Artigo de método

Modelagem 3D de Espinhos Dendríticas com Plasticidade Sináptica

DOI:

10.3791/60896

⸱

18 de maio de 2020

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

* These authors contributed equally

Neste artigo

Resumo

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O protocolo desenvolve um modelo tridimensional (3D) de um segmento dendrático com espinhos dendráticos para modelagem da plasticidade sináptica. A malha construída pode ser usada para modelagem computacional do tráfico de receptores AMPA na plasticidade sináptica de longo prazo usando o programa de software Blender com CellBlender e MCell.

Resumo

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A modelagem computacional da difusão e reação de espécies químicas em uma geometria tridimensional (3D) é um método fundamental para entender os mecanismos de plasticidade sináptica em espinhas dendríticas. Neste protocolo, a estrutura 3D detalhada dos dendritos e colunas dendríticas é modelada com malhas no blender de software com CellBlender. As regiões sinápticas e extrassinápticas são definidas na malha. Em seguida, o receptor sináptico e as moléculas de âncora sináptica são definidas com suas constantes de difusão. Finalmente, as reações químicas entre receptores sinápticos e âncoras sinápticas são incluídas e o modelo computacional é resolvido numericamente com o software MCell. Este método descreve o caminho espacial de cada molécula em uma estrutura geométrica 3D. Assim, é muito útil estudar o tráfico de receptores sinápticos dentro e fora das espinhas dendríticas durante a ocorrência de plasticidade sináptica. Uma limitação deste método é que o alto número de moléculas diminui a velocidade das simulações. A modelagem das espinhas dendríticas com este método permite o estudo da potencialização homossináptica e da depressão dentro de espinhas simples e plasticidade heterossináptica entre as espinhas dendríticas vizinhas.

Introdução

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A plasticidade sináptica tem sido associada ao aprendizado e à memória1. A plasticidade sináptica, como a potencialização a longo prazo (LTP) e a depressão de longo prazo (LTD), está associada, respectivamente, à inserção e remoção de receptores AMPA (AMPARs) dentro e fora da membrana sináptica2. As sinapses AMPAR estão localizadas no topo das pequenas estruturas de volume chamadas espinhos dendríticas3. Cada coluna contém uma região densa de proteína na membrana pós-sináptica chamada densidade pós-sináptica (PSD). Proteínas âncoras no PSD prendem AMPARs na região sináptica. Há poucas cópias de AM....

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Protocolo

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NOTA: Consulte o arquivo suplementar 1 para o glossário dos termos utilizados neste protocolo.

1. Instale liquidificador, CellBlender e MCell

NOTA: Este protocolo requer a instalação de MCell, Blender e Blender de células.

  1. Baixe e instale o software na página inicial do MCell (https://mcell.org/tutorials_iframe.html). Vá para downloads na parte superior da página e siga as instruções passo a passo para baixar e instalar o software no ambiente de escolha (por exemplo, Linux, Mac OSX ou Windows).
    NOTA: Todos os modelos computacionais e simulações descritos neste protocolo foram testado....

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Resultados

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Esses resultados fornecem os passos para a construção de uma malha 3D que simula uma coluna dendrítica com cabeça de coluna e pescoço de coluna(Figura 1 a Figura 4). Além disso, múltiplas espinhas dendríticas podem ser inseridas em um único segmento dendrático (Figura 5) para estudar a plasticidade heterossináptica de AMPARs14. O PSD na parte superior da cabeça da coluna vertebral (Figura.......

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Discussão

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Este artigo apresenta um método para a construção de malhas 3D para modelagem de processos de plasticidade sináptica de reação-difusão em um segmento dendrático com espinhas dendríticas. O modelo desenvolvido contém um segmento dendrítica com poucas espinhas dendríticas. A difusão lateral e a reação de AMPARs com âncoras sinápticas permitem a simulação da dinâmica basal. Os passos críticos do protocolo são o corte da esfera para a criação da parte superior da cabeça da coluna vertebral (Figura 1

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Divulgações

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Os autores declaram que não têm interesses financeiros concorrentes.

Agradecimentos

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Este trabalho foi apoiado em parte pela Fundação de Ciência do Estado de São Paulo (FAPESP) #2015/50122-0 e IRTG-GRTK 1740/2, pela bolsa IBM/FAPESP #2016/18825-4, e pela concessão da FAPESP #2018/06504-4.

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Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo
NomeEmpresaNúmero de catálogoComentários
BlenderBlender Foundationhttps://www.blender.org/
CellBlenderUniversidade de Pittsburghhttps://mcell.org/
McellUniversidade de Pittsburghhttps://mcell.org/

Referências

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  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....

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