Methodenartikel

3D Modellering van Dendritische stekels met synaptische plasticiteit

6.9K weergaven

⸱

DOI:

10.3791/60896

⸱

18 mei 2020

 , 
1Center for Mathematics, Computation and Cognition, Federal University of ABC

* These authors contributed equally

In dit artikel

Samenvatting

Het protocol ontwikkelt een driedimensionaal (3D) model van een dendritisch segment met dendritische stekels voor het modelleren van synaptische plasticiteit. De geconstrueerde mesh kan worden gebruikt voor computationele modellering van AMPA receptor handel in de lange termijn synaptische plasticiteit met behulp van het softwareprogramma Blender met CellBlender en MCell.

Samenvatting

Computationele modellering van diffusie en reactie van chemische soorten in een driedimensionale (3D) geometrie is een fundamentele methode om de mechanismen van synaptische plasticiteit in dendritische stekels te begrijpen. In dit protocol wordt de gedetailleerde 3D-structuur van de dendrieten en dendritische stekels gemodelleerd met mazen op de software Blender met CellBlender. De synaptische en extrasynaptische gebieden worden gedefinieerd op het net. Vervolgens worden de synaptische receptor en synaptische ankermoleculen gedefinieerd met hun diffusieconstanten. Ten slotte worden de chemische reacties tussen synaptische receptoren en synaptische ankers opgenomen en wordt het computationele model numeriek opgelost met de software MCell. Deze methode beschrijft het spatiotemporale pad van elk molecuul in een 3D geometrische structuur. Het is dus zeer nuttig om de handel in synaptische receptoren in en uit de dendritische stekels te bestuderen tijdens het optreden van synaptische plasticiteit. Een beperking van deze methode is dat het hoge aantal moleculen de snelheid van de simulaties vertraagt. Modellering van dendritische stekels met deze methode maakt de studie van homosynaptische potentiëring en depressie binnen enkele stekels en heterosynaptische plasticiteit tussen de buurman dendritische stekels.

Inleiding

Synaptische plasticiteit is geassocieerd met leren en geheugen1. Synaptische plasticiteit, zoals langdurige potentiëring (LTP) en langdurige depressie (LTD), wordt geassocieerd met het inbrengen en verwijderen van AMPA-receptoren (AMPARs) in en uit het synaptische membraan2. De AMPAR synapsen bevinden zich bovenop de kleine volumestructuren genaamd dendritische stekels3. Elke wervelkolom bevat een eiwit dichte regio in de postsynaptische membraan genaamd de postsynaptische dichtheid (PSD). Veranker eiwitten bij de PSD trap AMPARs in het synaptische gebied. Er zijn weinig kopieën van AMPARs binnen een enkele synaps en de handel en reactie van AMPARs met andere soorten in dendritische stekels is een stochastisch proces2,4. Er zijn verschillende compartimenteringsmodellen van synaptische receptorhandel bij dendritische stekels5,6,7,8. Echter, er is een gebrek aan stochastische computationele modellen van de handel in AMPARs in verband met synaptische plasticiteit op de 3D-structuren van de dendrieten en hun dendritische stekels.

Computationele modellering is een nuttig hulpmiddel om de mechanismen te onderzoeken die ten grondslag liggen aan de dynamiek van complexe systemen, zoals de reactieverspreiding van AMPARs in dendritische stekels tijdens het optreden van synaptische plasticiteit9,10,11,12. Het model kan worden gebruikt om complexe scenario's te visualiseren, gevoelige parameters te variëren en belangrijke voorspellingen te doen in wetenschappelijke omstandigheden waarbij veel variabelen betrokken zijn die moeilijk of onmogelijk te controleren zijn12,13. Het definiëren van het detailniveau van een computationeel model is een fundamentele stap in het verkrijgen van nauwkeurige informatie over het gemodelleerde fenomeen. Een ideaal computationeel model is een delicaat evenwicht tussen complexiteit en eenvoud om de essentiële kenmerken van de natuurlijke fenomenen vast te leggen zonder computationeel onbetaalbaar te zijn. Computermodellen die te gedetailleerd zijn, kunnen duur zijn om te berekenen. Aan de andere kant kunnen systemen die slecht gedetailleerd zijn, de fundamentele componenten missen die essentieel zijn om de dynamiek van het fenomeen vast te leggen. Hoewel 3D-modellering van dendritische stekels rekenkundig duurder is dan 2D en 1D, zijn er voorwaarden, zoals in complexe systemen met veel niet-lineaire variabelen die reageren en verspreiden in tijd en 3D-ruimte, waarvoor modellering op 3D-niveau essentieel is om inzicht te krijgen in de werking van het systeem. Verder kan de complexiteit zorgvuldig worden verminderd om de essentiële kenmerken van een lager dimensionaal model te behouden.

In een stochastisch systeem met weinig exemplaren van een bepaalde soort binnen een klein volume, wijkt de gemiddelde dynamiek van het systeem af van de gemiddelde dynamiek van een grote populatie. In dit geval is de stochastische computationele modellering van reactieverspreidende deeltjes vereist. Dit werk introduceert een methode voor stochastische modellering reactie-diffusie van een paar exemplaren van AMPARs in 3D dendritische stekels. Het doel van deze methode is het ontwikkelen van een 3D computationeel model van een dendritisch segment met dendritische stekels en hun synapsen voor het modelleren van synaptische plasticiteit.

