Modelagem 3D de Espinhos Dendríticas com Plasticidade Sináptica
18 de maio de 2020
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.
Modelagem geométrica 3D computacional da reação de espécies químicas através da fusão. é um método útil para estudar os mecanismos de tráfico de receptores dentro e fora da coluna dendrítica está fazendo plasticidade sináptica. Essa técnica tem a vantagem de criar um ambiente rico para fazer hipóteses e projeções sobre sistemas não lineares com um grande número de variáveis.
Para criar uma malha de uma única coluna dendrítica com uma cabeça de coluna e um pescoço de coluna usando uma esfera modificada. Primeiro liquidificador aberto. Com o Blender celular já instalado e pressione 5 no teclado, para mudar da perspectiva para a visão ortogonal.
Pressione 1 para mudar para a visão frontal e pressione o Turno C para centralizar o cursor. Para criar a cabeça da coluna, pressione shift A para abrir a paleta Malha e selecione a Malha. Selecione esfera UV e na esfera UV adicionada, defina o tamanho para 0,25 e os anéis para 32.
Para fazer a parte superior da cabeça, pressione a guia de pressione para alternar o Liquidificador do modo Objeto para o modo Editar. Pressione B para selecionar os três quartos superiores da esfera e pressione Excluir, selecione Vértices e Enter para remover os vértices. Pressione B e selecione a parte superior da esfera.
Pressione E, S, 0 e Enter para selar a parte superior dos vértices ainda selecionados. E mova a seta azul para baixo para se alinhar ao topo da cabeça da coluna. Para aumentar a resolução da malha na parte superior da coluna, selecione Ferramenta e faca e use a faca para cortar um círculo ao redor do centro da parte superior.
Em seguida, selecione Corte de ferramenta e loop e deslize quatro vezes para criar quatro círculos concêntricos ao redor do centro da parte superior. Para criar a pressão do pescoço da coluna B e selecione a parte inferior da malha. Pressione Excluir vértices e B e selecione a parte inferior da malha.
Pressione E e Z e selecione menos 0,45 para criar uma extrusão na posição do eixo Z, a menos 0,45 micro metros. Para tornar a malha compatível com a prensa de célula M Ctrl T para triangular a malha e selecionar ferramentas e remover duplas. Para criar uma prensa dendrite de coluna múltipla Shift A para abrir a paleta Malha e selecionar Malha e Cilindro.
No menu Adicionar cilindro, ajuste o raio 0,3 micrômetros e a profundidade em dois micrômetros e pressione Enter. Pressione R e digite 90 para girar o cilindro 90 graus e use a seta azul para arrastar o cilindro para o fundo da coluna. Pressione 3 para obter uma visão frontal do cilindro e pressione Z para tornar a malha transparente.
Use a seta azul normal para mover a base da coluna vertebral para o interior do cilindro e clique com o botão direito do mouse para selecionar o Dendrite. Selecione Modificador e Modificador de Adoção e selecione Boolean, Operação União e selecione Coluna de Objeto. Clique em Aplicar para criar uma malha articular do Dendrite e da coluna vertebral.
Em seguida, use o mouse para selecionar a malha da coluna isolada, alterando a posição e o ângulo para inserir cada nova coluna em uma posição fisiológica. Para criar AMPARs, selecione Moléculas e insira uma nova molécula. Mude o nome para AMPAR e altere o tipo de molécula para molécula de superfície.
Em seguida, mude a constante de difusão 0,05 vezes 10 para o oitavo centímetro quadrado por segundo. Para traçar as âncoras vinculadas às AMPARs, no PSD1 durante a condição basal, abra as Configurações de Saída do Enredo e pressione para definir as moléculas. Em seguida, coloque a Molécula para Anchor_AMPAR, o Objeto de Dendrite e a Região para PSD1.
Para executar uma simulação de Condição Basal selecione Simulação executar. E definir as iterações para 30.000 e o tempo passo para um vezes 10 para menos três segundos. Clique em Exportar e Executar e aguarde o término da simulação.
