Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
Click here for the English version

Neuroscience

מידול תלת-מיוד של קוצים דנדריטיים עם פלסטיות סינפטית

Published: May 18, 2020 doi: 10.3791/60896
* These authors contributed equally

Summary

הפרוטוקול מפתח מודל תלת מימדי (תלת מימדי) של קטע דנדריטי עם קוצים דנדריטיים למידול פלסטיות סינפטית. רשת בנויה יכול לשמש מידול חישובי של סחר קולטן AMPA פלסטיות סינפטית לטווח ארוך באמצעות תוכנית התוכנה בלנדר עם CellBlender ו MCell.

Abstract

מידול חישובי של דיפוזיה ותגובה של מינים כימיים בגיאומטריה תלת מימדית (תלת-ממדית) היא שיטה בסיסית להבין את המנגנונים של פלסטיות סינפטית בעמוד השדרה דנדריטי. בפרוטוקול זה, המבנה 3D המפורט של דנדריטים וקוצים דנדריטיים הוא מודל עם רשתות על בלנדר התוכנה עם CellBlender. האזורים הסינאפיים והחוץ-סינפטיים מוגדרים ברשת. לאחר מכן, קולטן סינפטי ומולקולות עוגן סינפטי מוגדרים עם קבועי דיפוזיה שלהם. לבסוף, התגובות הכימיות בין קולטנים סינפטיים עוגנים סינפטיים כלולים והמודל החישובי נפתר באופן מספרי עם התוכנה MCell. שיטה זו מתארת את הנתיב spatiotemporal של כל מולקולה אחת במבנה גיאומטרי 3D. לכן, זה מאוד שימושי ללמוד את הסחר של קולטנים סינפטיים בתוך ומחוץ קוצים דנדריטי במהלך המופע של פלסטיות סינפטית. מגבלה של שיטה זו היא כי המספר הגבוה של מולקולות מאט את המהירות של הסימולציות. מידול של קוצים דנדריטיים בשיטה זו מאפשר לחקור של ההחזקה ההומוסינפטית ודיכאון בתוך קוצים בודדים פלסטיות הטרוזינפטית בין קוצים דנדריטיים שכנים.

Introduction

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

פלסטיות סינפטית נקשרה ללמידה וזיכרון1. פלסטיות סינפטית, כגון ההחזקה לטווח ארוך (LTP) ודיכאון לטווח ארוך (בע"מ), קשורה בהתאמה עם הכנסה והסרה של קולטני AMPA (AMPARs) בתוך ומחוץ קרום סינפטי2. סינפסות AMPAR ממוקמות על גבי מבני נפח קטנים הנקראים קוצים דנדריטיים3. כל עמוד שדרה מכיל אזור עתיר חלבון בממברנה פוסט-סינפטית הנקראת צפיפות פוסט-סינפטית (PSD). לעגן חלבונים באמפרים מלכודת PSD באזור הסינאפטי. יש מעט עותקים של AMPARs בתוך סינופסה אחת ואת הסחר והתגובה של AMPARs עם מינים אחרים בעמוד השדרה דנדריטי הוא תהליך סטוכסטי2,4. ישנם מספר מודלים ממודלים של סחר קולטן סינפטי בעמוד השדרה דנדריטי5,,6,,7,,8. עם זאת, יש מחסור במודלים חישוביים סטוכסטיים של סחר באמפרים הקשורים פלסטיות סינפטית במבנים תלת-מיוד של דנדריטים וקוצים דנדריטיים שלהם.

מידול חישובי הוא כלי שימושי כדי לחקור את המנגנונים הבסיסיים את הדינמיקה של מערכות מורכבות כגון דיפוזיה תגובה של AMPARs בעמוד השדרה דנדריטי במהלך המופע של פלסטיותסינפטית 9,10,,11,,12. המודל יכול לשמש כדי לדמיין תרחישים מורכבים, פרמטרים רגישים שונים ו ביצוע תחזיות חשובות בתנאים מדעיים מעורבים משתנים רבים כי קשה או בלתי אפשרי לשלוטניסיוני 12,13. הגדרת רמת הפירוט של מודל חישובי היא צעד יסודי בהשגת מידע מדויק על התופעה המודלית. מודל חישובי אידיאלי הוא איזון עדין בין מורכבות לפשטות כדי ללכוד את המאפיינים החיוניים של תופעת הטבע מבלי להיות אסור מבחינה חישובית. מודלים חישוביים מפורטים מדי יכולים להיות יקרים לחישוב. מצד שני, מערכות שמפורטות בצורה גרועה יכולות להיות חסרות את הרכיבים הבסיסיים החיוניים ללכידת הדינמיקה של התופעה. למרות מידול 3D של קוצים דנדריטיים הוא יקר יותר מבחינה חישובית מאשר 2D ו 1D, ישנם תנאים, כגון במערכות מורכבות עם משתנים לא ליניאריים רבים מגיבים ומפזר בזמן ומרחב 3D, אשר מידול ברמה 3D חיוני כדי לקבל תובנות על התפקוד של המערכת. יתר על כן, ניתן להפחית בזהירות את המורכבות כדי לשמר את המאפיינים החיוניים של מודל מימדי נמוך יותר.

במערכת סטוכסטית עם מעט עותקים של מין נתון בנפח קטן, הדינמיקה הממוצעת של המערכת סוטה מהדינמיקה הממוצעת של אוכלוסייה גדולה. במקרה זה, נדרש מידול חישובי סטוכסטי של חלקיקים מפזרי תגובות. עבודה זו מציגה שיטה עבור מידול סטוכסטי תגובה-דיפוזיה של כמה עותקים של AMPARs בעמוד השדרה דנדריטי 3D. מטרת שיטה זו היא לפתח מודל חישובי תלת-מית של פלח דנדריטי עם קוצים דנדריטיים והסינפסות שלהם למודל פלסטיות סינפטית.