De methode maakt gebruik van de software MCell om het model numeriek op te lossen, Blender voor het construeren van 3D-mazen en CellBlender om de MCell-simulaties te maken en te visualiseren, inclusief de spatiotemporale reactieverspreiding van moleculen in 3D-mazen14,15,16. Blender is een suite voor het maken van mazen en CellBlender is een add-on voor de basissoftware Blender. MCell is een Monte Carlo simulator voor de reactie-verspreiding van enkele moleculen17.

De reden achter het gebruik van deze methode bestaat uit het modelleren van synaptische plasticiteit om een beter begrip van dit fenomeen te bereiken in de microfysiologische omgeving van de dendritische stekels14. Met name deze methode maakt de simulatie van homosynaptische potentiëring, homosynaptische depressie, en heterosynaptische plasticiteit tussen dendritische stekels14.

De kenmerken van deze methode zijn het modelleren van de 3D geometrische structuur van het dendriet en de synapsen, de verspreiding door willekeurige wandeling, en de chemische reacties van de moleculen die betrokken zijn bij synaptische plasticiteit. Deze methode biedt het voordeel van het creëren van rijke omgevingen om hypothesen te testen en voorspellingen te doen over de werking van een complex niet-lineair systeem met een groot aantal variabelen. Bovendien kan deze methode niet alleen worden toegepast voor het bestuderen van synaptische plasticiteit, maar ook voor het bestuderen van stochastische reactie-diffusie van moleculen in 3D-meshstructuren in het algemeen.

Als alternatief kunnen 3D-mazen van dendritische structuren direct in Blender worden geconstrueerd uit seriële reconstructies van elektronenmicroscoop18. Hoewel mazen op basis van seriële reconstructies 3D-structuren bieden, is toegang tot de experimentele gegevens niet altijd beschikbaar. Zo biedt de constructie van mazen aangepast aan basis geometrische structuren, zoals beschreven in het huidige protocol, flexibiliteit om aangepaste dendritische segmenten met dendritische stekels te ontwikkelen.

Een andere alternatieve rekenmethode is de bulksimulatie van goed gemengde reacties in een regelmatig volume9,10,11,19,20,21,22. De bulk simulaties zijn zeer efficiënt in het oplossen van de reacties van vele soorten binnen een enkele goed gemengde volume23, maar de bulk aanpak is uiterst traag om de reactie-diffusie van moleculen binnen veel goed gemengde voxels in een hoge resolutie 3D-mesh op te lossen. Anderzijds werkt de huidige methode met behulp van MCell-simulaties van reactieverspreiding van individuele deeltjes efficiënt in 3D-mazen met hoge resolutie15.

Alvorens deze methode te gebruiken, moet men zich afvragen of het onderzochte fenomeen een stochastische reactie-diffusiebenadering in een 3D-mesh vereist. Als het fenomeen weinig kopieën heeft (minder dan 1.000) van ten minste één van de reagerende soorten die zich verspreiden in een complexe geometrische structuur met kleine volumecompartimenten zoals dendritische stekels, dan is stochastische modellering van reactieverspreiding in 3D-mazen geschikt voor de toepassing.

Er zijn verschillende stappen nodig om een 3D-computationeel model te bouwen van een dendritisch segment met dendritische stekels met synaptische plasticiteit. De belangrijkste stappen zijn de installatie van de juiste software voor de bouw van het model, de bouw van een enkele dendritische wervelkolom te gebruiken als een sjabloon om meerdere stekels te creëren, en de oprichting van een dendritisch segment dat is verbonden met meerdere dendritische stekels. De stap voor het modelleren van synaptische plasticiteit bestaat uit het plaatsen van ankers in de PSD-regio en AMPARs in het dendritische segment en dendritische stekels. Vervolgens worden kinetische reacties tussen de ankers van de PSD en AMPARs gedefinieerd om complexe anker-AMPAR-soorten te produceren die de AMPARs in het synaptische gebied vangen. Respectievelijk de toename en afname van de affiniteit tussen de ankers en de synaptische AMPARs creëren het proces van LTP en LTD.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Protocol

LET OP: Zie het aanvullende bestand 1 voor de woordenlijst van termen die in dit protocol worden gebruikt.

1. Blender, CellBlender en MCell installeren

OPMERKING: Dit protocol vereist installatie van MCell, Blender en Cell Blender.

  1. Download en installeer de software op de MCell homepage (https://mcell.org/tutorials_iframe.html). Ga naar downloads boven aan de pagina en volg de stapsgewijze instructies om de software te downloaden en installeren in de omgeving van keuze (bijvoorbeeld Linux, Mac OSX of Windows).
    OPMERKING: Alle rekenmodellen en simulaties beschreven in dit protocol werden getest op een CellBlender 1.1-bundel met Blender 2.78 met MCell 3.4 en CellBlender 1.1. Het werkte ook op Blender 2.79b. Al deze softwareprogramma's zijn open access en vereisen geen herdruktoestemming om te worden gebruikt. De instructies voor de constructie en simulatie van het model kunnen iets veranderen van de ene versie naar de andere. Delen van dit protocol zijn aangepast van Tsjechië et al.16.

2. Maak een enkele dendritische wervelkolom

OPMERKING: Deze procedure creëert een gaas van een enkele dendritische wervelkolom met een wervelkolom hoofd en een wervelkolom nek met behulp van een gewijzigde bol.

