신 매매의 여러 구획 모델이 있다.7 그러나, 수상달레의 3D 구조와 수지상 척추의 시냅스 가소성과 관련된 AMPARs의 인신 매매의 스토세스 전산 모델의 부족이 있다.
전산 모델링은 시냅스 가소성9,10,11,12의발생 시 수지상 척추에서 AMPARs의 반응 확산과 같은 복잡한 시스템의 역학의 근본적인,메커니즘을조사하는 유용한 도구이다., 이 모델은 복잡한 시나리오를 시각화하고 민감한 매개 변수를 다양하게 시각화하고 실험12,,13을제어하기 어렵거나 불가능한 많은 변수를 포함하는 과학적 조건에서 중요한 예측을 하는 데 사용할 수 있습니다. 계산 모델의 세부 수준을 정의하는 것은 모델링된 현상에 대한 정확한 정보를 얻는 근본적인 단계입니다. 이상적인 계산 모델은 복잡성과 단순성 사이의 섬세한 균형으로 계산금지 없이 자연 현상의 본질적인 특성을 포착합니다. 너무 상세한 계산 모델은 계산비용이 많이 들 수 있습니다. 반면에, 제대로 상세하지 않은 시스템은 현상의 역학을 포착하는 데 필수적인 기본 구성 요소가 부족할 수 있습니다. 수지상 척추의 3D 모델링은 2D 및 1D보다 계산적으로 비용이 많이 들지만, 많은 비선형 변수가 시간과 3D 공간에서 반응하고 확산되는 복잡한 시스템에서와 같은 조건이 있으며, 3D 수준에서 모델링하는 것은 시스템의 기능에 대한 통찰력을 얻는 데 필수적입니다. 또한, 저차원 모델의 본질적인 특성을 보존하기 위해 복잡성을 신중하게 줄일 수 있다.
소량 내에서 주어진 종의 복사본이 거의 없는 관면 시스템에서 시스템의 평균 역학은 큰 인구의 평균 역학에서 벗어난다. 이 경우 반응 확산 입자의 스토세스 전산 모델링이 필요합니다. 이 작품은 3D 수지상 척추에 AMPAR의 몇 복사본의 stochastic 모델링 반응 확산을위한 방법을 소개합니다. 이 방법의 목적은 수지상 척추와 시냅스 가소성을 모델링하기 위한 시냅스를 가진 수지상 세그먼트의 3D 전산 모델을 개발하는 것입니다.
이 방법은 3D 메쉬를 생성하기 위한 모델, 3D 메쉬를 구성하는 블렌더 및 CellBlender를 사용하여 3D meshes14,,15,,16에서분자의 현면 반응 확산을 포함하여 MCell 시뮬레이션을 생성하고 시각화한다. 블렌더는 메쉬를 만들기 위한 제품군이며 셀블렌더는 기본 소프트웨어 블렌더의 추가 기능입니다. MCell은 단일분자(17)의반응 확산을 위한 몬테 카를로 시뮬레이터이다.
이 방법의 사용 뒤에 근거는 수지상 척추의 미세 생리 환경에서이 현상의 더 나은 이해를 달성하기 위해 시냅스 가소성을 모델링으로구성된다(14). 특히, 이 방법은 수지상척추(14)사이의 동종성 전성, 균질성 우울증 및 이질성 가소성의 시뮬레이션을 허용한다.
이 방법의 특징은 원점과 시냅스의 3D 기하학적 구조를 모델링, 무작위 보행에 의한 확산, 시냅스 가소성과 관련된 분자의 화학 반응을 포함한다. 이 방법은 가설을 테스트하고 많은 수의 변수를 가진 복잡한 비선형 시스템의 기능에 대해 예측하기 위해 풍부한 환경을 만드는 이점을 제공합니다. 또한, 이 방법은 시냅스 가소성을 연구할 뿐만 아니라 일반적으로 3D 메쉬 구조에서 분자의 조직반응 확산을 연구하기 위해서도 적용될 수 있다.
대안적으로, 수지상 구조물의 3D 근접체는 전자 현미경 직렬재구성(18)으로부터블렌더에서 직접 구성될 수 있다. 직렬 재구성을 기반으로 하는 meshe가 3D 구조를 제공하지만 실험 데이터에 대한 액세스를 항상 사용할 수 있는 것은 아닙니다. 따라서, 본 프로토콜에 설명된 바와 같이 기본 기하학적 구조로부터 조정된 메싱의 시공은 수지상 척추를 가진 맞춤형 수지상 세그먼트를 개발할 수 있는 유연성을 제공한다.
또 다른 대체 계산 방법은 정규 부피9,,,,10,11,19,20,,,21, 21,,22에서잘 혼합된 반응의 벌크 시뮬레이션이다.20 벌크 시뮬레이션은 단일 잘 혼합 된부피(23)내에서 많은 종의 반응을 해결하는 데 매우 효율적이지만, 대량 접근법은 고해상도 3D 메쉬에서 많은 잘 혼합 된 복셀 내에서 분자의 반응 확산을 해결하는 데 매우 느립니다. 한편, 개별 입자의 반응 확산의 MCell 시뮬레이션을 이용한 본 방법은 고해상도 3D메시(15)에서효율적으로 작동한다.
이 방법을 사용하기 전에 연구된 현상이 3D 메시에서 관면 반응 확산 접근법이 필요한지 물어봐야 합니다. 이 현상이 수지상 척추와 같은 작은 부피 구획을 가진 복잡한 기하학적 구조에서 확산되는 반응종 중 적어도 하나의 사본(1,000 미만)이 있는 경우, 3D 메시에서 반응 확산의 재차 적 모델링이 적용에 적합하다.
시냅스 가소성을 가진 수지상 척추를 포함하는 수지상 세그먼트의 3D 계산 모델을 구성하는 데 필요한 몇 가지 단계가 있습니다. 주요 단계는 모델의 건설을위한 적절한 소프트웨어의 설치, 여러 개의 척추를 만들기 위해 템플릿으로 사용되는 단일 수지상 척추의 건설, 여러 수지상 척추와 연결된 수지상 세그먼트의 생성입니다. 시냅스 가소성을 모델링하는 단계는 수지상 세그먼트 및 수지상 척추에 PSD 영역 및 AMPAR에 앵커를 삽입하는 것으로 구성됩니다. 이어서, PSD와 AMPAR에 위치한 앵커 들 간의 운동 반응은 시냅스 영역에서 AMPARs를 트랩하는 복잡한 앵커-AMPAR 종을 생성하도록 정의된다. 각각, 앵커와 시냅스 AMPARs 간의 선호도의 증가 및 감소는 LTP 및 LTD의 프로세스를 생성한다.

