3D Modellering van Dendritische stekels met synaptische plasticiteit
18 mei 2020
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.
Computationele 3D Geometrische Modellering van chemische soortenreactie door fusie. is een nuttige methode voor het bestuderen van de mechanismen van receptor handel in en uit dendritische wervelkolom doet synaptische plasticiteit. Deze techniek heeft het voordeel van het creëren van een rijke omgeving voor het maken van hypothesen en projecties over niet-lineaire systemen met een groot aantal variabelen.
Om een gaas van een enkele dendritische wervelkolom met een wervelkolom hoofd en een wervelkolom nek met behulp van een gemodificeerde bol. Eerst open Blender. Met Cell Blender al geïnstalleerd en druk op 5 op het toetsenbord, om te veranderen van het perspectief naar de orthogonale weergave.
Druk op 1 om in de vooraanzicht te gaan en druk op Shift C om de cursor in het midden te plaatsen. Als u het rughoofd wilt maken, drukt u op Shift A om het netpalet te openen en selecteert u het net. Selecteer UV-bol en stel in de toegevoegde UV-bol de grootte in op 0,25 en de ringen op 32.
Als u de bovenkant van het hoofd plat wilt maken, drukt u op Tab om blender te schakelen van de objectmodus naar de bewerkingsmodus. Druk op B om de bovenste drie kwart van de bol te selecteren en druk op Delete, selecteer Vertices en Enter om de vertices te verwijderen. Druk op B en selecteer de bovenkant van de bol.
Druk op E, S, 0 en Enter om de bovenkant van de vertices die nog zijn geselecteerd te verzegelen. En beweeg de blauwe pijl naar beneden om uit te lijnen op de bovenkant van de wervelkolom hoofd. Als u de meshresolutie aan de bovenkant van de wervelkolom wilt verhogen, selecteert u Gereedschap en mes en gebruikt u het mes om een cirkel rond het midden van de bovenkant te snijden.
Selecteer vervolgens Gereedschap en Lus knippen en schuif vier keer om vier concentrische cirkels rond het midden van de bovenkant te maken. Als u de wervelkolomhals wilt maken, drukt u op B en selecteert u de onderkant van het gaas. Druk op Vertices en B verwijderen en selecteer de onderkant van het gaas.
Druk op E en Z en selecteer min 0,45 om een extrusie te maken naar de positie van de Z-as, op min 0,45 micrometer. Als u het net compatibel wilt maken met M-cel, drukt u op Ctrl T om het net te trianguleren en selecteer gereedschap en dubbel dubbels verwijderen. Als u een meervoudige wervelkolom dendriet wilt maken, drukt u op Shift A om het meshpalet te openen en Mesh en cylinder te selecteren.
Stel in het menu Cylinder toevoegen de straal 0,3 micrometer en de diepte in op twee micrometer en druk op Enter. Druk op R en voer 90 in om de cilinder 90 graden te draaien en gebruik de blauwe pijl om de cilinder naar de onderkant van de wervelkolom te slepen. Druk op 3 om een vooraanzicht van de cilinder te verkrijgen en druk op Z om het gaas transparant te maken.
Gebruik de blauwe normale pijl om de basis van de wervelkolom naar het interieur van de cilinder te verplaatsen en klik met de rechtermuisknop om het dendriet te selecteren. Selecteer Modifier en Voeg Modifier toe en selecteer Booleaans, Operation Union en selecteer Object spine. Klik op Toepassen om een gewrichtsmaas van de dendriet en de wervelkolom te maken.
Gebruik vervolgens de muis om het net van de geïsoleerde wervelkolom te selecteren, waarbij de positie en hoek worden gewijzigd om elke nieuwe wervelkolom in een fysiologische positie in te brengen. Als u AMPARs wilt maken, selecteert u Moleculen en voegt u een nieuw molecuul in. Wijzig de naam in AMPAR en verander het molecuultype in Surface molecule.
Verander vervolgens de diffusieconstante 0,05 keer 10 naar de achtste vierkante centimeter per seconde. Open plotuitvoerinstellingen en druk op de moleculen om de ankers aan de AMPARs in kaart te brengen. Stel vervolgens de Molecule in op Anchor_AMPAR, het object op de dendrite en de regio op PSD1.
Als u een basale conditiesimulatie wilt uitvoeren, selecteert u Uitvoeren-simulatie. En stel de iteraties op 30.000 en de tijdsstap op één keer 10 naar de min drie seconden. Klik op Exporteren en uitvoeren en wacht tot de simulatie is afgelopen.