  1. Stel de Blender 3D-weergave in op het hoofdpaneel.
    1. Open Blender met CellBlender al geïnstalleerd. Druk op 5 op het toetsenbord om van Perspectief naar Orthogonale weergave te veranderen en druk op 1 om te veranderen in de vooraanzicht. De perspectiefweergave heeft diepte, maar dit is nu niet nodig. Als u van perspectief naar orthogonale weergave verandert, u het net beter visualiseren. Druk op Shift+C om de cursor in het midden te centreren(figuur 1A).
  2. Maak het hoofd van de wervelkolom.
    1. Druk op Shift+A om het netpalet te openen. Selecteer de Mesh en selecteer vervolgens UV-bol. Een UV-bol is een mesh die is toegewezen aan het 3D-oppervlak van een bol. De UV-bol vertegenwoordigt de bolvormige kop van een paddestoel dendritische wervelkolom. De software gaat ervan uit dat de eenheden van de UV-bol micrometers zijn.
    2. Wijzig de parameters in het deelvenster UV-bol toevoegen. Grootte wijzigen in 0,25 en ringen in 32 (figuur 1B). Druk op + of – op het toetsenbord om respectievelijk in te zoomen en uit te zoomen op de visualisatie van het net. U ook de schuifknop in de muis gebruiken om in- en uit te zoomen(figuur 1C).
      OPMERKING: De parametergrootte schaalt de grootte van de oorspronkelijke bol en de parameterringen definiëren de resolutie van het net.
  3. Maak de bovenkant van het hoofd plat.
    1. Druk op Tab om blender te schakelen vanuit de objectmodus, de standaardinteractiemodus voor objecten, naar Bewerkingsmodus. Werk in de bewerkingsmodus voor het wijzigen van de onderdelen van een bestaand net.
    2. Zodra het gemaakte net automatisch is geselecteerd, drukt u op een om het gemaakte net uit te selecteert. Druk op z om het net transparant te maken, wat helpt bij het visualiseren van de onderdelen die worden bewerkt. Zoom in op het gaas. Druk op b om de bovenste 3/4 van de bol met de muis te selecteren(figuur 2A). Druk op verwijderen,selecteer verticesen voer in om de vertices te verwijderen ( Figuur2B).
    3. Druk op b en selecteer de bovenkant. Druk op e, s, 0en voer om de top te verzegelen met de vertices nog steeds geselecteerd. Beweeg de blauwe pijl naar beneden om uit te lijnen op de bovenkant van de wervelkolom(figuur 2C). Druk op z om te veranderen naar een solide weergave(figuur 3A). Druk op 7 om te wijzigen naar de bovenste weergave.
      LET OP: De bovenkant van de bol is plat gemaakt om het PSD-gebied van de wervelkolom te modelleren.
  4. Als u de meshresolutie aan de bovenkant van de wervelkolom wilt verhogen, selecteert u eerst Gereedschap en Mes. Snijd een cirkel met het mes rond het midden van de top(Figuur 3B). Selecteer gereedschap en lus knippen en schuiven. Herhaal deze stap vier keer om vier concentrische cirkels rond het midden van de top(figuur 3C)te maken.
    LET OP: De concentrische cirkels worden gebruikt om nieuwe voxels toe te voegen die de resolutie van de PSD zullen verhogen.
  5. Maak de wervelkolom nek.
    1. Druk op een om het net uit te selecteert. Druk op 1 om te veranderen in het vooraanzicht. Druk op z om het gaas transparant te maken. Druk op b en selecteer vervolgens de onderkant van het gaas(figuur 4A). Druk op delete en vertices (Figuur 4B). Druk op b en selecteer de onderkant van het gaas(figuur 4C). Druk op e en z, -0,45 om een extrusie te maken(figuur 4D).
      OPMERKING: Hiermee ontstaat een extrusie naar de positie van de Z-as op -0,45 μm. Druk op een om het hele gaas uit te selecteert.
    2. Druk op b en selecteer de onderkant van de nek. Druk op e, sen 0 om de bodem te verzegelen(figuur 4E). Druk op een om het hele net te selecteren.
  6. Maak het gaas compatibel met MCell.
    1. Druk op Crtl+T om het gaas te trianguleren. Het gaas wordt omgezet in een set van onderling verbonden driehoeken. Dit is een vereiste procedure om het gaas compatibel te maken met MCell. Selecteer Gereedschap en Dubbels verwijderen. Gebruik de gereedschappen Dubbelcellen verwijderen om eventueel gedupliceerde vertices te verwijderen die dezelfde coördinaten hebben of die zeer dicht bij elkaar liggen, om het net compatibel te maken met MCell.
      OPMERKING: Dubbele boven elkaar geplaatste vertices kunnen per ongeluk zijn gemaakt tijdens het proces van mesh-creatie en -bewerking.
    2. Selecteer Modelobjecten in het deelvenster CellBlender. Wijzig de naam van het actieve object in de wervelkolom en druk op + om de objectwervel te maken. Selecteer Mesh-analyse in het deelvenster CellBlenderen klik vervolgens op Mesh analyseren (figuur 4F). Deze procedure analyseert de eigenschappen van het gemaakte net, inclusief het aantal vertices, randen, vlakken, oppervlakte, volume en mesh-topologie.
      OPMERKING: De analyse drukt de informatie af in het Mesh Analysis Panel en moet waterdicht, spruitstuken naar buiten gerichte normalen zijn. Deze stap is nodig om ervoor te zorgen dat het gaas werkt op MCell. Anders werd waarschijnlijk een stap gemist. Verwijder in dit geval het net en begin opnieuw vanaf stap 2.1.
    3. Druk op z om het solide zicht op de wervelkolom te visualiseren. Druk op Bestand en Opslaan om een kopie van uw blenderbestand te hebben met de wervelkolom op de schijf.
      OPMERKING: De afmetingen (d.w.z. lengte, diameter, grootte) van de mazen zijn in micrometers. Zie de woordenlijst voor de betekenis van elke sneltoets.

