Name: Modelowanie 3D kolców dendrytycznych z plastycznością synaptyczną (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2020-05-18T13:30:00.000+00:00
Duration: 7 min 13 s
Description: Odkryj modelowanie 3D kolców dendrytycznych z wykorzystaniem Blendera, CellBlender i MCell do symulacji plastyczności synaptycznej. Ta metoda umożliwia analizę dynamiki receptorów AMPA i testowanie hipotez o złożonych układach neuronalnych.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

Ta praca była częściowo wspierana przez grant Sao Paulo State Science Foundation (FAPESP) #2015/50122-0 i IRTG-GRTK 1740/2, przez grant IBM/FAPESP #2016/18825-4 oraz przez grant FAPESP #2018/06504-4.

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

Autorzy oświadczają, że nie mają konkurencyjnych interesów finansowych.

W artykule przedstawiono metodę budowy siatek 3D do modelowania procesów plastyczności synaptycznej reakcyjno-dyfuzyjnej w segmencie dendrytycznym z kolcami dendrytycznymi. Opracowany model zawiera segment dendrytyczny z kilkoma kolcami dendrytycznymi. Dyfuzja boczna i reakcja AMPAR z kotwicami synaptycznymi pozwala na symulację dynamiki podstawowej. Krytycznymi krokami w protokole są przecięcie kuli w celu utworzenia górnej części głowy kręgosłupa (Rysunek 1, Rysunek 2<...