Selecteer aan het einde van de simulatie De optie Visualisatiegegevens opnieuw laden, animatie afspelen, uitvoerinstellingen ploten en plotten om de ruimtelijke temporele resultaten te visualiseren. Om de homosynaptische potentiëringsvoorwaarde in werking te stellen selecteert molecule Plaatsing en rel_anchorLTP_psd1. Selecteer rel_anchorLTP_psd1 en wijzig Hoeveelheid in Release naar 200.
Wijzig vervolgens Hoeveelheid naar Release naar nul. Selecteer rel_anchor_psd1. Verander Hoeveelheid om vrij te geven naar nul en voer de simulatie uit zoals zojuist is aangetoond.
Synaptische plasticiteit kan ruwweg worden geverifieerd door veranderingen in het aantal soorten AMPARs gebonden aan ankers op elke wervelkolom. Voor de exacte berekening van het optreden van synaptische plasticiteit. Het wordt aanbevolen om de variatie van de totale aantallen verankerde en gratis AMPARs op de synaps te berekenen.
AMPAR homosynaptische potentiëring en depressie kan worden geverifieerd door middel van verhogingen en dalingen van het aantal verankerde AMPARs respectievelijk, veroorzaakt door veranderingen in de affiniteit van AMPARs door ankers in vergelijking met de basale conditie. Bijvoorbeeld homosynaptische langdurige potentiëring inductie bij een enkele wervelkolom, creëert een heterosynaptisch langdurig depressie-effect bij de naburige stekels. Na deze procedure kan het model worden uitgebreid om het proces van LTP en LTD inductie bij Dendritische stekels te onderzoeken.
Deze methoden maken het mogelijk hypothese te testen over de werking van complexe niet-lineaire systemen met een groot aantal variabelen.
Bekijk het volledige transcript en krijg toegang tot duizenden wetenschappelijke video's
Overzicht
Deze studie ontwikkelt een driedimensionaal (3D) model van een dendritisch segment, specifiek met dendritische stekels, voor het simuleren van synaptische plasticiteit. Het model maakt computationele analyse van AMPA-receptor-trafficking mogelijk met behulp van Blender met CellBlender en MCell, wat inzichten biedt in de mechanismen die ten grond liggen aan synaptische veranderingen.
Belangrijkste Componenten van de Studie
Wetenschappelijk gebied
- Computationele Neurowetenschappen
- Synaptische Plasticiteit
- Modellering en Simulatie
Achtergrond
- Dendritische stekels zijn essentieel voor synaptische plasticiteit en informatieverwerking in neuronen.
- Inzicht in de dynamiek van AMPA-receptoren kan leiden tot nieuwe inzichten in mechanismen van leren en geheugen.
- 3D-modellering maakt een gedetailleerd onderzoek van complexe biologische systemen mogelijk.
Doel van de studie
- Om een gedetailleerd mesh-model te creëren voor het onderzoeken van receptortransport.
- Om de simulatie van processen van synaptische plasticiteit te vergemakkelijken.
- Om het testen van hypothesen met betrekking tot niet-lineaire gedragingen in complexe systemen mogelijk te maken.
Gebruikte methoden
- Blender-software is gebruikt in combinatie met CellBlender en MCell voor 3D-geometrische modellering.
- De focus lag op het creëren van een mesh die een enkele dendritische spine en een dendriet representeert.
- Kritieke stappen voor de creatie van de mesh zijn gedefinieerd, waaronder vertexmanipulatie en extrusietechnieken.
- De simulatie-instellingen zijn gedetailleerd beschreven, inclusief de condities voor basale en gepotentieerde toestanden.
Belangrijkste resultaten
- Een methode ontwikkeld om de dynamiek van AMPA-receptoren tijdens synaptische condities te volgen.
- Aangetoond hoe veranderingen in receptorbinding kunnen wijzen op synaptische potentiering of depressie.
- Inzichten verschaft in de interactie tussen naburige dendritische spines in termen van langetermijnpotentiering en -depressie.
Conclusies
- Deze studie demonstreert een computationele benadering om mechanismen van synaptische plasticiteit te visualiseren en te simuleren.
- Implicaties voor het begrijpen van de rol van AMPA-receptoren bij modificaties van de synaptische sterkte.
- Biedt een kader voor het verkennen van complexe neuronale interacties en plasticiteitsdynamiek in een gecontroleerde virtuele omgeving.