השיטה משתמשת בתוכנה MCell כדי לפתור את המודל באופן מספרי, בלנדר לבניית רשתות שינוי תלת-ממדיות, ו- CellBlender כדי ליצור ולדמיין את סימולציות MCell, כולל דיפוזיה של תגובה spatiotemporal של מולקולות ב meshes 3D14,15,16. בלנדר היא סוויטה ליצירת רשתות שינוי ו-CellBlender היא הרחבה עבור תוכנת הבסיס בלנדר. MCell הוא סימולטור מונטה קרלו עבור דיפוזיה תגובה של מולקולות יחיד17.

הרציונל מאחורי השימוש בשיטה זו מורכב דוגמנות פלסטיות סינפטית כדי להשיג הבנה טובה יותר של תופעה זו בסביבה מיקרופיזיולוגית של קוצים דנדריטיים14. במיוחד, שיטה זו מאפשרת סימולציה של ההחזקה הומוסינופטית, דיכאון הומוסינפטי, פלסטיות הטרוזינפטית בין קוצים דנדריטיים14.

התכונות של שיטה זו כוללות מידול המבנה הגיאומטרי 3D של דנדריט וסינפסות שלה, דיפוזיה על ידי הליכה אקראית, ואת התגובות הכימיות של המולקולות המעורבות פלסטיות סינפטית. שיטה זו מספקת את היתרון של יצירת סביבות עשירות כדי לבדוק השערות ולנבא לגבי התפקוד של מערכת לא ליניארית מורכבת עם מספר גדול של משתנים. בנוסף, שיטה זו יכולה להיות מיושמת לא רק ללימוד פלסטיות סינפטית, אלא גם לחקר תגובה סטוכסטית-דיפוזיה של מולקולות במבנים רשת 3D באופן כללי.

לחלופין, רשתות שינוי תלת-ממדיות של מבנים דנדרטיים ניתן לבנות ישירות בבלנדר משחזורים סדרתייםמיקרוסקופ אלקטרונים 18. למרות רשתות שינוי המבוססות על שחזורים טוריים מספקות מבנים תלת-ממדיים, הגישה לנתונים הניסיוניים אינה תמיד זמינה. כך, בניית רשתות שינוי המותאמות למבנים גיאומטריים בסיסיים, כמתואר בפרוטוקול הנוכחי, מספקת גמישות לפיתוח מקטעים דנדרטיים מותאמים אישית עם קוצים דנדריטיים.

שיטה חישובית חלופית נוספת היא סימולציה בתפזורת של תגובות מעורבותהיטב בכרך רגיל 9,10,11,19,20,,21,,22. הסימולציות בתפזורת הן יעילות מאוד בפתרון התגובות של מינים רבים בתוך נפח מעורב היטביחיד 23, אבל הגישה בתפזורת היא איטית מאוד כדי לפתור את התגובה-דיפוזיה של מולקולות בתוך voxels מעורב היטב רבים ברשת תלת-ממדית ברזולוציה גבוהה. מצד שני, השיטה הנוכחית באמצעות סימולציות MCell של דיפוזיה תגובה של חלקיקים בודדים עובד ביעילות ברזולוציה גבוהה 3D meshes15.

לפני השימוש בשיטה זו, יש לשאול אם התופעה נחקר דורשת גישה סטוכסטית תגובה-דיפוזיה ברשת 3D. אם לתופעה יש מעט עותקים (פחות מ-1,000) של לפחות אחד מהמינים המגיבים המפוזרים במבנה גיאומטרי מורכב עם תאי נפח קטנים כגון קוצים דנדרטיים, אזי מידול סטוכסטי של דיפוזיה של תגובה ברשתות תלת-מידול מתאים ליישום.

ישנם מספר שלבים הנדרשים כדי לבנות מודל חישובי תלת-מית-מיו של פלח דנדריטי המכיל קוצים דנדריטיים עם פלסטיות סינפטית. השלבים העיקריים הם ההתקנה של התוכנה המתאימה לבניית המודל, בניית עמוד שדרה דנדריטי יחיד שישמש כתבנית ליצירת קוצים מרובים, ויצירת קטע דנדריטי המחובר עם קוצים דנדריטיים מרובים. השלב עבור מידול פלסטיות סינפטית מורכב מהכנסת עוגנים באזור PSD ו AMPARs בקטע דנדריטי וקוצים דנדריטיים. לאחר מכן, תגובות קינטיות בין העוגנים הממוקמים בPSD ו AMPARs מוגדרים לייצר מינים מורכבים עוגן-AMPAR ללכוד את AMPARs באזור הסינאפטי. בהתאמה, העלייה והירידה של הזיקה בין העוגנים לבין AMPARs סינפטי ליצור את התהליך של LTP וע"מ.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

הערה: נא עיין בקובץ משלים 1 עבור מילון המונחים המשמש בפרוטוקול זה.

1. התקנת בלנדר, בלנדר תא ו- MCell

הערה: פרוטוקול זה דורש התקנה של MCell, בלנדר ובלנדר תאים.

  1. הורד והתקן את התוכנה בדף הבית של MCell (https://mcell.org/tutorials_iframe.html). עבור אל הורדות בראש הדף ולאחר מכן בצע את ההוראות שלב אחר שלב כדי להוריד ולהתקין את התוכנה בסביבה של בחירה (לדוגמה, לינוקס, Mac OSX או Windows).
    הערה: כל הדגמים והסימולציות החישוביים המתוארים בפרוטוקול זה נבדקו על חבילת CellBlender 1.1 הכוללת בלנדר 2.78 עם MCell 3.4 ו- CellBlender 1.1. זה עבד גם על בלנדר 2.79b. כל התוכניות הללו הן גישה פתוחה ולא דורשות הרשאת הדפסה מחדש לשימוש. ההוראות לבנייה וסימולציה של המודל יכולות להשתנות מעט מגרסה אחת לאחרת. חלקים של פרוטוקול זה הותאמו מצ'כיה ואח'.