Plastyczność synaptyczna została powiązana z uczeniem się i pamięcią1. Plastyczność synaptyczna, taka jak długoterminowe wzmocnienie (LTP) i długotrwała depresja (LTD), jest związana odpowiednio z wprowadzaniem i usuwaniem receptorów AMPA (AMPAR) do i z błony synaptycznej 2. Synapsy AMPAR znajdują się na szczycie małych struktur objętościowych zwanych kolcami dendrytycznymi3. Każdy kręgosłup zawiera region gęstości białkowej w błonie postsynaptycznej zwany gęstością postsynaptyczną (PSD). Białka kotwiczące w PSD zatrzymują AMPAR w regionie synaptycznym. W obrębie jednej synapsy znajduje się niewiele kopii AMPAR, a transport i reakcja AMPAR z innymi gatunkami w kolcach dendrytycznych jest procesem stochastycznym2,4. Istnieje kilka kompartmentowych modeli transportu receptorów synaptycznych w kolcach dendrytycznych5,6,7,8. Brakuje jednak stochastycznych modeli obliczeniowych transportu AMPAR związanego z plastycznością synaptyczną w strukturach 3D dendrytów i ich kolców dendrytycznych.
Modelowanie obliczeniowe jest użytecznym narzędziem do badania mechanizmów leżących u podstaw dynamiki złożonych systemów, takich jak reakcja-dyfuzja AMPAR w kolcach dendrytycznych podczas występowania plastyczności synaptycznej9,10,11,12. Model może być używany do wizualizacji złożonych scenariuszy, zmieniania wrażliwych parametrów i dokonywania ważnych prognoz w warunkach naukowych obejmujących wiele zmiennych, które są trudne lub niemożliwe do kontrolowania experimental12,13. Zdefiniowanie poziomu szczegółowości modelu obliczeniowego jest podstawowym krokiem w uzyskaniu dokładnych informacji o modelowanym zjawisku. Idealny model obliczeniowy to delikatna równowaga między złożonością a prostotą, aby uchwycić podstawowe cechy zjawisk naturalnych bez zaporów obliczeniowych. Modele obliczeniowe, które są zbyt szczegółowe, mogą być kosztowne w obliczeniach. Z drugiej strony, systemom, które są słabo szczegółowe, może brakować podstawowych komponentów, które są niezbędne do uchwycenia dynamiki zjawiska. Chociaż modelowanie 3D kolców dendrytycznych jest obliczeniowo droższe niż 2D i 1D, istnieją warunki, takie jak w złożonych układach z wieloma zmiennymi nieliniowymi reagującymi i dyfundującymi w czasie i przestrzeni 3D, dla których modelowanie na poziomie 3D jest niezbędne do uzyskania wglądu w funkcjonowanie systemu. Co więcej, złożoność można ostrożnie zmniejszyć, aby zachować podstawowe cechy modelu niskowymiarowego.
W systemie stochastycznym z kilkoma kopiami danego gatunku w małej objętości, średnia dynamika systemu odbiega od średniej dynamiki dużej populacji. W tym przypadku wymagane jest stochastyczne modelowanie obliczeniowe cząstek dyfuzyjnych reakcji. W pracy przedstawiono metodę stochastycznego modelowania reakcji-dyfuzji kilku kopii AMPAR w kolcach dendrytycznych 3D. Celem tej metody jest opracowanie modelu obliczeniowego 3D segmentu dendrytycznego z kolcami dendrytycznymi i ich synapsami do modelowania plastyczności synaptycznej.
Metoda wykorzystuje oprogramowanie MCell do numerycznego rozwiązywania modelu, Blender do konstruowania siatek 3D, a CellBlender do tworzenia i wizualizacji symulacji MCell, w tym czasoprzestrzennej reakcji-dyfuzji cząsteczek w siatkach 3D14,15,16. Blender to pakiet do tworzenia siatek, a CellBlender to dodatek do podstawowego oprogramowania Blender. MCell to symulator Monte Carlo do reakcji-dyfuzji pojedynczych cząsteczek17.
Uzasadnienie zastosowania tej metody polega na modelowaniu plastyczności synaptycznej w celu lepszego zrozumienia tego zjawiska w mikrofizjologicznym środowisku kolców dendrytycznych14. W szczególności metoda ta pozwala na symulację wzmocnienia homosynaptycznego, depresji homosynaptycznej i plastyczności heterosynaptycznej między kolcami dendrytycznymi14.
Cechy tej metody obejmują modelowanie geometrycznej struktury 3D dendrytu i jego synaps, dyfuzję przez losowy spacer oraz reakcje chemiczne cząsteczek związanych z plastycznością synaptyczną. Zaletą tej metody jest tworzenie bogatych środowisk do testowania hipotez i przewidywania funkcjonowania złożonego systemu nieliniowego z dużą liczbą zmiennych. Ponadto metoda ta może być stosowana nie tylko do badania plastyczności synaptycznej, ale także do badania stochastycznej dyfuzji reakcji i dyfuzji cząsteczek w strukturach siatkowych 3D w ogóle.
Alternatywnie, siatki 3D struktur dendrytycznych mogą być konstruowane bezpośrednio w Blenderze z seryjnych rekonstrukcji mikroskopu elektronowego18. Mimo że siatki oparte na rekonstrukcjach seryjnych zapewniają struktury 3D, dostęp do danych eksperymentalnych nie zawsze jest możliwy. W związku z tym konstrukcja siatek zaadaptowanych z podstawowych struktur geometrycznych, jak opisano w niniejszym protokole, zapewnia elastyczność w opracowywaniu niestandardowych segmentów dendrytycznych z kolcami dendrytycznymi.
Inną alternatywną metodą obliczeniową jest masowa symulacja dobrze wymieszanych reakcji w regularnej objętości9,10,11,19,20,21,22. Symulacje masowe są bardzo skuteczne w rozwiązywaniu reakcji wielu gatunków w obrębie jednej dobrze wymieszanej objętości23, ale podejście masowe jest niezwykle powolne w rozwiązywaniu reakcji dyfuzji cząsteczek w wielu dobrze wymieszanych wokselach w siatce 3D o wysokiej rozdzielczości. Z drugiej strony, obecna metoda wykorzystująca symulacje MCell reakcji-dyfuzji pojedynczych cząstek działa efektywnie w siatkach 3D o wysokiej rozdzielczości15.
Przed użyciem tej metody, należy zapytać, czy badane zjawisko wymaga stochastycznego podejścia reakcyjno-dyfuzyjnego w siatce 3D. Jeśli zjawisko ma kilka kopii (mniej niż 1000) co najmniej jednego z reagujących gatunków dyfundujących w złożonej strukturze geometrycznej z małymi przedziałami objętościowymi, takimi jak kolce dendrytyczne, wówczas stochastyczne modelowanie reakcji-dyfuzji w siatkach 3D jest odpowiednie dla zastosowania.
Do skonstruowania modelu obliczeniowego 3D segmentu dendrytycznego zawierającego kolce dendrytyczne o plastyczności synaptycznej wymagane jest kilka kroków. Główne kroki to instalacja odpowiedniego oprogramowania do budowy modelu, budowa pojedynczego kolca dendrytycznego, który ma być wykorzystany jako szablon do tworzenia wielu kolców, oraz utworzenie segmentu dendrytycznego, który jest połączony z wieloma kolcami dendrytycznymi. Etap modelowania plastyczności synaptycznej polega na wstawieniu kotwic w regionie PSD i AMPAR w segmencie dendrytycznym i kolcach dendrytycznych. Następnie definiuje się reakcje kinetyczne między kotwicami znajdującymi się w PSD i AMPAR w celu wytworzenia skompleksowanych gatunków kotwiczących AMPAR, które zatrzymują AMPAR w regionie synaptycznym. Odpowiednio, wzrost i spadek powinowactwa między kotwicami a synaptycznymi AMPAR tworzy proces LTP i LTD.

