सिनैप्टिक प्लास्टिसिटी के साथ डेंड्रिटिक कताई की 3डी मॉडलिंग
Summary
प्रोटोकॉल सिनैप्टिक प्लास्टिसिटी मॉडलिंग के लिए डेंड्रिटिक कताई के साथ एक डेंड्रिटिक सेगमेंट का एक त्रि-आयामी (3 डी) मॉडल विकसित करता है। निर्मित जाल का उपयोग सेलब्लेंडर और एमसेल के साथ सॉफ्टवेयर प्रोग्राम ब्लेंडर का उपयोग करके दीर्घकालिक सिनैप्टिक प्लास्टिसिटी में एम्पा रिसेप्टर तस्करी के कम्प्यूटेशनल मॉडलिंग के लिए किया जा सकता है।
Abstract
एक त्रि-आयामी (3 डी) ज्यामिति में रासायनिक प्रजातियों के प्रसार और प्रतिक्रिया का कम्प्यूटेशनल मॉडलिंग डेंड्रिटिक कताई में सिनैप्टिक प्लास्टिसिटी के तंत्र को समझने के लिए एक मौलिक तरीका है। इस प्रोटोकॉल में, डेंड्राइट्स और डेंड्रिटिक कताई की विस्तृत 3डी संरचना सेलब्लेंडर के साथ सॉफ्टवेयर ब्लेंडर पर meshes के साथ मॉडलिंग की गई है। सिनैप्टिक और एक्स्ट्रासाइनैप्टिक क्षेत्रों को जाल पर परिभाषित किया गया है। इसके बाद, सिनैप्टिक रिसेप्टर और सिनैप्टिक एंकर अणुओं को उनके प्रसार स्थिरांक के साथ परिभाषित किया जाता है। अंत में, सिनैप्टिक रिसेप्टर्स और सिनैप्टिक एंकर के बीच रासायनिक प्रतिक्रियाओं को शामिल किया जाता है और कंप्यूटेशनल मॉडल को सॉफ्टवेयर एमसेल के साथ संख्यात्मक रूप से हल किया जाता है। यह विधि 3 डी ज्यामितीय संरचना में हर एक अणु के स्थानिक पथ का वर्णन करती है। इस प्रकार, सिनैप्टिक प्लास्टिसिटी की घटना के दौरान डेंड्रिटिक कताई में और बाहर सिनैप्टिक रिसेप्टर्स की तस्करी का अध्ययन करना बहुत उपयोगी है। इस विधि की एक सीमा यह है कि अणुओं की उच्च संख्या सिमुलेशन की गति को धीमा कर देती है। इस विधि के साथ डेंड्रिटिक कताई का मॉडलिंग पड़ोसी डेंड्रिटिक कताई के बीच एकल कताई और विषमता प्लास्टिसिटी के भीतर होमोसाइनैप्टिक शक्तिशाली और अवसाद के अध्ययन की अनुमति देता है।
Introduction
सिनैप्टिक प्लास्टिसिटी सीखने और स्मृति1के साथ जुड़ा हुआ है । सिनैप्टिक प्लास्टिसिटी, जैसे दीर्घकालिक शक्तिशाली (एलटीपी) और दीर्घकालिक अवसाद (लिमिटेड), क्रमशः सिनैप्टिक झिल्ली2में और बाहर एम्पा रिसेप्टर्स (AMPARs) के सम्मिलन और हटाने के साथ जुड़ा हुआ है। एम्पार सिनेप्स छोटी मात्रा संरचनाओं के शीर्ष पर स्थित हैं जिन्हें डेंड्रिटिकस्पाइन्स 3कहा जाता है। प्रत्येक रीढ़ में पोस्टसिनैप्टिक झिल्ली में एक प्रोटीन घने क्षेत्र होता है जिसे पोस्टसिनैप्टिक घनत्व (पीएसडी) कहा जाता है। सिनैप्टिक क्षेत्र में पीएसडी ट्रैप एम्पार्स में एंकर प्रोटीन। एक ही सिनेप्स के भीतर एम्पार्स की कुछ प्रतियां हैं और डेंड्रिटिक कताई में अन्य प्रजातियों के साथ एम्पार्स की तस्करी और प्रतिक्रिया एक स्टोचस्टिक प्रक्रिया2,4है। डेंड्रिटिक कताई 5 ,6,,7,,8में सिनैप्टिक रिसेप्टर तस्करी के कई कंपार्टमेंटल मॉडल हैं ।