2. צור עמוד שדרה דנדריטי יחיד

הערה: הליך זה יוצר רשת של עמוד שדרה דנדריטי יחיד עם ראש עמוד שדרה וצוואר עמוד שדרה באמצעות כדור שונה.

  1. הגדר את תצוגת הבלנדר תלת-מיו בלוח הראשי.
    1. פתח את בלנדר עם CellBlender כבר מותקן. הקש 5 במקלדת כדי להמשיך מנקודת מבט לתצוגה Orthogonal והקש 1 כדי להמשיך לתצוגה הקדמית. לתצוגת הפרספקטיבה יש עומק, אבל זה לא נחוץ עכשיו. שינוי מנקודת מבט לתצוגה אורתוגונלית מאפשר הדמיה טובה יותר של הרשת. הקש Shift+C כדי למרכז את הסמן (איור 1A).
  2. צור את ראש עמוד השדרה.
    1. הקש Shift+A כדי לפתוח את לוח הרשת. בחר רשת שינוי ולאחר מכן בחר כדור UV. כדור UV הוא רשת ממופה לפני השטח 3D של כדור. כדור UV מייצג את הראש כדורי של עמוד שדרה דנדריטי פטריות. התוכנה מניחה יחידות של כדור UV הם מיקרומטרים.
    2. לשנות את הפרמטרים בחלונית 'הוספת כדור UV'. שנה גודל ל- 0.25 וטבעות ל- 32 (איור 1B). הקש + או - במקלדת כדי להגדיל בהתאמה ולהקטין את התצוגה של התצוגה החזותית של רשת השינוי. לחלופין, השתמש בלחצן הגלילה בעכבר כדי להגדיל ולהקטין את התצוגה(איור 1C).
      הערה: גודל הפרמטר קשקשים בגודל של הכדור המקורי וטבעות הפרמטר מגדירות את רזולוציית הרשת.
  3. תשטח את החלק העליון של הראש.
    1. הקש Tab כדי להעביר את בלנדר במצב אובייקט , מצבהאינטראקציה הסטנדרטי של האובייקט, למצב עריכה. עבודה במצב עריכה לשינוי הרכיבים של רשת שינוי קיימת.
    2. לאחר שנבחרה הרשת שנוצרה באופן אוטומטי, הקש כדי לבטל את הבחירה ברשת השינוי שנוצרה. הקש z כדי להפוך את רשת השינוי לשקופה, המסייעת בהדמיה של החלקים שיעריכו. הגדל את התצוגה של הרשת. הקש b כדי לבחור את 3/4 החלק העליון של הכדור עם העכבר (איור 2A). הקש delete, בחר קודקודים והזן כדי להסיר את החולקים ( איור2B).
    3. הקש b ובחר את החלק העליון. הקש e, s, 0 והזן כדי לאטום את החלק העליון כאשר קודקודים עדיין נבחרו. הזז את החץ הכחול כלפי מטה כדי ליישר לראש עמוד השדרה(איור 2C). הקש z כדי לשנות לתצוגה מוצקה (איור 3A). הקש 7 כדי לחזור לתצוגה העליונה.
      הערה: החלק העליון של הכדור נעשה שטוח כדי לדגמן את אזור PSD של ראש עמוד השדרה.
  4. כדי להגדיל את רזולוציית הרשת בראש עמוד השדרה, בחר תחילה כלי וסכין. חותכים עיגול עם הסכין סביב מרכז החלק העליון(איור 3B). בחר כלי וחיתוך לולאה ושקופית. חזור על שלב זה ארבע פעמים כדי ליצור ארבעה עיגולים קונצנטריים סביב מרכז החלק העליון (איור 3C).
    הערה: העיגולים הקונצנטריים משמשים להוספת voxels חדשים יגביר את הרזולוציה של PSD.
  5. צור את צוואר עמוד השדרה.
    1. לחץ על a כדי לבטל את הבחירה ברשת. הקש 1 כדי לחזור לתצוגה הקדמית. הקש z כדי להפוך את רשת השינוי לשקופה. הקש b ולאחר מכן בחר את תחתית רשת השינוי (איור 4A). הקש על מחיקה וקקודים (איור 4B). הקש b ובחר את החלק התחתון של רשת השינוי (איור 4C). הקש e ו- z, -0.45 כדי ליצור שבלט ( איור4D).
      הערה: פעולה זו יוצרת שבלט למיקום ציר z ב- -0.45 μm. לחץ על a כדי לא להסתב את כל רשת השינוי.
    2. הקש b ובחר את תחתית הצוואר. הקש e, s, ו- 0 כדי לאטום את החלק התחתון(איור 4E). לחץ על a כדי לבחור את רשת השינוי כולה.
  6. הפוך את רשת השינוי לתואם ל- MCell.
    1. הקש Crtl+T כדי לאתר את הרשת. הרשת הופכת לסט של משולשים מחוברים. זהו הליך נדרש כדי להפוך את רשת השינוי תואמת MCell. בחר כלי והסר כפולים. השתמש בכלים הסר כפול כדי להסיר קודקודים כפולים, אם קיימים, בעלי קואורדינטות זהות או קרובים מאוד זה לזה, כדי להפוך את רשת השינוי לתואם ל- MCell.
      הערה: ייתכן שיוצרו בטעות קודקודים כפולים שנוצרו במהלך תהליך היצירה והעריכה של רשת שינוי.
    2. בחרו 'אובייקטי מודל' בחלונית 'שן תא' בלנדר' . שנה את שם האובייקט הפעיל לעמוד השדרה והקש + כדי ליצור את עמוד השדרה של האובייקט. בחלונית CellBlender ,בחרו 'ניתוח רשת שינוי' ולחצו על 'נתח רשת שינוי' (איור 4F). הליך זה ינתח את המאפיינים של רשת השינוי שנוצרה, כולל מספר קודקודים, קצוות, פנים, שטח פנים, אמצעי אחסון וטופולוגיית רשת שינוי.
      הערה: הניתוח ידפיס את המידע בלוח ניתוח רשת והוא צריך להיות אטום למים, סעפת, ונורמליכלפי חוץ . שלב זה נדרש כדי להבטיח כי רשת השינוי יעבוד על MCell. אחרת, צעד כנראה החמיץ. במקרה זה, מחק את רשת השינוי והתחיל שוב לשלב 2.1.
    3. הקש z כדי לדמיין את התצוגה המוצקה של עמוד השדרה. הקש על קובץ ושמור כדי לקבל עותק של קובץ הבלנדר עם עמוד השדרה בדיסק.
      הערה: הממדים (כלומר, אורך, קוטר, גודל) של רשתות השינוי נמצאים במיקרומטרים. עיין במילון המונחים לקבלת המשמעות של כל קיצור מקשים.