<table><tbody><tr><td>Fundacja Blendera</td><td>Blendera</td><td></td><td>https://www.blender.org/</td></tr> <tr><td>CellBlender</td><td>, Uniwersytet w Pittsburghu</td><td></td><td>https://mcell.org/</td></tr> <tr><td>Mcell</td><td>, Uniwersytet w Pittsburghu</td><td></td><td>https://mcell.org/</td></tr></tbody></table>

modelowanie 3d kolców dendrytycznych z plastycznością synaptyczną

3D Modeling of Dendritic Spines with Synaptic Plasticity

Modelowanie obliczeniowe dyfuzji i reakcji związków chemicznych w geometrii trójwymiarowej (3D) jest podstawową metodą zrozumienia mechanizmów plastyczności synaptycznej w kolcach dendrytycznych. W tym protokole szczegółowa struktura 3D dendrytów i kolców dendrytycznych jest modelowana za pomocą siatek w oprogramowaniu Blender z CellBlenderem. Regiony synaptyczne i pozasynaptyczne są zdefiniowane na siatce. Następnie receptory synaptyczne i cząsteczki kotwicy synaptycznej są definiowane za pomocą ich stałych dyfuzji. Na koniec uwzględniono reakcje chemiczne między receptorami synaptycznymi a kotwicami synaptycznymi, a model obliczeniowy jest rozwiązywany numerycznie za pomocą oprogramowania MCell. Metoda ta opisuje ścieżkę czasoprzestrzenną każdej pojedynczej cząsteczki w strukturze geometrycznej 3D. W związku z tym bardzo przydatne jest badanie transportu receptorów synaptycznych do i z kolców dendrytycznych podczas występowania plastyczności synaptycznej. Ograniczeniem tej metody jest to, że duża liczba cząsteczek spowalnia szybkość symulacji. Modelowanie kolców dendrytycznych tą metodą pozwala na badanie homosynaptycznego wzmocnienia i depresji w obrębie pojedynczych kolców oraz plastyczności heterosynaptycznej między sąsiednimi kolcami dendrytycznymi.

Wyniki te przedstawiają etapy konstrukcji siatki 3D symulującej kolcem dendrytyczny z główką i szyjką kolca (Rysunek 1 do Rysunek 4). Ponadto, w jednym segmencie dendrytycznym można umieścić wiele kolców dendrytycznych (Rysunek 5), aby badać plastyczność heterosynaptyczną receptorów AMPAR14. Gęstość postsynaptyczna (PSD) na szczycie główki kolca (Rysunek 6) jest miejscem, w który...

Protokół rozwija trójwymiarowy (3D) model segmentu dendrytycznego z kolcami dendrytycznymi do modelowania plastyczności synaptycznej. Skonstruowana siatka może być wykorzystana do modelowania obliczeniowego transportu receptora AMPA w długoterminowej plastyczności synaptycznej za pomocą oprogramowania Blender z CellBlender i MCell.