3. Het creëren van een dendriet met meerdere stekels

  1. Genereer een wervelkolom zoals eerder beschreven in de punten 2.1–2.6. Druk op een om de wervelkolom uit te selecteert. Typ Shift+C om de cursor in het midden te plaatsen.
  2. Maak een dendriet. Druk op Shift+A om het netpalet te openen. Selecteer Gaas en vervolgens Cylinder. Wijzig de parameters in het menu Cylinder toevoegen: Radius = 0,3 μm, Diepte = 2 μm. Druk op Enter.
    OPMERKING: De parameters straal en diepte worden gedefinieerd op basis van de geometrische kenmerken van het dendriet.
  3. Steek een rug in het dendriet.
    1. Druk op r en type 90 om de cilinder 90° te draaien (figuur 5A). Gebruik de blauwe pijl om de cilinder naar beneden te slepen naar de onderkant van de wervelkolom. Druk op 3 op het toetsenbord om een vooraanzicht van de cilinder te hebben.
    2. Druk op z om het gaas transparant te maken. Gebruik de muis om de blauwe normale pijl van de cilinder naar beneden te bewegen om de basis van de wervelkolom naar het interieur van de cilinder te verplaatsen(figuur 5B). Druk op een om alle objecten uit te selecteert.
    3. Gebruik de rechterknop van de muis om het dendriet(figuur 5C)te selecteren. Selecteer Modifier in het deelvenster Blender (Figuur 5D), selecteer Modifier toevoegen. Selecteer vervolgens Booleaan, selecteer Operatie Unieen selecteer Objectwervel. Druk op Toepassen om een gewrichtsmaas van het dendriet en de wervelkolom(figuur 5E)te maken. Met deze bewerking wordt een nieuw gaas gemaakt dat twee mazen samenvoegt tot één.
      LET OP: Het nieuwe gaas wordt het gecombineerde dendriet en de wervelkolom. Het geïsoleerde dendriet verdwijnt wanneer de verschillende mazen worden gecombineerd, maar het geïsoleerde ruggaas blijft overlappen met het nieuwe gaas en wordt gebruikt om meerdere kopieën van dezelfde wervelkolom te genereren. Verwijder alle geïsoleerde stekels na het beëindigen van het gaas. Het is van cruciaal belang om een volledige overlap te hebben tussen de wervelkolom nek en het dendriet, anders zal het gaas niet waterdicht zijn.
  4. Stel het dendrietobject in op de CellBlender-omgeving.
    1. Druk op een om de mazen uit te stoten. Klik met de rechtermuisknop in het dendriet met de muis om alleen het dendriet te selecteren. Selecteer CellBlender, Modelobjectenen wijzig Actief object in Dendrite en druk op + om het object Dedriet te maken.
  5. Steek nieuwe stekels in het dendriet.
    1. Druk op 1 om te schakelen naar het zijaanzicht van de cilinder. Gebruik de muis om het net van de geïsoleerde wervelkolom te selecteren. Als u meer stekels wilt plaatsen, volgt u stap 3.3 en wijzigt u de positie en de hoek om elk een in te voegen om een fysiologische verdeling te verkrijgen.
  6. Maak het gaas compatibel met MCell. Druk hiervoor op Tab om naar de bewerkingsmoduste gaan . Druk op een om het hele net te selecteren. Druk op Crtl+T om het gaas te trianguleren. Selecteer Gereedschap in het deelvenster Blender en selecteer Dubbels verwijderen.
  7. Stylize de mazen.
    1. Maak het gaas glad. Druk op Tab om te wijzigen in objectmodus. Selecteer Gereedschap in het deelvenster Blender en selecteer Vloeiend. Selecteer CellBlender, Modelobjectenen selecteer Een materiaal toevoegen.
    2. Maak het net transparant door Object transparant en materiaal transparant te selecteren. Wijzig alfa in 0,5 en voer in om het gaas gedeeltelijk transparant te maken. Druk op z om te veranderen in een solide weergave.
  8. Controleer of het net nog steeds compatibel is met MCell. Selecteer hiervoor Mesh-analyse op het cellblender-paneel om ervoor te zorgen dat het net nog steeds waterdicht, spruitstukmaasen naar buiten gericht normaalis .
  9. Sla het blenderbestand op als dendrite_with_spines.blend.

4. Oppervlaktegebieden definiëren

OPMERKING: Met deze procedure worden de oppervlaktegebieden van het net gemaakt die later worden gebruikt om in te stellen hoe de regio's met de moleculen omgaan.