3. יצירת דנדריט עם קוצים מרובים

  1. צור עמוד שדרה כמתואר קודם לכן בסעיפים 2.1-2.6. לחץ על כדי לפענח את הבחירה בעמוד השדרה. הקלד Shift+C כדי למרכז את הסמן.
  2. צור דנדריט. הקש Shift+A כדי לפתוח את לוח הרשת. בחר רשת שינוי ולאחר מכן גליל . Cylinder שנה את הפרמטרים בתפריט הוספת צילינדר: Radius = 0.3 μm, עומק = 2 μm. הקש Enter.
    הערה: הרדיוס והתומק של הפרמטרים מוגדרים בהתאם למאפיינים הגיאומטריים של ההדנדריט.
  3. הכנס עמוד שדרה לדנדריט.
    1. הקש r והקלד 90 כדי לסובב את הצילינדר 90°(איור 5A). השתמש בחץ הכחול כדי לגרור את הצילינדר למטה לתחתית עמוד השדרה. הקש 3 במקלדת כדי להציג תצוגה קדמית של הצילינדר.
    2. הקש z כדי להפוך את רשת השינוי לשקופה. השתמש בעכבר כדי להזיז את החץ הכחול הרגיל של הצילינדר כלפי מטה כדי להזיז את בסיס עמוד השדרה אל החלק הפנימי של הצילינדר (איור 5B). הקש a כדי לבטל את הבחירה בכל האובייקטים.
    3. השתמש בלחצן הימני של העכבר כדי לבחור את דנדרייט (איור 5C). בחרו 'משנה' בחלונית 'בלנדר' (איור 5D), בחרו 'הוסף משנה'. לאחר מכן בחר בוליאני, בחר פעולת איחודובחר עמוד שדרה של אובייקט. לחץ על החל כדי ליצור רשת משותפת של דנדריט ועמוד השדרה(איור 5E). פעולה זו יוצרת רשת שינוי חדשה הממזגת שתי רשתות שינוי לתוך רשת שינוי אחת.
      הערה: הרשת החדשה תהיה דנדריט ועמוד השדרה המשולבים. דנדריט מבודד נעלם כאשר הרשתות המשולבות, אך רשת עמוד השדרה המבודדת נותרת חופפת לרשת החדשה ומשולמת ליצירת עותקים מרובים של אותו עמוד שדרה. מחק את כל הקוצים המבודדים לאחר סיום הרשת. זה קריטי יש חפיפה מלאה בין צוואר עמוד השדרה ואת dendrite, אחרת, הרשת לא תהיה אטומה למים.
  4. הגדר את האובייקט dendrite לתוך הסביבה CellBlender.
    1. הקש על a כדי לא להסב את הבחירה ברשתות השינוי. לחץ באמצעות לחצן העכבר הימני בדנדרייט באמצעות העכבר כדי לבחור את דנדרייט בלבד. בחר שן תא, אובייקטי מודל, ושנה אובייקט פעיל ל- Dendrite והקש + כדי ליצור את האובייקט Dendrite.
  5. הכנס קוצים חדשים לדנדריט.
    1. הקש 1 כדי לשנות לתצוגה הצדדית של הצילינדר. השתמש בעכבר כדי לבחור את רשת עמוד השדרה המבודד. כדי להוסיף קוצים נוספים, בצע את שלב 3.3, שנה את המיקום ואת הזווית כדי להכניס כל אחד מהם כדי לקבל התפלגות פיזיולוגית.
  6. הפוך את רשת השינוי לתואם ל- MCell. לשם כך, הקש Tab כדי לעבור למצב עריכה. לחץ על a כדי לבחור את רשת השינוי כולה. הקש Crtl+T כדי לאתר את הרשת. בחרו בכלי בחלונית 'בלנדר' ובחרו 'הסר כפול'.
  7. לתמלל את הרשתות.
    1. להחליק את הרשת. הקש Tab כדי לחזור למצב אובייקט. בחרו בכלי בחלונית 'בלנדר' ובחרו 'חלק'. בחר שן תא , אובייקטימודל ובחר הוסף חומר.
    2. הפוך את רשת השינוי לשקופה על-ידי בחירה באפשרות 'אובייקט שקוף ושקוף'. שנה אלפא ל- 0.5 והזן כדי להפוך את רשת השינוי לשקופה חלקית. הקש z כדי לשנות לתצוגה מוצקה.
  8. אשר אם רשת השינוי עדיין תואמת ל- MCell. לשם כך, בחרו 'ניתוח רשת שינוי' בחלונית 'תותל-בלנדר' כדי לוודא שה- Mesh עדיין אטומה למים , רשת סעפת ונורמליתכלפי חוץ .
  9. שמור את קובץ הבלנדר כ- dendrite_with_spines.blend.