Modelowanie 3D kolców dendrytycznych z plastycznością synaptyczną

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

Obliczeniowe modelowanie geometryczne 3D reakcji związków chemicznych poprzez fuzję. jest przydatną metodą badania mechanizmów transportu receptorów do i z kolców dendrytycznych poprzez plastyczność synaptyczną. Technika ta ma tę zaletę, że tworzy bogate środowisko do tworzenia hipotez i projekcji dotyczących układów nieliniowych z dużą liczbą zmiennych.Do stworzenia siatki pojedynczego kolca dendrytycznego z głową grzbietu i szyjką kręgosłupa za pomocą zmodyfikowanej kuli. Najpierw otwórz Blendera. Gdy Cell Blender jest już zainstalowany, naciśnij 5 na klawiaturze, aby zmienić widok z perspektywy na widok ortogonalny.Naciśnij 1, aby przejść do widoku z przodu i naciśnij Shift C, aby wyśrodkować kursor. Aby utworzyć głowę grzbietu, naciśnij Shift A, aby otworzyć paletę Siatka, a następnie wybierz Siatkę. Wybierz Sfera UV i w dodawaniu Sfera UV ustaw rozmiar na 0,25, a pierścienie na 32.Aby górna część głowy była płaska, naciśnij Tab, aby przełączyć Blendera z trybu Object na tryb Edit. Naciśnij B, aby zaznaczyć trzy górne ćwiartki sfery, a następnie naciśnij Delete, wybierz Wierzchołki i Enter, aby usunąć wierzchołki. Naciśnij B i wybierz górną część kuli.Naciśnij E, S, 0 i Enter, aby zapieczętować górną część nadal wybranych wierzchołków. I przesuń niebieską strzałkę w dół, aby wyrównać się z górną częścią głowy kręgosłupa. Aby zwiększyć rozdzielczość siatki w górnej części grzbietu, wybierz Narzędzie i nóż i użyj noża, aby wyciąć okrąg wokół środka góry.Następnie wybierz Narzędzie i Pętla, wytnij i przesuń cztery razy, aby utworzyć cztery koncentryczne okręgi wokół środka góry. Aby utworzyć szyję grzbietu, naciśnij B i wybierz spód siatki. Naciśnij Usuń wierzchołki i B, a następnie wybierz dolną część siatki.Naciśnij E i Z, a następnie wybierz wartość minus 0,45, aby utworzyć wyciągnięcie do pozycji osi Z z odległości minus 0,45 mikrometra. Aby siatka była kompatybilna z komórką M, naciśnij Ctrl T, aby dokonać triangulacji siatki, a następnie wybierz Narzędzie i Usuń podwójne. Aby utworzyć dendryt o wielu grzbietach, naciśnij Shift A, aby otworzyć paletę Siatka i wybierz opcję Siatka i walec.W menu Dodaj cylinder ustaw promień 0,3 mikrometra i głębokość na dwa mikrometry, a następnie naciśnij Enter. Naciśnij R i wprowadź 90, aby obrócić cylinder o 90 stopni i użyj niebieskiej strzałki, aby przeciągnąć cylinder na dół grzbietu. Naciśnij 3, aby wyświetlić widok cylindra z przodu, a następnie naciśnij Z, aby siatka była przezroczysta.Użyj niebieskiej strzałki normalnej, aby przesunąć podstawę grzbietu do wnętrza cylindra i kliknij prawym przyciskiem myszy, aby wybrać dendryt. Wybierz Modyfikator i Dodaj modyfikator, a następnie wybierz opcję Boolean, Operation Union i wybierz pozycję Object Spine. Kliknij przycisk Zastosuj, aby utworzyć siatkę połączeń z dendrytem i grzbietem.Następnie użyj myszki, aby wybrać siatkę izolowanego kręgosłupa, zmieniając pozycję i kąt, aby wstawić każdy nowy kręgosłup w pozycji fizjologicznej. Aby utworzyć AMPAR, wybierz Cząsteczki i wstaw nową cząsteczkę. Zmień nazwę na AMPAR i zmień typ cząsteczki na Cząsteczka powierzchniowa.Następnie zmień stałą dyfuzji 0,05 razy 10 na ósmy centymetr kwadratowy na sekundę. Aby wykreślić kotwice związane z AMPAR, w PSD1 podczas warunku podstawowego, otwórz Ustawienia wydruku wyjściowego i naciśnij przycisk , aby zdefiniować cząsteczki. Następnie ustaw cząsteczkę na Anchor_AMPAR, obiekt na dendryt, a region na PSD1.Aby uruchomić symulację warunków podstawowych, wybierz opcję Uruchom symulację. I ustaw iteracje na 30 000, a krok czasowy na jeden razy 10 do minus trzy sekundy. Kliknij przycisk Eksportuj i uruchom, a następnie poczekaj na zakończenie symulacji.Na końcu symulacji wybierz opcję Załaduj ponownie dane wizualizacji, Odtwórz animację, Drukuj ustawienia wyjściowe i Drukuj, aby zwizualizować wyniki przestrzenne w czasie. Aby uruchomić warunek wzmocnienia homosynaptycznego, wybierz Rozmieszczenie cząsteczki i rel_anchorLTP_psd1. Wybierz opcję rel_anchorLTP_psd1 i zmień Ilość na Zwolnij na 200.Następnie zmień Ilość na Zwolnij na zero. Wybierz opcję rel_anchor_psd1. Zmień ilość, aby zwolnić do zera i uruchom symulację, jak pokazano poniżej.Plastyczność synaptyczna może być z grubsza zweryfikowana poprzez zmiany w liczbie gatunków AMPAR związanych z kotwicami w każdym kręgosłupie. Do dokładnego obliczenia występowania plastyczności synaptycznej. Zaleca się obliczenie zmienności całkowitej liczby zakotwiczonych i wolnych AMPAR w synapsie.Wzmocnienie i depresję homosynaptyczną AMPAR można zweryfikować poprzez odpowiednio wzrost i spadek liczby zakotwiczonych AMPAR, spowodowany zmianami powinowactwa AMPAR przez kotwice w porównaniu ze stanem podstawowym. Na przykład homosynaptyczna długotrwała indukcja wzmocnienia w pojedynczym kręgosłupie tworzy heterosynaptyczny długoterminowy efekt depresji w sąsiednich kolcach. Zgodnie z tą procedurą, model może zostać rozszerzony w celu zbadania procesu indukcji LTP i LTD w kolcach dendrytycznych.Metoda ta pozwala na testowanie hipotez dotyczących funkcjonowania złożonych układów nieliniowych z dużą liczbą zmiennych.