  1. Open het bestand dendrite_with_spines in de Blender-omgeving. Selecteer hiervoor Bestand, Openen, dendrite_with_spines.blenden Blender-bestand openen.
  2. Bereid het gaas voor op het definiëren van de oppervlaktegebieden. Druk hiervoor op Tab om de bewerkingsmoduste wijzigen. Druk op z om te veranderen naar transparante weergave(Viewport-arcering, wireframe). Druk op een om het hele gaas van het dendriet met stekels te selecteren. Modelobjecten selecteren. Selecteer Dendrite. Druk op t om het CellBlender-paneel te verbergen en het hele net in het hoofdpaneel beter te visualiseren.
    1. Gebruik + en – op het toetsenbord om in- en uit te zoomen of met de muis te scrollen. Dit is nodig voor een betere visualisatie van de bovenkant van de stekels om de oppervlaktegebieden te selecteren en te definiëren. Druk op een om het object uit te selecteert. Druk op Tab om te wijzigen in de bewerkingsmodus. Druk op t om het CellBlender-paneel opnieuw weer te tonen.
  3. Definieer het PSD-oppervlakgebied. Druk hiervoor op b en selecteer de bovenkant van een dendritische wervelkolom met de muis (figuur 6A,6B). Druk op + op gedefinieerde oppervlaktegebieden. Wijzig de regionaam in PSD1 en klik op Toewijzen (Figuur 6C). Druk op een om het object uit te selecteert.
  4. Definieer het extrasynaptische oppervlakgebied. Druk hiervoor op b en selecteer het gebied rond de bovenkant van de dendritische wervelkolom met de muis(figuur 6D). Herhaal stap 4.3 voor de regionaam om te Extra_syn1. Herhaal stap 4.3 voor de andere stekels om de andere gebieden van het net(PSD2 , PSD3, PSD4, Extra_syn2, Extra_syn3en Extra_syn4) te definiëren (figuur 6F). PSD4 Druk op een om het object uit te selecteert.
  5. Definieer de oppervlaktegebieden van de uiteinden van het dendriet. Druk hiervoor op b en selecteer het linker uiteinde van het dendriet. Wijzig de regionaam in Left_end en klik op Toewijzen. Druk op een om het object uit te selecteert. Druk op b en selecteer het rechtereinde van het dendriet (Figuur 6E). Wijzig de regionaam in Right_end en klik op Toewijzen.
    OPMERKING: Verplaats het net om de beste positie te vinden om elk gedefinieerd gebiedte selecteren.

5. Maak moleculen

  1. Maak AMPARs. Selecteer hiervoor Moleculen in het CellBlender-paneel. Selecteer + op Gedefinieerde moleculen om een nieuw molecuul in te voegen en naam te wijzigen in AMPAR. Verander molecuultype naar oppervlaktemolecuul en diffusieconstante naar 0,05e-8 cm2/s14 om de diffusieconstante van AMPARs in het membraan te definiëren(figuur 7A).
  2. Ankers maken. Selecteer hiervoor Moleculen in het CellBlender-paneel. Selecteer + op Gedefinieerde moleculen om een nieuw molecuul in te voegen en naam te wijzigen in anker. Verander molecuultype naar surface molecule en verander Diffusion Constant naar 0,001e-8 cm2/s14 om de diffusieconstante van ankers in het membraan te definiëren(figuur 7A).
  3. Als u ankers wilt maken die gebonden zijn aan AMPARs, selecteert u Moleculen in het CellBlender-paneel. Selecteer + op Gedefinieerde moleculen om een nieuw molecuul in te voegen. Naam wijzigen in anchor_AMPAR. Molecuultype wijzigen in surface molecule. Diffusieconstante wijzigen in 0,001e-8 cm2/s14.
  4. Maak de anchor_LTP en anchor_AMPAR_LTP. Herhaal hiervoor stap 5.2. Noem het molecuul anchor_LTP. Herhaal stap 5.3. Noem het molecuul anchor_AMPAR_LTP.
    LET OP: De anchor_LTP heeft een hoge affiniteit met AMPAR; dus, AMPARs toenemen in de synaptische regio's.
  5. Maak de anchor_LTD en anchor_AMPAR_LTD. Als u een anker_LTDwilt maken, herhaalt u stap 5.2. Noem het molecuul anchor_LTD. Herhaal stap 5.3. Noem het molecuul anchor_AMPAR_LTD.
    LET OP: De anchor_LTD heeft een lage affiniteit voor AMPAR; dus, AMPARs daling in de synaptische regio.

6. Oppervlakteklassen definiëren

OPMERKING: Deze procedure definieert de klassen met de eigenschappen die zijn gekoppeld aan de oppervlaktegebieden. De extrasynaptische gebieden weerspiegelen de vrije ankers en ankers die aan AMPAR zijn gebonden. De laterale uiteinden van het dendriet weerspiegelen alle moleculen.