4. הגדרת אזורי פני השטח

הערה: הליך זה יוצר את אזורי פני השטח של הרשת שמאוחר יותר ישמשו להגדרת האופן שבו האזורים מקיימים אינטראקציה עם המולקולות.

  1. פתח את dendrite_with_spines בסביבת בלנדר. כך, בחר קובץ, פתח, dendrite_with_spines.blendופתח קובץ בלנדר.
  2. הכן את רשת השינוי להגדרת אזורי פני השטח. כך, הקש Tab כדי לשנות למצב עריכה. הקש z כדי לשנות לתצוגה שקופה(הצללת Viewport, מסגרת תיל). לחץ על כדי לבחור את כל רשת ההדנדריט עם קוצים. בחר אובייקטי מודל. בחר דנדרייט. לחצו על t כדי להסתיר את החלונית 'תותל-בלנדר' ולדמיין טוב יותר את רשת השינוי כולה בלוח הראשי.
    1. השתמש + ו - במקלדת כדי להגדיל ולהקטין או לגלול עם העכבר. הדבר נדרש כדי להציג תצוגה חזותית טובה יותר של החלק העליון של הקוצים כדי לבחור ולהגדיר את אזורי פני השטח. הקש על a כדי לא להסב את הבחירה באובייקט. הקש Tab כדי לערוך למצב . Edit Mode הקש t כדי להציג שוב את החלונית 'לחץ על התא'.
  3. הגדר את אזור פני השטח של PSD. כך, הקש B ובחר את החלק העליון של עמוד השדרה דנדריטי עם העכבר(איור 6A,6B). הקש + על אזורי משטח מוגדרים. שנה את שם האזור ל- PSD1 ולחץ על הקצה (איור 6C). הקש על a כדי לא להסב את הבחירה באובייקט.
  4. הגדר את אזור פני השטח החוץ-סינפטי. כך, הקש b ובחר את האזור סביב החלק העליון של עמוד השדרה דנדריטי עם העכבר (איור 6D). חזור על שלב 4.3 כדי ששם האזור Extra_syn1. חזור על השלב 4.3 עבור הקוצים האחרים כדי להגדיר את האזורים האחרים של הרשת (PSD2, PSD3, PSD4, Extra_syn2, Extra_syn3 ו- Extra_syn4) (איור 6F). הקש על a כדי לא להסב את הבחירה באובייקט.
  5. הגדר את אזורי פני השטח של קצות ההתללות. כך, הקש B ובחר את הקצה השמאלי של דנדרייט. שנה את שם האזור Left_end על הקצה. הקש על a כדי לא להסב את הבחירה באובייקט. הקש b ובחר את הקצה הימני של דנדרייט (איור 6E). שנה את שם האזור Right_end על הקצה.
    הערה: הזז את רשת השינוי כדי למצוא את המיקוםהטוב ביותר לבחירת כל אזור מוגדר .

5. יצירת מולקולות

  1. צור אמפרס. כך, בחרו 'מולקולות' בלוח CellBlender. בחר + על מולקולות מוגדרות כדי להוסיף מולקולה חדשה ולשנות את השם כדי AMPAR. שינוי סוג מולקולה מולקולת פני השטח וקבוע דיפוזיה 0.05e-8 ס"מ2/ s14 כדי להגדיר את קבוע דיפוזיה של AMPA בממברנה(איור 7A).
  2. צור עוגנים. כך, בחרו 'מולקולות' בלוח CellBlender. בחר + במולקולות מוגדרות כדי להוסיף מולקולה חדשה ולשנות את + השם לעגן. שנה את סוג מולקולת משטח מולקולת ולשנות קבוע דיפוזיה 0.001e-8 ס"מ2/ s14 כדי להגדיר את קבוע דיפוזיה של עוגנים בממברנה (איור 7A).
  3. ליצירת עוגנים המאוגדים ל-AMPARs, בחרו 'מולקולות' בחלונית 'שולחן התאים'. בחר + על מולקולות מוגדרות כדי להוסיף מולקולה חדשה. שנה שם anchor_AMPAR. שנה סוג מולקולה מולקולה פני השטח. שנה את קבוע דיפוזיה ל- 0.001e-8 ס"מ2/s14.
  4. צור את anchor_LTP anchor_AMPAR_LTP. פעולה זו, חזור על שלב 5.2. תן שם למולקולה anchor_LTP. חזור על שלב 5.3. תן שם למולקולה anchor_AMPAR_LTP.
    הערה: anchor_LTP יש זיקה גבוהה עבור AMPAR; לכן, AMPARs להגדיל באזורים סינפטיים.
  5. צור את anchor_LTD anchor_AMPAR_LTD. כדי ליצור עיגון_LTD, חזור על שלב 5.2. תן שם למולקולה anchor_LTD. חזור על שלב 5.3. תן שם למולקולה anchor_AMPAR_LTD.
    הערה: anchor_LTD יש זיקה נמוכה עבור AMPAR; לכן, AMPARs להקטין באזור הסינתטי.

6. הגדרת מחלקות פני השטח

הערה: הליך זה מגדיר את מחלקות עם המאפיינים המשויכים לאזורי פני השטח. האזורים החוץ-סינפטיים משקפים את העוגנים והעוגנים החופשיים הקשורים ל-AMPAR. הקצוות הליליים של דנדריט משקפים את כל המולקולות.