<table><tbody><tr><td>블렌더</td><td>블렌더 재단</td><td></td><td>https://www.blender.org/</td></tr> <tr><td>CellBlender</td><td>피츠버그</td><td></td> 대학교 <td>https://mcell.org/</td></tr> <tr><td>Mcell</td><td>피츠버그</td><td></td> 대학교 <td>https://mcell.org/</td></tr></tbody></table>

시냅스 가소성을 가진 수지상 척추의 3d 모델링

3D Modeling of Dendritic Spines with Synaptic Plasticity

3차원(3D) 기하학에서 화학종의 확산 및 반응의 전산 모델링은 수지상 척추에서 시냅스 가소성의 메커니즘을 이해하는 근본적인 방법입니다. 이 프로토콜에서, 원더라이트와 수지상 척추의 상세한 3D 구조는 CellBlender와 소프트웨어 블렌더에 메싱으로 모델링된다. 시냅스 및 외향적 영역은 메시에 정의됩니다. 다음으로, 시냅스 수용체와 시냅스 앵커 분자는 확산 상수로 정의됩니다. 마지막으로 시냅스 수용체와 시냅스 앵커 간의 화학 반응이 포함되고 계산 모델은 소프트웨어 MCell을 통해 수치적으로 해결된다. 이 방법은 3D 기하학적 구조의 모든 단일 분자의 현면 경로를 설명합니다. 따라서 시냅스 가소성이 발생되는 동안 수지상 척추 안팎의 시냅스 수용체의 인신 매매를 연구하는 것이 매우 유용하다. 이 방법의 한계는 분자의 높은 수가 시뮬레이션의 속도를 느리게한다는 것입니다. 이 방법으로 수지상 척추를 모델링하면 이웃 수지상 척추 사이의 단일 척추 및 이종 내수 가소성 내에서 균질성 전능성 및 우울증을 연구할 수 있습니다.