  1. Definieer de eigenschappen van de extrasynaptische gebieden.
    1. Druk op Tab om te wijzigen in objectmodus. Selecteer Surface-klassen in het deelvenster CellBlender. Druk op + op de Surface Class om een nieuwe oppervlakteklasse te definiëren.
    2. Laat het extrasynaptische gebied de AMPAR weerspiegelen die aan de ankermoleculen is gebonden. anchor
      OPMERKING: Deze procedure zal de ankers en alles wat eraan verbonden is binnen het synaptische gebied omsluiten.
      1. De naam van de Surface-klasse wijzigen in reflective_extra_syn. Druk op + op reflective_extra_syn Eigenschappen om het te associëren met een molecuul. Moleculen selecteren | Single Molecule. Selecteer anchor_AMPAR. Afdrukstand selecteren = Negeren. Selecteer Type = Reflecterend om de regio de anchor_AMPAR moleculen weer te geven.
      2. Herhaal stap 6.1.2.1 voor anchor_AMPAR_LTP en anchor_AMPAR_LTD.
    3. Laat het extrasynaptische gebied de ankers reflecteren.
      1. Druk op + op reflective_extra_syn Eigenschappen om het te associëren met een molecuul. Moleculen selecteren | Single Molecule. Selecteer anker. Afdrukstand selecteren = Negeren. Selecteer Type = Reflecterend om het gebied de ankermoleculen weer te geven. anchor
      2. Herhaal stap 6.1.3.1 voor anchor_LTP en anchor_LTD.
  2. Definieer de eigenschappen van de dendrieteinden. Druk hiervoor op + op Surface Class om een nieuwe oppervlakteklasse te definiëren. Wijzig de naam van de Surface-klasse in reflective_ends. Druk op + op Eigenschappen om het te associëren met een molecuul. Moleculen selecteren | Alle oppervlaktemoleculen. Oriëntatie selecteren | Negeer. Type selecteren | Reflecterend om het te laten reflecteren alle oppervlaktemoleculen.

7. De gemaakte klassen toewijzen aan elk oppervlaktegebied

OPMERKING: Met deze stap worden de oppervlakteklassen toegewezen aan de oppervlaktegebieden.

  1. Wijs de eigenschappen van de uiteinden van het dendriet toe.
    1. Druk op + om een oppervlakteklasse toe te wijzen met een regio. Selecteer reflective_ends voor De naam van de Oppervlakteklasse (Figuur 7C). Selecteer Dendrite voor objectnaam. Selecteer Opgegeven regio voor regioselectie. Selecteer Left_end voor regionaam.
    2. Herhaal stap 7.1.1 voor de Right_end (figuur 7D).
  2. Wijs de eigenschappen van de extrasynaptische gebieden toe.
    1. Druk op + om een oppervlakteklasse toe te wijzen met een regio. Selecteer reflective_extra_syn voor Surface Class Name. Selecteer Dendrite voor objectnaam. Selecteer Opgegeven regio voor regioselectie. Selecteer Extra_syn1 voor regionaam.
    2. Herhaal stap 7.2.1 voor Extra_syn2, Extra_syn3en Extra_syn4.

8. Plaats moleculen op het gaas

OPMERKING: Deze stap plaatst de AMPARs, ankersen AMPAR gebonden aan ankers op het gaas.

  1. Als u AMPAR-moleculen op het net wilt plaatsen, selecteert u Molecuulplaatsing op het CellBlender-paneel. AMPAR Druk op + op de release/plaatsingssites om een nieuwe releasesitete maken. Verander de naam van de site in relAMPAR (figuur 7B). Selecteer Molecule = AMPAR. Object/Regio = Deriet[ALLE]-(Dendrite[Left_end]+Dendrite[Right_end]). Hoeveelheid om vrij te geven = 1.000.
  2. Plaats anchor ankermoleculen op het net.
    1. Selecteer Molecuulplaatsing in het deelvenster CellBlender. Druk op + op de release/plaatsingssites om een nieuwe releasesitete maken. Verander de sitenaam in rel_anchor_PSD1. Selecteer Molecuulanker anchor. Object/Regio = Denriet[PSD1]. Hoeveelheid om vrij te geven = 200.
    2. Herhaal stap 8.2.1 voor PSD2, PSD3en PSD4.
  3. Plaats anchor_LTP moleculen op het net. Selecteer hiervoor Molecuulplaatsing in het CellBlender-paneel. Druk op + op de release/plaatsingssites om een nieuwe releasesitete maken. Verander de sitenaam in rel_anchor_LTP_PSD1. Selecteer Molecuul = anchor_LTPObject/Regio = Dendriet[PSD1]. Hoeveelheid om vrij te geven = 0. Object/Region
    LET OP: anchor_LTP is een anker met een hoge bindingsaffiniteit voor AMPARs.
  4. Plaats anchor_LTD moleculen op het net door stap 8.3 voor anchor_LTDteherhalen.
    LET OP: anchor_LTD is een anker met een lage bindingsaffiniteit voor AMPARs.

9. Maak de chemische reacties

  1. Het creëren van de reactie tussen anker en AMPARs.
    1. Selecteer Reacties (Figuur 7D) om de reacties te maken. Druk op + om een nieuwe reactieop te nemen. Reactanten = anker + AMPAR'. Reactietype = <->. Dit definieert een bidirectionele reactie. Producten = anchor_AMPAR'. Doorstuurpercentage = 0,03. Achterwaarts tarief = 0,05.
  2. Maak de reactie tussen ANCHOR_LTP en AMPARs. Herhaal hiervoor stap 9.1, maar vervang het anker door anchor_LTPen gebruik een Achterwaartse snelheid = 0,005 om de affiniteit tussen de reactantente vergroten.
  3. Maak de reactie tussen anchor_LTD en AMPARs en sla het bestand op. Herhaal hiervoor stap 9.2, maar vervang het anker door anchor_LTDen gebruik een Backward Rate = 0,5 om de affiniteit tussen de reactantente verminderen. Sla vervolgens het bestand op.