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

Research

JoVE Journal

Neuroscience

Neuronauka

Liczne niedawne badania zidentyfikowały mutacje w białkach synaptycznych powiązanych z patologiami mózgu. Pierwotne hodowle neuronów korowych zapewniają dużą elastyczność w badaniu wpływu tych białek związanych z chorobami na morfologię i ruchliwość kolców dendrytycznych.

Analiza morfologii kolców dendrytycznych w hodowlanych neuronach OUN

Źródło: Gouder, et. al. Trójwymiarowa kwantyfikacja kolców dendrytycznych z neuronów piramidowych pochodzących z ludzkich indukowanych pluripotencjalnych komórek macierzystych. J. Vis. Exp. (2015).Ten film przedstawia obrazowanie i analizę kolców dendrytycznych w transdukowanych, znakowanych immunologicznie neuronach piramidowych przy użyciu mikroskopii konfokalnej. Szum tła jest redukowany, a dendryty są śledzone, szacując ich średnicę i długość. Automatyczna segmentacja kręgosłupa polega na...

Kwantyfikacja kolców dendrytycznych za pomocą obrazowania w mikroskopii konfokalnej

Ten artykuł opisuje działający protokół obrazowania kolców dendrytycznych z neuronów hipokampa in vitro za pomocą Mikroskopii Iluminacji Strukturalnej (SIM). Mikroskopia superrozdzielcza wykorzystująca SIM zapewnia rozdzielczość obrazu znacznie wykraczającą poza granicę dyfrakcji światła we wszystkich trzech wymiarach przestrzennych, umożliwiając obrazowanie pojedynczych kolców dendrytycznych z większą szczegółowością.