이러한 결과는 척추 머리와 척추목으로 수지상 척추를 시뮬레이션하는 3D 메쉬의 시공을 위한 단계를제공한다(도 1 ~ 도 4). 또한, 다중 수지상 척추는 AMPARs14의이종내피 가소성을 연구하기 위해 단일 수지상세그먼트(도 5)에삽입될 수 있다. 척추 머리 의 상단에 PSD(그림 6)시냅스 앵커가 AMPAR에 결합하고 시냅스에서 일시적으로 트랩 하는 장소입니다(그림 7, 그림 8).
시냅스 가소성은 각 척추에서 anchor_AMPAR, anchor_AMPAR_LTP및 anchor_...

이 프로토콜은 시냅스 가소성을 모델링하기 위한 수지상 척추가 있는 수지상 세그먼트의 3차원(3D) 모델을 개발합니다. 생성 된 메쉬는 CellBlender 및 MCell을 사용하는 소프트웨어 프로그램 블렌더를 사용하여 장기 시냅스 가소성에서 AMPA 수용체 인신 매매의 전산 모델링에 사용할 수 있습니다.

시냅스 가소성을 가진 수지상 척추의 3D 모델링

Computational modeling of diffusion and reaction of chemical species in a three-dimensional (3D) geometry is a fundamental method to understand the ...