Veelgestelde Vragen
Industriële Relevantie voor Management
Deze computationele 3D-modelleringsaanpak maakt het mogelijk om mechanistische risico's van hypothesen over synaptische plasticiteit te minimaliseren door de dynamiek van receptortransport in dendritische stekels te simuleren. Het ondersteunt targetvalidatie bij de ontdekking van neurowetenschappelijke geneesmiddelen door kwantitatieve, ruimtelijk opgeloste read-outs te leveren van de verankering en diffusie van AMPA-receptoren onder basale en gepotentieerde condities. De methode vergroot het voorspellende vertrouwen bij de identificatie van lead-verbindingen die de synaptische sterkte moduleren, in het bijzonder binnen therapeutische gebieden voor het CZS waar receptortransport een cruciaal werkingsmechanisme is.
Strategische toepassingen in biofarmaceutische R&D
Vroege Ontdekking & Targetvalidatie
- Wetenschappelijke waarde: Maakt het mogelijk om therapeutische hypothesen te onderzoeken met betrekking tot de mechanismen van AMPA-receptorverkeer bij synaptische plasticiteit.
- Operationele waarde: Biedt een ziekterelevant systeem voor functionele targetvalidatie van synaptische eiwitten die betrokken zijn bij receptorverankering en -diffusie.
Screening & Assayontwikkeling
- Wetenschappelijke waarde: Genereert kwantitatieve metingen van de afhankelijke variabelen van verankerde en vrije AMPARs om assay-standaardisatie en reproduceerbaarheid te ondersteunen.
- Operationele waarde: Bereidt gevalideerde biologische modellen voor voor downstream screeningsworkflows door spatiotemporele receptordynamiek in een 3D-geometrie te definiëren.
Translationeel & Preklinisch Onderzoek
- Wetenschappelijke waarde: Ondersteunt ziekterelateerde systeemmodellering door homosynaptische en heterosynaptische plasticiteit tussen naburige dendritische stekels vast te leggen.
- Operationele waarde: Maakt risico-gecorrigeerde beslissingen over voortgang mogelijk door te simuleren hoe veranderingen in receptoraffiniteit de synaptische sterkte over verbonden stekels beïnvloeden.
Integratie van Pipeline & Workflow
De methode is geïntegreerd in het continuüm van ontdekking, van hypothesetesten in de vroege fase van discovery tot lead-optimalisatie via kwantitatieve beoordeling van veranderingen in receptortransport die bijdragen aan mechanistische risicoreductie.
- Discovery Biology: Ondersteunt hypothesetoetsing en het verduidelijken van signaalpaden door niet-lineaire receptordynamiek in complexe synaptische omgevingen te simuleren.
- Screening: Zorgt voor assay-gereedheid via gestandaardiseerde simulatieoutputs die AMPAR-binding kwantificeren onder basale, gepotentieerde en gedeprimeerde condities.
- Analytics: Biedt mogelijkheden voor statistische analyse via numerieke oplossingen van diffusie-reactiemodellen die vergelijking van receptorpopulaties over verschillende condities mogelijk maken.
- Translationeel Onderzoek: Verbindt discovery met preklinische continuïteit door spine-to-spine signaleringseffecten te modelleren die relevant zijn voor plasticiteit op netwerkniveau.
- Enterprise Reuse: Vestigt een herbruikbaar computationeel platform voor het testen van meerdere hypothesen over receptortransport in diverse neuronale modellen.
Operationele & Bedrijfsmatige Impact
- Wetenschappelijke waarde: Verhoogt het voorspellend vertrouwen in doelvlakvalidatie door mechanische ambiguïteit in receptor-transportpaden te verminderen.
- Operationele waarde: Verbetert de reproduceerbaarheid en schaalbaarheid via gestandaardiseerde protocollen voor maascreatie en simulatie in Blender/CellBlender/MCell.
- Strategische waarde: Verbetert go/no-go-beslissingen door virtuele tests van verbindingseffecten op synaptische plasticiteit mogelijk te maken vóór validatie in het natte lab.
- Impact op portfolio: Ondersteunt risico-gecorrigeerde prioritering van CNS-doelen door poly-synaptische effecten van therapeutische interventies te simuleren.
Overwegingen bij de implementatie
- Vereist expertise in computationele neurowetenschappen, 3D-modellering en reactie-diffusiesimulatie.
- Is afhankelijk van Blender met CellBlender voor mesh-generatie en MCell voor de numerieke oplossing van ruimtelijke dynamica.
- Vereist cross-team standaardisatie van molecuuldefinities, diffusieconstanten en specificaties van het interessegebied.
- Omvat overwegingen voor aanpassing bij het uitbreiden van het model naar verschillende spine-geometrieën of synaptische molecuultypes.
- Bevat praktische beperkingen, zoals een verminderde simulatiesnelheid bij hoge molecuulaantallen, zoals vermeld in de bron.