No final da simulação, selecione Recarregar dados de visualização, reproduzir animação, configurações de saída de gráfico e plotar para visualizar os resultados temporais espaciais. Para executar a condição de potencialização homossináptica selecione a colocação da molécula e rel_anchorLTP_psd1. Selecione rel_anchorLTP_psd1 e altere a quantidade para liberar para 200.
Em seguida, altere a quantidade para liberar para zero. Selecione rel_anchor_psd1. Alterar quantidade para liberar para zero e executar a simulação como apenas demonstrado.
A plasticidade sináptica pode ser aproximadamente verificada através de alterações no número de espécies de AMPARs ligadas a âncoras em cada coluna. Para o cálculo exato da ocorrência de plasticidade sináptica. Recomenda-se calcular a variação dos números totais de AMPARs ancorados e livres na sinapse.
A potencialização e a depressão homossináptica ampar podem ser verificadas através de aumentos e reduções no número de AMPARs ancorados, respectivamente, causadas por mudanças na afinidade dos AMPARs por âncoras em comparação com a condição basal. Por exemplo, a indução de potencialização homossináptica a longo prazo em uma única coluna vertebral cria um efeito depressivo heterossináptico a longo prazo nas espinhas vizinhas. Após este procedimento, o modelo pode ser expandido para investigar o processo de indução de LTP e LTD em lombadas dendríticas.
Este método permite o teste de hipóteses sobre o funcionamento de sistemas complexos não lineares com um grande número de variáveis.
Veja a transcrição completa e aceda a milhares de vídeos científicos
Visão Geral
Este estudo desenvolve um modelo tridimensional (3D) de um segmento dendrítico, especificamente com espinhos dendríticos, para simular a plasticidade sináptica. O modelo facilita a análise computacional do tráfego de receptores AMPA utilizando o Blender com CellBlender e MCell, permitindo obter insights sobre os mecanismos subjacentes às alterações sinápticas.
Componentes Principais do Estudo
Área da Ciência
- Neurociência Computacional
- Plasticidade Sináptica
- Modelagem e Simulação
Antecedentes
- As espinhas dendríticas são fundamentais para a plasticidade sináptica e o processamento de informações nos neurônios.
- Compreender a dinâmica dos receptores AMPA pode fornecer insights sobre os mecanismos de aprendizado e memória.
- A modelagem 3D permite um exame detalhado de sistemas biológicos complexos.
Objetivo do Estudo
- Criar um modelo de malha detalhado para investigar o tráfego de receptores.
- Facilitar a simulação de processos de plasticidade sináptica.
- Permitir o teste de hipóteses relativas a comportamentos não lineares em sistemas complexos.
Métodos Utilizados
- Utilizou o software Blender com CellBlender e MCell para modelagem geométrica tridimensional.
- Dedicou-se à criação de uma malha que representa um único espinho dendrítico e um dendrito.
- Definiu etapas críticas para a criação da malha, incluindo técnicas de manipulação de vértices e extrusão.
- Os parâmetros de simulação foram detalhados, incluindo as condições para estados basais e potencializados.
Resultados Principais
- Estabeleceu um método para rastrear a dinâmica dos receptores AMPA durante condições sinápticas.
- Demonstrou como alterações na ligação dos receptores podem indicar potenciação ou depressão sináptica.
- Forneceram insights sobre a interação entre espinhas vizinhas em termos de potenciação e depressão de longa duração.
Conclusões
- Este estudo demonstra uma abordagem computacional para visualizar e simular mecanismos de plasticidade sináptica.
- Implicações para o entendimento do papel dos receptores AMPA nas modificações da força sináptica.
- Oferece uma estrutura para explorar interações neuronais complexas e dinâmicas de plasticidade em um ambiente virtual controlado.
Perguntas Frequentes
Relevância Executiva para a Indústria
Essa abordagem computacional de modelagem 3D permite a eliminação mecanicista de hipóteses sobre plasticidade sináptica por meio da simulação da dinâmica de tráfego de receptores em espinhas dendríticas. Ela auxilia na validação de alvos na descoberta de fármacos em neurociência, fornecendo leituras quantitativas e resolvidas espacialmente do ancoramento e difusão de receptores AMPA sob condições basais e potencializadas. O método aumenta a confiança preditiva na identificação de compostos líderes que modulam a força sináptica, particularmente em áreas terapêuticas do SNC onde o tráfego de receptores é um mecanismo-chave de ação.