10. Plot de output van het model

  1. Plot ankers gebonden aan AMPARs op de PSD1 tijdens de basale conditie. Selecteer hiervoor de uitvoerinstellingen van plot . Druk op + om de moleculente definiëren. Selecteer anchor_AMPAR op Molecule. Selecteer dendriet op Object. Selecteer PSD1 op regio. Herhaal stap 10.1 voor alle PSD-regio's.
    OPMERKING: Het is handig om het basale aantal gevangen AMPARs te observeren op de PSD van elke dendritische wervelkolom. Het aantal ankers dat gebonden is aan AMPARs kan toenemen of afnemen in vergelijking met de basale omstandigheden tijdens LTP en LTD.
  2. Plot ankers gebonden aan AMPARs op de PSD1 tijdens LTP. Doe dit door stap 10.1 te herhalen. Vervang anchor_AMPAR door anchor_AMPAR_LTP, dan plot ankers gebonden aan AMPARs op de PSD1 tijdens LTD en ten slotte herhalen stap 10.1, maar vervang anchor_AMPAR_LTP met anchor_AMPAR_LTD.

11. Voer de simulaties uit

  1. Als u de basisconditie wilt uitvoeren, selecteert u Simulatie uitvoeren. Selecteer Iteraties = 30.000. Ingestelde stap tijd = 1e-3 s. Druk op Exporteren en uitvoeren. Wacht tot de simulatie is afgelopen. Het kan minuten tot uren duren.
    OPMERKING: In de basale toestand is er geen afgifte van anchor_LTP en rel_anchor_LTD moleculen. Wat de parameters van de simulatie betreft, moet het aantal iteraties lang genoeg zijn om de verspreiding van AMPARs van de dendrieten en hun verankering bij PSD te kunnen waarnemen. Kleine tijdstappen zijn nauwkeuriger, maar langzamer om de simulatie te voltooien.
  2. Selecteer Visualisatiegegevens opnieuw laden. Selecteer afspeelanimatie om de spatiotemporale resultaten te visualiseren(figuur 8). Uitvoerinstellingen voor plotten selecteren. Druk op Plot.
    OPMERKING: De grafieken gegenereerd door CellBlender zijn geïsoleerde tijdreeksen van de geselecteerde chemische soorten. Programma's van derden kunnen worden gebruikt om de gegevens te importeren die zijn opgeslagen uit meerdere simulaties om bedekte plots van verschillende voorwaarden te maken (bijvoorbeeld basaal, LTP, LTD; zie figuur 8).
  3. Voer de homosynaptische potentiëringstoestand uit (d.w.z. LTP; zie figuur 8). Selecteer hiervoor Molecuulplaatsing in het CellBlender-paneel. Selecteer rel_anchor_LTP_PSD1 op de release/plaatsingssites.
  4. Hoeveelheid wijzigen om vrij te geven = 200. Selecteer rel_anchor_LTD_PSD1 op de release/plaatsingssites. Hoeveelheid wijzigen om vrij te geven = 0. Selecteer rel_anchor _PSD1 op de release/plaatsingssites. Hoeveelheid wijzigen om vrij te geven = 0. Herhaal stap 11.1–11.2.
  5. Voer de homosynaptische depressie aandoening (dat wil zeggen, LTD; zie figuur 8). Om dit te doen, Release 200 rel_anchor_LTD_PSD1 in plaats van rel_ANCHOR_LTP_PSD1. Stel rel_anchor en rel_anchor_LTP_PSD1 op nul. Herhaal stap 11.1–11.2.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Resultaten

Deze resultaten bieden de stappen voor de bouw van een 3D-mesh dat een dendritische wervelkolom simuleert met een wervelkolom hoofd en wervelkolom nek(figuur 1 tot figuur 4). Bovendien kunnen meerdere dendritische stekels worden ingevoegd in een enkel dendritisch segment (figuur 5) om heterosynaptische plasticiteit van AMPARs14te bestuderen. De PSD aan de bovenkant van de wervelkolom(figu...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Discussie

Dit artikel presenteert een methode voor de bouw van 3D mazen voor het modelleren van reactie-diffusie synaptische plasticiteit processen in een dendritisch segment met dendritische stekels. Het ontwikkelde model bevat een dendritisch segment met weinig dendritische stekels. De laterale diffusie en reactie van AMPARs met synaptische ankers maken de simulatie van de basale dynamiek mogelijk. De kritieke stappen in het protocol zijn het snijden van de bol voor de oprichting van de bovenkant van de wervelkolom hoofd

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Openbaarmakingen

De auteurs verklaren dat zij geen concurrerende financiële belangen hebben.

Dankbetuigingen

Dit werk werd gedeeltelijk ondersteund door de Sao Paulo State Science Foundation (FAPESP) subsidie #2015/50122-0 en IRTG-GRTK 1740/2, door de IBM/FAPESP subsidie #2016/18825-4, en door de FAPESP subsidie #2018/06504-4.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
BlenderBlender Foundationhttps://www.blender.org/
CellBlenderUniversity of Pittsburghhttps://mcell.org/
McellUniversity of Pittsburghhttps://mcell.org/