융합을 통한 화학종 반응의 전산 3D 기하학적 모델링. 수지상 척추 안팎에서 수용체 인신 매매의 메커니즘을 연구하는 데 유용한 방법은 시냅스 가소성을 하고 있다. 이 기술은 많은 수의 변수가 있는 비선형 시스템에 대한 가설과 프로젝션을 만들기 위한 풍부한 환경을 조성하는 장점이 있습니다.변형된 구를 사용하여 척추 머리와 척추 목이 있는 단일 수지상 척추의 메쉬를 만듭니다. 첫 번째 오픈 블렌더. 셀 블렌더가 이미 설치되어 키패드에 5를 눌러 원근면에서 직교 보기로 변경합니다.1을 눌러 앞면 보기로 변경하고 시프트 C를 눌러 커서를 중심으로 합니다. 척추 헤드를 만들려면 Shift A를 눌러 메시 팔레트를 열고 메시를 선택합니다. UV 구를 선택하고 UV 구를 추가하여 크기를 0.25로 설정하고 링을 32로 설정합니다.헤드 의 상단을 평평하게 누르려면 탭을 눌러 블렌더를 오브젝트 모드에서 편집 모드로 전환합니다. B를 눌러 구의 상위 3분기를 선택하고 삭제를 누르고 정점을 선택하고 정점을 제거하려면 Enter를 입력합니다. B를 누르고 구의 상단을 선택합니다.E, S, 0 및 Enter를 눌러 정점의 상단을 계속 선택합니다. 파란색 화살표를 아래로 이동하여 척추 머리 의 상단에 정렬합니다. 척추 상단의 메쉬 해상도를 높이려면 도구와 칼을 선택하고 칼을 사용하여 상단중앙의 원을 잘라냅니다.그런 다음 도구 및 루프 절단을 선택하고 네 번 밀어 상단의 중앙 주위에 4 개의 동심 원을 만듭니다. 척추 목을 만들려면 B를 누르고 메시의 바닥을 선택합니다. 정점 및 B 삭제를 누르고 메시의 바닥을 선택합니다.E와 Z를 누르고 마이너스 0.45를 선택하여 영하 0.45 마이크로 미터에서 Z 축 위치로 압출을 만듭니다. 메쉬를 M 셀 과 호환되도록 하려면 Ctrl T를 눌러 메시를 삼각측량하고 도구를 선택하고 두 배를 제거합니다. 여러 척추 덴드레트 프레스 Shift A를 작성하여 메시 팔레트를 열고 메시와 실린더를 선택합니다.실린더 추가 메뉴에서 반경 0.3 마이크로미터와 깊이를 두 마이크로미터로 설정하고 Enter. Enter. R을 누르고 90을 입력하여 실린더 90도 회전하고 파란색 화살표를 사용하여 실린더를 척추 바닥으로 드래그합니다. 3을 눌러 실린더의 전면 보기를 얻고 Z를 눌러 메쉬를 투명하게 만듭니다.파란색 일반 화살표를 사용하여 척추의 베이스를 원통 내부로 이동하고 오른쪽 단추를 클릭하여 Dendrite를 선택합니다. 수정자를 선택하고 수정자를 추가하고 부울, 작업 연합을 선택하고 오브젝트 척추를 선택합니다. 적용을 클릭하여 Dendrite와 척추의 조인트 메시를 만듭니다.그런 다음 마우스를 사용하여 격리된 척추의 메시를 선택하고 위치와 각도를 변경하여 각 새로운 척추를 생리적 위치에 삽입합니다. AMPARs를 만들려면 분자를 선택하고 새로운 분자를 삽입합니다. 이름을 AMPAR로 변경하고 분자 유형을 표면 분자로 변경합니다.그런 다음 확산 상수를 0.05배 10번 초당 8평방센티미터로 변경합니다. AMPA에 바인딩된 앵커를 플롯하려면 기초 상태 동안 PSD1에서 플롯 출력 설정을 열고 분자를 정의합니다. 그런 다음 분자를 Anchor_AMPAR, 물체를 원더라이트로 설정하고 영역을 PSD1로 설정합니다.기초 조건 시뮬레이션을 실행하려면 실행 시뮬레이션을 선택합니다. 그리고 반복을 30, 000으로 설정하고 시간 단계를 10번에서 마이너스 3초로 설정합니다. 내보내기 및 실행을 클릭하고 시뮬레이션이 끝날 때까지 기다립니다.시뮬레이션의 끝에서 시각화 데이터 재로드, 애니메이션 재생, 플롯 출력 설정 및 플롯을 선택하여 공간 시간 결과를 시각화합니다. 동종 성 전위 조건을 실행하려면 분자 배치 및 rel_anchorLTP_psd1 선택합니다. rel_anchorLTP_psd1 선택하고 릴리스수량을 200으로 변경합니다.그런 다음 수량을 0으로 변경합니다. rel_anchor_psd1 선택합니다. 수량을 변경하여 릴리스를 0으로 변경하고 방금 설명한 대로 시뮬레이션을 실행합니다.시냅스 가소성은 각 척추의 앵커에 바인딩 된 AMPARs종의 수의 변화를 통해 대략 확인할 수 있습니다. 시냅스 가소성의 발생의 정확한 계산을 위해. 시냅스에서 고정 및 무료 AMPAR의 총 수의 변동을 계산하는 것이 좋습니다.AMPAR 균질성 전능성 및 우울증은 기초 상태에 비해 앵커에 의한 AMPARs의 선호도 변화에 기인하여 각각 고정된 AMPARs의 수의 증가 및 감소를 통해 확인할 수 있다. 예를 들어 단일 척추에서 균질성 장기 전능 유도는 이웃 척추에서 이종성 장기 우울증 효과를 만듭니다. 이 절차에 따라 모델을 확장하여 Dendritic 척추에서 LTP 및 LTD 유도 과정을 조사할 수 있습니다.이 방법을 사용하면 많은 수의 변수가 있는 복잡한 비선형 시스템의 기능에 대한 가설을 테스트할 수 있습니다.

3d-modeling-of-dendritic-spines-with-synaptic-plasticity

Research

연구

JoVE Journal

Neuroscience

신경과학

많은 최근의 연구는 뇌 pathologies와 관련된 시냅스 단백질에 돌연변이가 확인되었습니다. 기본 교양 피질 뉴런이 돌기 척추의 형태와 운동성에서 이러한 질병 관련 단백질의 영향을 조사 큰 유연성을 제공합니다.

교양 CNS의 뉴런의 돌기 스파인 형태론 분석

출처: Gouder, et. al. 인간 유도 만능 줄기 세포에서 파생된 피라미드 뉴런의 수지상 가시의 3차원 정량화. J. Vis. 경험. (2015).이 비디오는 공초점 현미경을 사용하여 형질도입된 면역 표지 피라미드 뉴런에서 수지상 가시의 이미징 및 분석을 보여줍니다. 배경 소음이 감소하고 수상돌기가 직경과 길이를 추정하여 추적됩니다. 자동화된 척추 분할에는 수상돌기 및 척추 치수에 대한 매개변수 설정과 척추 분류가 포함됩니다. 3D 모델이 생성되고 분석을 위해 내보내집니다.