  1. הגדר את המאפיינים של האזורים החוץ-סינפטיים.
    1. הקש Tab כדי לחזור למצב אובייקט. בחרו מחלקות משטח בחלונית 'שולשול תא'. הקש + במחלקת פני השטח כדי להגדיר מחלקת משטח חדשה.
    2. הפוך את האזור החוץ-סינפטי לשקף את ה-AMPAR המאוגד למולקולות העוגן.
      הערה: הליך זה ילכוד את העוגנים ואת כל מה שיהיה קשור אליהם בתוך האזור הסינאפטי.
      1. שנה את שם מחלקת פני השטח reflective_extra_syn. הקש + על reflective_extra_syn מאפיינים כדי לשייך אותו עם מולקולה. בחר מולקולות | מולקולה אחת. בחר anchor_AMPAR. בחר כיוון = התעלם. בחר סוג = מחזיר אור כדי להפוך את האזור להראות את anchor_AMPAR הדם.
      2. חזור על שלב 6.1.2.1 עבור anchor_AMPAR_LTP anchor_AMPAR_LTD.
    3. הפוך את האזור החוץ-סינפטי לשקף את העוגנים.
      1. הקש + על reflective_extra_syn מאפיינים כדי לשייך אותו עם מולקולה. בחר מולקולות | מולקולה אחת. בחר עוגן. בחר כיוון = התעלם. בחר סוג = מחזיר אור כדי לגרום לאזור לשקף את מולקולות העוגן.
      2. חזור על שלב 6.1.3.1 עבור anchor_LTP anchor_LTD.
  2. הגדר את המאפיינים של קצוות דנדריט. כך, הקש + על משטח מחלקה כדי להגדיר מחלקת משטח חדשה. שנה את שם מחלקת פני השטח reflective_ends. הקש + על מאפיינים כדי לשייך אותו למולקולה. בחר מולקולות | כל מולקולות פני השטח. בחר כיוון | התעלם. בחר סוג | מחזיר אור כדי לגרום לזה לשקף את כל מולקולות פני השטח.

7. הקצאת מחלקות שנוצרו לכל אזור פני השטח

הערה: שלב זה מקצה את מחלקות פני השטח לאזורי פני השטח.

  1. הקצה את מאפייני קצוות ההתלסות.
    1. הקש + כדי להקצות מחלקת משטח עם אזור. בחר reflective_ends עבור שם מחלקת משטח ( איור7C). בחר דנדרייט עבור שם אובייקט. בחר אזור שצוין עבור בחירת אזור. בחר Left_end עבור שם אזור.
    2. חזור על שלב 7.1.1 עבור Right_end (איור 7D).
  2. הקצה את המאפיינים של האזורים החוץ-סינפטיים.
    1. הקש + כדי להקצות מחלקת משטח עם אזור. בחר reflective_extra_syn עבור שם מחלקת משטח. בחר דנדרייט עבור שם אובייקט. בחר אזור שצוין עבור בחירת אזור. בחר Extra_syn1 עבור שם אזור.
    2. חזור על שלב 7.2.1 עבור Extra_syn2 Extra_syn3, Extra_syn4.

8. מניחים מולקולות על הרשת

הערה: שלב זה ממקם את ה-AMPARs ,עוגנים ו-AMPAR המאוגדים לעגנים ברשת.

  1. כדי למקם מולקולות AMPAR על רשת השינוי, בחר מיקום מולקולה בלוח CellBlender. לחץ + באתרי שחרור/מיקום כדי ליצור אתר פרסום חדש. שנה את שם האתר ל- relAMPAR (איור 7B). בחר 1,000 ). Quantity to Release Dendrite[ALL]-( מולקולה = AMPARRight_end Left_end. Molecule Object/Region
  2. מניחים מולקולות עוגן על הרשת.
    1. בחרו 'מיקום מולקולה' בחלונית 'שולשול תא'. לחץ + באתרי שחרור/מיקום כדי ליצור אתר פרסום חדש. שנה את שם האתר rel_anchor_PSD1. בחר Dendrite[PSD1]. Quantity to Release עוגן 200 מולקולה .
    2. חזור על שלב 8.2.1 עבור PSD2, PSD3 ו- PSD4.
  3. מניחים anchor_LTP מולקולות על הרשת. כך, בחרו 'מיקום מולקולה' בחלונית 'שולשול תא'. לחץ + באתרי שחרור/מיקום כדי ליצור אתר פרסום חדש. שנה את שם האתר rel_anchor_LTP_PSD1. בחר Dendrite[PSD1]. Quantity to Release 0 מולקולה anchor_LTP . Object/Region
    הערה: anchor_LTP הוא עוגן עם זיקה מחייבת גבוהה עבור AMPARs.
  4. מניח anchor_LTD מולקולות על הרשת על ידי חזרה על שלב 8.3 עבור anchor_LTD.
    הערה: anchor_LTD הוא עוגן עם זיקה לכריכה נמוכה עבור AMPARs.

9. ליצור את התגובות הכימיות

  1. יצירת התגובה בין עוגן ואמפ"ח.
    1. בחר תגובות (איור 7D) כדי ליצור את התגובות. הקש + כדי לכלול תגובה חדשה. מגיבים = עוגן ' + AMPAR'. סוג תגובה = <->. כך מגדירה תגובה דו-כיוונית. מוצרים = anchor_AMPAR'. 0.03 0.05 Forward Rate Backward Rate
  2. צור את התגובה ANCHOR_LTP-AMPARs. ANCHOR_LTP פעולה זו, חזור על שלב 9.1, אך החלף את העוגן ב- anchor_LTP, והשתמש בקצב לאחור = 0.005 כדי להגדיל את הזיקה בין המגיבים. anchor
  3. צור את התגובה anchor_LTD-AMPARs ושמור את הקובץ. anchor_LTD פעולה זו, חזור על שלב 9.2, אך החלף את העוגן ב- anchor_LTD, והשתמש בקצב לאחור = 0.5 כדי להקטין את הזיקה בין המגיבים. anchor לאחר מכן שמור את הקובץ.