5 हालांकि, डेंड्राइट्स और उनके डेंड्रिटिक कताई की 3डी संरचनाओं में सिनैप्टिक प्लास्टिसिटी से जुड़े एम्पार्स के अवैध व्यापार के स्टोचस्टिक कंप्यूटेशनल मॉडल की कमी है।
कम्प्यूटेशनल मॉडलिंग जटिल प्रणालियों की गतिशीलता जैसे सिनैप्टिक प्लास्टिसिटी 9 ,10 , 11,11,,12की घटना केदौरानडेंड्रिक कताई में एम्पार्स की प्रतिक्रिया-प्रसार जैसे तंत्रों की जांच करने के लिए एक उपयोगी उपकरण है। मॉडल का उपयोग जटिल परिदृश्यों की कल्पना करने, संवेदनशील मापदंडों को अलग करने और वैज्ञानिक परिस्थितियों में महत्वपूर्ण भविष्यवाणियां करने के लिए किया जा सकता है जिसमें कई चर शामिल हैं जो प्रयोगात्मक12, 13,13को नियंत्रित करने के लिए कठिन या असंभव हैं। एक कम्प्यूटेशनल मॉडल के विस्तार के स्तर को परिभाषित मॉडलिंग घटना के बारे में सटीक जानकारी प्राप्त करने में एक बुनियादी कदम है । एक आदर्श कम्प्यूटेशनल मॉडल जटिलता और सादगी के बीच एक नाजुक संतुलन के लिए कंप्यूटेशनल निषेधात्मक जा रहा है बिना प्राकृतिक घटना की आवश्यक विशेषताओं पर कब्जा है । कम्प्यूटेशनल मॉडल जो बहुत विस्तृत हैं, गणना करने के लिए महंगा हो सकता है। दूसरी ओर, सिस्टम है कि खराब विस्तृत कर रहे है मौलिक घटकों है कि घटना की गतिशीलता पर कब्जा करने के लिए आवश्यक है कमी कर सकते हैं । यद्यपि डेंड्रिटिक कताई का 3डी मॉडलिंग गणना रूप से 2D और 1D की तुलना में अधिक महंगा है, लेकिन ऐसी स्थितियां हैं, जैसे कि जटिल प्रणालियों में कई नॉनलाइनर वेरिएबल्स के साथ समय और 3 डी स्थान में प्रतिक्रिया और फैलाना, जिसके लिए सिस्टम के कामकाज के बारे में अंतर्दृष्टि प्राप्त करने के लिए 3 डी स्तर पर मॉडलिंग आवश्यक है। इसके अलावा, कम आयामी मॉडल की आवश्यक विशेषताओं को संरक्षित करने के लिए जटिलता को सावधानीपूर्वक कम किया जा सकता है।
एक छोटी मात्रा के भीतर किसी दी गई प्रजातियों की कुछ प्रतियों के साथ एक स्टोचस्टिक प्रणाली में, सिस्टम की औसत गतिशीलता एक बड़ी आबादी की औसत गतिशीलता से भटक जाती है। इस मामले में, रिएक्शन-डिफ्यूजिंग कणों की स्टोचस्टिक कम्प्यूटेशनल मॉडलिंग की आवश्यकता होती है। यह काम 3 डी डेंड्रिटिक कताई में एम्पार्स की कुछ प्रतियों के स्टोचस्टिक मॉडलिंग रिएक्शन-प्रसार के लिए एक विधि का परिचय देता है। इस विधि का उद्देश्य सिनैप्टिक प्लास्टिसिटी मॉडलिंग के लिए डेंड्रिटिक कताई और उनके सिनेप्स के साथ एक डेंड्रिटिक सेगमेंट का 3 डी कम्प्यूटेशनल मॉडल विकसित करना है।