공초점 현미경 이미징을 사용한 수지상 가시의 정량화

이 문서는 구조적 조명 현미경 (SIM)을 사용하여 체외에서 해마 신경 세포에서 이미지 돌기 쪽을 작동 프로토콜을 설명합니다. SIM을 사용하여 초 고해상도 현미경 개선 된 세부 사항과 함께 개별 돌기 쪽의 영상을 허용, 크게 세 가지 차원 공간에서 빛의 회절 한계를 넘어 이미지 해상도를 제공합니다.

구조적 조명 현미경을 사용하여 쥐 차 해마 신경 세포의 돌기 쪽 이미징

피라미드 신경 세포의 돌기 쪽은 포유류의 뇌 피질에있는 대부분의 흥분성 시냅스의 사이트입니다. 이 방법은 유도 된 다 능성 줄기 세포로부터 유래 된 인간 피질 피라미드 글루타메이트 성 뉴런의 척추 모폴로지의 3D 정량 분석​​을 설명한다.

인간 유도 만능 줄기 세포에서 파생 된 피라미드 뉴런에서 돌기 쪽의 3 차원 정량화

수지상 가시는 대부분의 흥분성 시냅스의 시냅스 후 구획입니다. 수지상 척추 형태의 변화는 신경 발달, 노화, 학습 및 많은 신경 및 정신 장애 중에 발생하며, 이는 신뢰할 수 있는 수지상 척추 분석의 중요성을 강조합니다. 이 프로토콜은 자동 3차원 뉴런 재구성 소프트웨어를 사용하여 수상돌기 척추 형태를 정확하고 재현성 있게 정량화하는 방법을 설명합니다.

자동 3차원 뉴런 재구성 소프트웨어를 사용한 수지상 척추 정량화

알츠하이머병 중 하나는 기능은 Aβ의...

β - 아밀로이드 Oligomeric의 준비 1-42</subHippocampal 조각에 시냅틱 소성 장애의>와 유도

FRAP는 녹색 형광 단백질 (GFP) 태그 교양 세포에있는 단백질의 이동성을 계량하는 데 사용되었습니다. 우리는 photobleaching 후 형광 복구 비율을 분석하여 GFP의 모바일 / 고정되어 분수를 조사. 본 연구에서는, FRAP는 hippocampal 뉴런의 쪽이에서 수행되었다.

교양 Hippocampal 뉴런의 돌기 쪽이에서 형광 단백질의 태그 Photobleaching 후 형광 복구 (FRAP)

이 보고서 표면 표현, 운송 경로 및 exogenously 표현, 산도에 민감한 GFP-태그를 뉴런의 플라즈마 막에 단백질의 인신 매매 속도론을 결정하는 라이브 세포 이미징 및 photobleach 기법의 사용을 설명합니다.

교양 뉴런의 막 단백질의 측면 보급과 Exocytosis은 형광 복구 및 형광 손실 Photobleaching를 사용하여 평가

서브 마이크로 미터 공간과 하위 밀리 초 시간적 해상도 막 잠재적 인 변화의 모니터링을위한 이미징 기술은 설명되어 있습니다. 전압에 민감한 염색의 레이저 여기에 기반을 둔 기술은, axons과 축삭의 민간인 피해, 터미널 수지상 지점, 개인 수지상 쪽의 신호를 측정 할 수 있습니다.

Axons, 수석 및 뇌 슬라이스의 개별 뉴런의 수지상 쪽의 전압에 민감한 염료 기록

이 문서에서 우리는 높은 공간과 시간적 정밀도 시냅스 신호의 통합을 조사하는 기술로 신경 전달 물질의 빠른 마이크로 이온 도입을 소개합니다.

글루타민산 염과 GABA의 빠른 마이크로 이온 도입 : 시냅틱 통합을 조사하는 유용한 도구

배우세요 수지상 척추의 3D 기하학적 모델링을 통해 시냅스 가소성에서 AMPA 수용체 이동 메커니즘을 시뮬레이션하는 방법을. Blender와 CellBlender, MCell을 활용하여 비선형 시스템의 복잡한 뉴런 상호작용을 분석할 수 있습니다.

시냅스 가소성을 가진 수지상 척추의 3D 모델링

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