10. התוויית הפלט של המודל

  1. עוגני התוויה הקשורים ל-AMPARs בPSD1 במהלך מצב בסיס. כך, בחר התוויית הגדרות פלט. הקש + כדי להגדיר את המולקולות. בחר anchor_AMPAR במולקולה . Molecule בחר דנדרייט באובייקט. בחר PSD1 באזור. חזור על שלב 10.1 עבור כל אזורי PSD.
    הערה: זה שימושי כדי לצפות את מספר בסיס של AMPARs לכודים PSD של כל עמוד שדרה דנדריטי. מספר העוגנים המאוגדים ל-AMPARs יכול להגדיל או להקטין בהשוואה לתנאי הבס במהלך LTP ו-LTD.
  2. עוגני התוויה המאוגדים ל-AMPARs ב-PSD1 במהלך LTP. עשה זאת על-ידי חזרה על שלב 10.1. החלף anchor_AMPAR ב- anchor_AMPAR_LTP, ולאחר מכן התווה עוגנים הקשורים AMPARs ב PSD1 במהלך בע מ ולבסוף לחזור על שלב 10.1, אבל להחליף anchor_AMPAR_LTP עם anchor_AMPAR_LTD.

11. הפעל את הסימולציות

  1. כדי להפעיל את תנאי בסיס, בחר הפעל הדמיה. בחר איטרציות = 30,000. הגדר שלב זמן = 1e-3 s. לחץ על ייצוא והפעלה. חכה עד שהסימולציה תסתיים. זה עשוי לקחת מדקות עד שעות.
    הערה: במצב בסיס, אין שחרור של anchor_LTP rel_anchor_LTD rel_anchor_LTD. anchor_LTP לגבי הפרמטרים של הסימולציה, מספר איטרציות צריך להיות ארוך מספיק כדי להיות מסוגל לצפות דיפוזיה של AMPARs מן dendrites והעיגון שלהם בPSD. שלבי זמן קטנים מדויקים יותר אך איטיים יותר להשלמת הסימולציה.
  2. בחר טען מחדש נתוני פריט חזותי. בחר הנפשת הפעלה כדי לדמיין את התוצאות spatiotemporal (איור 8). בחר הגדרות פלט התווייתו. עלילת עיתונות.
    הערה: הגרפים שנוצרו על ידי CellBlender הם סדרת זמן מבודדת של המינים הכימיים שנבחרו. ניתן להשתמש בתוכניות של ספקים חיצוניים כדי לייבא את הנתונים שנשמרו מסימולציות מרובות כדי ליצור חלקות מכוסות במספר תנאים (לדוגמה, בסיס, LTP, LTD; ראה איור 8).
  3. הפעל את מצב ההחזקה ההומוסינפטית (כלומר, LTP; ראה איור 8). כך, בחרו 'מיקום מולקולה' בחלונית 'שולשול תא'. בחר rel_anchor_LTP_PSD1 באתרי שחרור/מיקום.
  4. שנה כמות לשחרור = 200. בחר rel_anchor_LTD_PSD1 באתרי ההפצה/מיקום. שנה כמות לשחרור = 0. בחר rel_anchor _PSD1 באתרי שחרור/מיקום. שנה כמות לשחרור = 0. חזור על שלבים 11.1-11.2.
  5. הפעל את מצב הדיכאון ההומוסינפטי (כלומר, בע"מ; ראה איור 8). כך, שחרר 200 rel_anchor_LTD_PSD1 במקום rel_ANCHOR_LTP_PSD1. הגדר rel_anchor rel_anchor_LTP_PSD1 rel_anchor_LTP_PSD1 לאפס. חזור על שלבים 11.1-11.2.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

תוצאות אלה מספקות את השלבים לבניית רשת תלת-מימד המדמה עמוד שדרה דנדריטי עם ראש עמוד שדרה וצוואר עמוד שדרה(איור 1 לאורי 4). בנוסף, ניתן להכניס מספר קוצים דנדריטיים בקטע דנדריטי אחד (איור 5) כדי ללמוד פלסטיות הטרוסינופטית של AMPARs14. PSD על החלק העליון של ראש עמוד השדרה (איור 6) הוא המקום שבו עוגנים סינפטיים לאגד AMPARs וללכוד אותם באופן זמני בsynapse (איור 7, איור 8).

ניתן לאמת פלסטיות סינפטית בערך באמצעות שינויים במספר המינים anchor_AMPAR, anchor_AMPAR_LTP, anchor_AMPAR_LTD בכל עמוד שדרה. לחישוב המדויק של המופע של פלסטיות סינפטית, מומלץ לחשב את הווריאציה במספר הכולל של אמפרים מעוגנים וחופשיים בסינופסה. ניתן לבצע זאת באמצעות תוכניות של ספקים חיצוניים כדי לפתוח את הנתונים השמורים של הסימולציה כדי לסכם את סדרת הזמן של AMPARs חינם ואת AMPARs מעוגנים בכל PSD (איור 8).

שחרורם של AMPARs על הרשת אפשר את התצפית של דיפוזיה שלהם על ידי הליכה אקראית סטוכסטית לאורך דנדריט וקוצים דנדריטיים. גורמים המחליפים את הזיקה של AMPARs עבור העוגנים, כגון שינויים לאחר התרגום ושינויים של שיעורי אנדוציטוזיס ואקסוציטוזיס, יכולים ללכוד את האמפר בPSD24,25,26. הכריכה של AMPARs עם העוגנים הממוקמים בPSD לכוד צפיפות גבוהה של AMPARs בsynapse. ההחזקה ההומוסינאפטית(איור 9) ודיכאון(איור 10) ניתן לאמת בהתאמה באמצעות עליות וינות במספר AMPARs מעוגנים הנגרמת על ידי שינויים בזיקה של AMPARs על ידי עוגנים בהשוואה למצב בזל(איור 11). גורמים שהפחיתו את הזיקה של AMPARs עם העוגנים שיחררו AMPARs מרובים מעמוד שדרה דנדריטי אחד (כלומר, דיכאון הומוסינפטי) וזיהוי הטרוזינפטי המושרה על הקוצים השכנים. כמו כן, גורמים שהגבירו את הזיקה של AMPARs לעוגן בעמוד השדרה אחד גרם להגברה הומוסינאפטית בעמוד השדרה הזה ודיכאון הטרוזינאפטי בעמוד השדרההשכן 14. בדרך זו, פלסטיות הטרוזינאפטית נצפתה כאפקט ההפוך על הקוצים השכנים של הפלסטיות ההומוסינפטית המושרה בעמוד השדרה הנתון. לדוגמה, אינדוקציה הומוסינופטית LTP בעמוד השדרה אחד יצר אפקט הטרוסינופטי בע"מ על הקוצים השכנים (איור 8E,F,G).