विधि 3 डी meshes के निर्माण के लिए मॉडल संख्यात्मक रूप से, ब्लेंडर और सेलब्लेंडर को हल करने के लिए सॉफ्टवेयर एमसेल का उपयोग करती है, जिसमें 3 डी,मेश14, 15,,16में अणुओं की स्थानिक प्रतिक्रिया-प्रसार शामिल है।16 ब्लेंडर मेश के निर्माण के लिए एक सूट है और सेलब्लेंडर बेस सॉफ्टवेयर ब्लेंडर के लिए एक ऐड-ऑन है। एमसेल एकल अणुओं17की प्रतिक्रिया-प्रसार के लिए एक मोंटे कार्लो सिम्युलेटर है।
इस विधि के उपयोग के पीछे तर्क में14के माइक्रोफिजियोलॉजिकल वातावरण में इस घटना की बेहतर समझ प्राप्त करने के लिए मॉडलिंग सिनैप्टिक प्लास्टिसिटी शामिल है। विशेष रूप से, यह विधि होमोसाइनैप्टिक शक्तिशाली, होमोसाइनैप्टिक अवसाद, और डेंड्रिटिक कताई14के बीच हेट्रोसाइनैप्टिक प्लास्टिसिटी के अनुकरण की अनुमति देती है।
इस विधि की विशेषताओं में डेन्ड्राइट और इसके सिनेप्स की 3डी ज्यामितीय संरचना, यादृच्छिक चलने से प्रसार, और सिनैप्टिक प्लास्टिसिटी से जुड़े अणुओं की रासायनिक प्रतिक्रियाओं को मॉडलिंग करना शामिल है। यह विधि परिकल्पनाओं का परीक्षण करने और बड़ी संख्या में चर के साथ एक जटिल नॉनलाइनर सिस्टम के कामकाज के बारे में भविष्यवाणी करने के लिए समृद्ध वातावरण बनाने का लाभ प्रदान करती है। इसके अलावा, इस विधि को न केवल सिनैप्टिक प्लास्टिसिटी का अध्ययन करने के लिए बल्कि सामान्य रूप से 3 डी जाल संरचनाओं में अणुओं के स्टोचस्टिक प्रतिक्रिया-प्रसार का अध्ययन करने के लिए भी लागू किया जा सकता है।
वैकल्पिक रूप से, डेन्ड्रिटिक संरचनाओं के 3 डी मेश का निर्माण सीधे इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप सीरियल पुनर्निर्माण18से ब्लेंडर में किया जा सकता है। हालांकि धारावाहिक पुनर्निर्माण पर आधारित meshes 3 डी संरचनाएं प्रदान करते हैं, प्रयोगात्मक डेटा तक पहुंच हमेशा उपलब्ध नहीं होती है। इस प्रकार, वर्तमान प्रोटोकॉल में वर्णित बुनियादी ज्यामितीय संरचनाओं से अनुकूलित मेशेस का निर्माण, डेंड्रिटिक कताई के साथ अनुकूलित डेंड्रिटिक सेगमेंट विकसित करने के लिए लचीलापन प्रदान करता है।
एक अन्य वैकल्पिक कम्प्यूटेशनल विधि नियमित मात्रा 9 , 10 , 11 ,19,,20,,,21,,22में अच्छीतरहसे मिश्रित प्रतिक्रियाओं का थोक अनुकरण19है। थोक सिमुलेशन एक अच्छी तरह से मिश्रित मात्रा23के भीतर कई प्रजातियों की प्रतिक्रियाओं को हल करने में बहुत कुशल हैं, लेकिन थोक दृष्टिकोण एक उच्च संकल्प 3 डी जाल में कई अच्छी तरह से मिश्रित स्वर के भीतर अणुओं की प्रतिक्रिया-प्रसार को हल करने के लिए बेहद धीमा है। दूसरी ओर, व्यक्तिगत कणों की प्रतिक्रिया-प्रसार के एमसेल सिमुलेशन का उपयोग करके वर्तमान विधि उच्च-रिज़ॉल्यूशन 3 डी मेश15में कुशलतापूर्वक काम करती है।