Obrazowanie kolców dendrytycznych pierwotnych neuronów hipokampa szczura za pomocą mikroskopii oświetlenia strukturalnego

Dendrytyczne kolce neuronów piramidowych są miejscami najbardziej pobudzających synaps w korze mózgowej ssaków. Metoda ta opisuje ilościową analizę 3D morfologii kręgosłupa w ludzkich korowych piramidowych neuronach glutaminergicznym pochodzących z indukowanych pluripotencjalnych komórek macierzystych.

Trójwymiarowa kwantyfikacja kolców dendrytycznych z neuronów piramidowych pochodzących z ludzkich indukowanych pluripotencjalnych komórek macierzystych

Kolce dendrytyczne są postsynaptycznymi przedziałami większości synaps pobudzających. Zmiany w morfologii kolców dendrytycznych występują podczas rozwoju neurologicznego, starzenia się, uczenia się oraz wielu zaburzeń neurologicznych i psychiatrycznych, co podkreśla znaczenie wiarygodnej analizy kręgosłupa dendrytycznego. Protokół ten opisuje ilościowe określanie morfologii kolców dendrytycznych w sposób dokładny i powtarzalny przy użyciu oprogramowania do automatycznej trójwymiarowej...

Kwantyfikacja dendrytycznego kręgosłupa za pomocą automatycznego oprogramowania do trójwymiarowej rekonstrukcji neuronów

Jedną z cech choroby Alzheimera jest podwyższony poziom peptydu Aβ1-42. W niniejszym materiale przedstawiamy protokół przygotowania syntetycznych oligomerów Aβ1-42, które upośledzają długotrwałe wzmocnienie synaptyczne w hipokampie, będące komórkowym korelatem pamięci. Procedura ta jest przydatna do badania mechanizmów patologii indukowanej przez Aβ oraz do przesiewowego badania leków.

Przygotowanie oligomerów β-amyloidu1-42 i indukcja upośledzenia plastyczności synaptycznej w skrawkach hipokampa

Metoda FRAP była wykorzystywana do ilościowego określania mobilności białek znakowanych zieloną białko fluorescencyjnym (GFP) w hodowlach komórkowych. Zbadaliśmy frakcje mobilne i niemobilne GFP, analizując procent odzysku fluorescencji po fotowybielaniu. W niniejszym badaniu FRAP przeprowadzono w kolcach dendrytycznych neuronów hipokampa.

Odzyskiwanie fluorescencji po fotowybielaniu (FRAP) białek znakowanych fluorescencyjnie w kolcach dendrytycznych hodowanych neuronów hipokampa

Niniejszy raport opisuje zastosowanie obrazowania żywych komórek oraz technik fotowybielania w celu określenia ekspresji powierzchniowej, szlaków transportu i kinetyki ruchu egzogennych białek znakowanych pH-wrażliwym białkiem GFP w błonie plazmatycznej neuronów.

Dyfuzja boczna i egzocytoza białek błonowych w hodowlach neuronów oceniane za pomocą metody odzyskiwania fluorescencji oraz fotowybielania z utratą fluorescencji

Opisano technikę obrazowania służącą do monitorowania zmian potencjału błonowego z rozdzielczością przestrzenną poniżej mikrometra i rozdzielczością czasową poniżej milisekundy. Technika ta, oparta na wzbudzaniu laserowym barwników wrażliwych na napięcie, umożliwia pomiar sygnałów w aksonach i kolaterałach aksonalnych, końcowych gałęziach dendrytycznych oraz pojedynczych kolcach dendrytycznych.

Rejestracja za pomocą barwników napięciowo-czułych z aksonów, dendrytów i kolców dendrytycznych pojedynczych neuronów w skrawkach mózgu

W tym artykule przedstawiamy szybką mikrojonoforezę neuroprzekaźników jako technikę badania integracji sygnałów postsynaptycznych z dużą precyzją przestrzenną i czasową.

Szybka mikrojonoforeza glutaminianu i GABA: przydatne narzędzie do badania integracji synaptycznej

Odkryj modelowanie 3D kolców dendrytycznych z wykorzystaniem Blendera, CellBlender i MCell do symulacji plastyczności synaptycznej. Ta metoda umożliwia analizę dynamiki receptorów AMPA i testowanie hipotez o złożonych układach neuronalnych.

Modelowanie 3D kolców dendrytycznych z plastycznością synaptyczną

Przeglądaj więcej filmów