Aplicações Estratégicas em P&D de Biotecnologia Farmacêutica
Descoberta Inicial e Validação de Alvo
- Valor Científico: Permite a investigação de hipóteses terapêuticas relativas aos mecanismos de tráfego dos receptores AMPA na plasticidade sináptica.
- Valor Operacional: Fornece um sistema relevante para doenças na validação funcional de alvos de proteínas sinápticas envolvidas na ancoragem e difusão de receptores.
Triagem e Desenvolvimento de Ensaios
- Valor Científico: Gera medições quantitativas de variáveis dependentes de AMPARs ancorados e livres para apoiar a padronização e reprodutibilidade do ensaio.
- Valor Operacional: Prepara modelos biológicos validados para fluxos de trabalho de triagem posteriores mediante a definição da dinâmica espaciotemporal de receptores em geometria tridimensional.
Pesquisa Translacional e Pré-clínica
- Valor Científico: Apoia a modelagem de sistemas relevantes para doenças ao capturar a plasticidade homossináptica e heterossináptica entre espinhos dendríticos vizinhos.
- Valor Operacional: Permite decisões de avanço ajustadas ao risco ao simular como alterações na afinidade do receptor afetam a força sináptica em espinhos conectados.
Integração de Pipeline e Fluxo de Trabalho
O método se integra ao continuum de descoberta, desde a testagem de hipóteses na fase inicial de descoberta até a otimização de compostos líderes, por meio da avaliação quantitativa das alterações no tráfego de receptores que informam a desvinculação mecanicista de riscos.
- Biologia da Descoberta: Apoia a verificação de hipóteses e a clarificação de vias ao simular dinâmicas não lineares de receptores em ambientes sinápticos complexos.
- Triagem: Oferece prontidão para ensaios por meio de saídas padronizadas de simulação que quantificam a ligação de AMPAR em condições basais, potencializadas e deprimidas.
- Análises: Fornece capacidades de análise estatística por meio de soluções numéricas de modelos de difusão-reação que permitem a comparação de populações de receptores entre diferentes condições.
- Pesquisa Translacional: Conecta a descoberta à continuidade pré-clínica ao modelar os efeitos do sinal entre espinhas dendríticas, relevantes para a plasticidade em nível de rede.
- Reutilização Empresarial: Estabelece uma plataforma computacional reutilizável para testar múltiplas hipóteses sobre o tráfego de receptores em diversos modelos neuronais.
Impacto Operacional e Empresarial
- Valor Científico: Aumenta a confiança preditiva na validação de alvos ao reduzir a ambiguidade mecanicista nas vias de tráfego de receptores.
- Valor Operacional: Aprimora a reprodutibilidade e escalabilidade por meio da criação padronizada de malhas e protocolos de simulação no Blender/CellBlender/MCell.
- Valor Estratégico: Melhora as decisões de prosseguir ou não prosseguir ao permitir testes virtuais dos efeitos de compostos na plasticidade sináptica antes da validação em laboratório.
- Impacto no Portfólio: Apoia a priorização ajustada ao risco de alvos no sistema nervoso central ao simular efeitos polissinápticos de intervenções terapêuticas.
Considerações sobre a Implementação
- Requer especialização em neurociência computacional, modelagem 3D e simulação de reação-difusão.
- Depende do Blender com o CellBlender para geração de malhas e do MCell para resolução numérica da dinâmica espacial.
- Necessita padronização entre equipes para definições de moléculas, constantes de difusão e especificações de regiões de interesse.
- Envolve considerações de adaptação ao estender o modelo para diferentes geometrias de espinhos ou tipos de moléculas sinápticas.
- Inclui limitações práticas, como redução da velocidade de simulação com altas quantidades de moléculas, conforme observado na fonte.