इस विधि का उपयोग करने से पहले, किसी को यह पूछना चाहिए कि क्या अध्ययन की गई घटना के लिए 3 डी जाल में एक स्टोचस्टिक प्रतिक्रिया-प्रसार दृष्टिकोण की आवश्यकता होती है। यदि घटना में कम से कम प्रतिक्रिया करने वाली प्रजातियों में से कम से कम एक प्रतिक्रिया प्रजातियों में से कम से कम एक है, जैसे कि डेंड्रिटिक कताई जैसे छोटे मात्रा के डिब्बों के साथ, तो 3 डी मेश में प्रतिक्रिया-प्रसार की स्टोचस्टिक मॉडलिंग आवेदन के लिए उपयुक्त है।
सिनैप्टिक प्लास्टिसिटी के साथ डेंड्रिटिक कताई युक्त एक डेंड्रिटिक सेगमेंट के 3 डी कम्प्यूटेशनल मॉडल का निर्माण करने के लिए कई कदम आवश्यक हैं। मुख्य चरण मॉडल के निर्माण के लिए उचित सॉफ्टवेयर की स्थापना, कई कताई बनाने के लिए एक टेम्पलेट के रूप में उपयोग की जाने वाली एकल डेंड्रिटिक रीढ़ का निर्माण और एक डेंड्रिटिक सेगमेंट का निर्माण है जो कई डेंड्रिटिक कताई से जुड़ा हुआ है। सिनैप्टिक प्लास्टिसिटी मॉडलिंग के लिए कदम PSD क्षेत्र और dendritic खंड और dendritic कताई में AMPARs में लंगर डालने के होते हैं । फिर, पीएसडी और एम्पार्स में स्थित एंकर के बीच गतिज प्रतिक्रियाओं को जटिल लंगर-एम्पार प्रजातियों का उत्पादन करने के लिए परिभाषित किया जाता है जो सिनैप्टिक क्षेत्र में एम्पार्स को फंसाते हैं। क्रमशः, एंकर और सिनैप्टिक एम्पार्स के बीच आत्मीयता में वृद्धि और कमी एलटीपी और लिमिटेड की प्रक्रिया बनाती है।
Protocol
Representative Results
Discussion
यह लेख डेंड्रिटिक कताई के साथ एक डेंड्रिटिक सेगमेंट में मॉडलिंग रिएक्शन-प्रसार सिनेप्टिक प्लास्टिसिटी प्रक्रियाओं के लिए 3 डी मेश के निर्माण के लिए एक विधि प्रस्तुत करता है। विकसित मॉडल में कुछ डेंड?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
इस काम को साओ पाउलो स्टेट साइंस फाउंडेशन (FAPESP) अनुदान #2015/50122-0 और आईआरटीजी-जीआरटीके 1740/2, आईबीएम/FAPESP अनुदान #2016/18825-4 द्वारा, और FAPESP अनुदान #2018/06504-4 द्वारा समर्थन किया गया था ।
Materials
| Blender | Blender Foundation | https://www.blender.org/ | |
| CellBlender | University of Pittsburgh | https://mcell.org/ | |
| Mcell | University of Pittsburgh | https://mcell.org/ |
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