Referenties

  1. Sweatt, J. D. Neural plasticity and behavior - sixty years of conceptual advances. Journal of Neurochemistry. 139, 179-199 (2016).
  2. Heine, M., et al. Surface mobility of postsynaptic AMPARs tunes synaptic transmission. Science. 320 (5873), 201-205 (2008).
  3. Buonarati, O. R., Hammes, E. A., Watson, J. F., Greger, I. H., Hell, J. W. Mechanisms of postsynaptic localization of AMPA-type glutamate receptors and their regulation during long-term potentiation. Science Signaling. 12 (562), 6889(2019).
  4. Nair, D., et al. Super-Resolution Imaging Reveals That AMPA Receptors Inside Synapses Are Dynamically Organized in Nanodomains Regulated by PSD95. Journal of Neuroscience. 33 (32), 13204-13224 (2013).
  5. Czöndör, K., et al. Unified quantitative model of AMPA receptor trafficking at synapses. Proceeding of the National Academy of Sciences of the United States of America. 109 (9), 3522-3527 (2012).
  6. Triesch, J., Vo, A. D., Hafner, A. S. Competition for synaptic building blocks shapes synaptic plasticity. eLife. 7, 37836(2018).
  7. Earnshaw, B. A., Bressloff, P. C. Biophysical model of AMPA receptor trafficking and its regulation during long-term potentiation/long-term depression. Journal of Neuroscience. 26 (47), 12362-12373 (2006).
  8. Earnshaw, B. A., Bressloff, P. C. Modeling the role of lateral membrane diffusion in AMPA receptor trafficking along a spiny dendrite. Journal of Computational Neuroscience. 25 (2), 366-389 (2008).
  9. Antunes, G., Roque, A. C., Simoes-de-Souza, F. M. Stochastic Induction of Long-Term Potentiation and Long-Term Depression. Scientific Reports. 6, 30899(2016).
  10. Kotaleski, J. H., Blackwell, K. T. Modelling the molecular mechanisms of synaptic plasticity using systems biology approaches. Nature Reviews Neuroscience. 11 (4), 239-251 (2010).
  11. Bhalla, U. S. Molecular computation in neurons: a modeling perspective. Current Opinion in Neurobiology. 25, 31-37 (2014).
  12. Czöndör, K., Thoumine, O. Biophysical mechanisms regulating AMPA receptor accumulation at synapses. Brain Research Bulletin. 93, 57-68 (2013).
  13. Bromer, C., et al. Long-term potentiation expands information content of hippocampal dentate gyrus synapses. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 115 (10), 2410-2418 (2018).
  14. Antunes, G., Simoes-de-Souza, F. M. AMPA receptor trafficking and its role in heterosynaptic plasticity. Scientific Reports. 8 (1), 10349(2018).
  15. Kerr, R. A., et al. Fast monte carlo simulation methods for biological reaction-diffusion systems in solution and on surfaces. SIAM Journal on Scientific Computing. 30 (6), 3126(2008).
  16. Czech, J., Dittrich, M., Stiles, J. R. Rapid Creation, Monte Carlo Simulation, and Visualization of Realistic 3D Cell Models. Systems Biology. 500, 237-287 (2009).
  17. Stiles, J., Bartol, T., et al. Monte Carlo Methods for Simulating Realistic Synaptic Microphysiology Using MCell. Computational Neuroscience. De Schutter,, et al. , CRC Press. (2000).
  18. Jorstad, A., et al. NeuroMorph: A Toolset for the Morphometric Analysis and Visualization of 3D Models Derived from Electron Microscopy Image Stacks. Neuroinformatics. 13 (1), 83-92 (2015).
  19. Antunes, G., Roque, A. C., Simoes de Souza, F. M. Modelling intracellular competition for calcium: kinetic and thermodynamic control of different molecular modes of signal decoding. Scientific Reports. 6, 23730(2016).
  20. Antunes, G., Roque, A. C., Simoes-de-Souza, F. M. Molecular mechanisms of detection and discrimination of dynamic signals. Scientific Reports. 8 (1), 2480(2018).
  21. Hoops, S., et al. COPASI--a COmplex PAthway SImulator. Bioinformatics. 22 (24), 3067-3074 (2006).
  22. Faeder, J. R., Blinov, M. L., Hlavacek, W. S. Rule-based modeling of biochemical systems with BioNetGen. Methods in Molecular Biology. 500, 113-167 (2009).
  23. Gillespie, D. T. Exact stochastic simulation of coupled chemical reactions. Journal of Physical Chemistry. 81 (25), 21(1977).
  24. Anggono, V., Huganir, R. L. Regulation of AMPA receptor trafficking and synaptic plasticity. Current Opinion in Neurobiology. 22 (3), 461-469 (2012).
  25. Matsuda, S., Launey, T., Mikawa, S., Hirai, H. Disruption of AMPA receptor GluR2 clusters following long-term depression induction in cerebellar Purkinje neurons. EMBO Journal. 19 (12), 2765-2774 (2000).
  26. Ahmad, M., et al. Postsynaptic Complexin Controls AMPA Receptor Exocytosis during LTP. Neuron. 73 (2), 260-267 (2012).
  27. Sheng, M., Hoogenraad, C. C. The postsynaptic architecture of excitatory synapses: a more quantitative view. Annual Review of Biochemistry. 76, 823-847 (2007).

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Herprints en machtigingen

Toestemming aanvragen om de tekst of afbeeldingen van dit JoVE-artikel te hergebruiken

Toestemming aanvragen

Trefwoorden

Blender CellBlenderMCell simulatieAMPA receptorverkeerdiffusieconstantenchemische reactiesmesh triangulatiehomosynaptische potentiatie

Gerelateerde artikelen