Figure 1
איור 1: יצירת ראש עמוד השדרה הדנדריטי באמצעות רשת כדורית. (א)הוספת כדור UV. (ב)הגדרת מידות הכדור. (ג)התבוננות בספירה שנוצרה. לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של נתון זה.

Figure 2
איור 2: בניית האזור העליון. (א)בחירת האזור העליון של הכדור. (ב)הסרת האזור הנבחר כדי להפוך אותו שטוח. חותםאת החלק העליון השטוח. לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של נתון זה.

Figure 3
איור 3: יצירת אזורים קונצנטריים בראש עמוד השדרה. (א)לדמיין את החלק העליון. (ב)שימוש בסכין להגדרת אזור קונצנטרי. (ג)יצירת אזורים קונצנטריים מרובים. לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של נתון זה.

Figure 4
איור 4: יצירת צוואר עמוד השדרה דנדריטי. (א)בחירת תחתית הכדור ששונה. (ב)מחיקת קודקודים נבחרים. בחירתCהחלק התחתון. הבלטהשל החלק התחתון כדי ליצור את צוואר עמוד השדרה. אטוםהחלק התחתון של צוואר עמוד השדרה. מנתחFאת עמוד השדרה שנוצר. לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של נתון זה.

Figure 5
איור 5: יצירת דנדריט עם קוצים מרובים. (א)שימוש ברשת גלילית כדי ליצור דנדריט. יישורעמוד השדרה הדניפטי עם הצילינדר. מצטרףלצילינדרעם עמוד השדרה. (ד)הפעולה הבוליאנית להצטרף ל-meshes. הרשתהמשולבת החדשה. הוספתFעמוד השדרה השני. הוספתGעמוד השדרה השלישי. הוספתHעמוד השדרה הרביעי. לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של נתון זה.

Figure 6
איור 6: הגדרת אזור PSD ואת האזור perisynaptic. (A)בחירת אזור PSD. (ב)תצוגה מפורטת של PSD שנוצר. (ג)הגדרת אזור פני השטח של PSD. (D)בחירה והגדרה של האזור perisynaptic סביב PSD. (ה)בחירה והגדרה של המשטח הידני של דנדריט. (F)אזורי שטח מוגדרים. לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של נתון זה.

Figure 7
איור 7: הגדרת מולקולות פני השטח. (א)הגדרת אמפר, עוגן ואמפר קשורים לעוגן. (ב)הגדרת המיקום והכמות של עותקי AMPAR. מגדיראתמחלקות פני השטח. (ד)הקצאת מחלקות פני השטח. (ה)יצירת התגובות הכימיות בין המולקולות. לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של נתון זה.

Figure 8
איור 8: תוצאות מייצגות של פלסטיות סינפטית. (א)רשתות שונות של קטע דנדריטי עם שניים, ארבעה, או שמונה קוצים. (ב)מבט שונה על קטע דנדריטי עם שמונה קוצים. (ג)תצוגה מפורטת של עמוד שדרה דנדריטי עם AMPARs ועוגן בPSD. (ד)דיאגרמה של סחר של AMPARs בתוך ומחוץ PSD באמצעות האינטראקציות שלהם עם העוגנים. אנילא יודע מה לעשות. הקימורים מציגים את מספר האמפרים הסינאפטיים בכל PSD עבור מצב בסיס ובמהלך LTP ו- LTD. האינדוקציה של ה-LTP ההומוסינפטי או בע"מ בעמוד שדרה אחד יצרה אפקט הטרוזינאפטי בעמוד השדרה הסמוך לרשת עם שניקוצים( E ), ארבעהקוצים( F ) ושמונה קוצים (G). לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של נתון זה.

Figure 9
איור 9: תוצאה מייצגת של תנאי LTP. (A)ציר ה-x הוא הזמן וציר ה-y הוא מספר התוחלות המורכבות anchor_LTP_AMPAR-PSD1. הייתה שחרור של 200 anchor_LTP חינם בתחילת הסימולציה. מספר גבוה יותר של איגרות חוב עם עוגנים נוצר בהשוואה למצב בסיס(איור 11) אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.

Figure 10
איור 10: תוצאה מייצגת של מצב בע"מ. (א)ציר ה-x הוא הזמן וציר ה- y הוא מספר התוכיות המורכבות anchor_LTD_AMPAR-PSD1. הייתה שחרור של 200 anchor_LTD חינם בתחילת הסימולציה. מספר נמוך יותר של איגרות חוב עם עוגנים נוצר בהשוואה למצב הבסאלי(איור 11). לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של נתון זה.

Figure 11
איור 11: תוצאה מייצגת במצב בסיס. (א)ציר ה-x הוא הזמן וציר ה-y הוא מספר התוכיות המורכבות anchor_AMPAR-PSD1. היה שחרור של 200 עוגנים חינם בתחילת הסימולציה. לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של נתון זה.

קובץ משלים 1. אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

מאמר זה מציג שיטה לבניית רשתות שינוי תלת-מידול עבור מידול תהליכי פלסטיות סינפטית דיפוזיה תגובה בקטע דנדריטי עם קוצים דנדריטיים. המודל המפותח מכיל קטע דנדריטי עם מעט קוצים דנדריטיים. הדיפוזיה היצברנית והתגובה של AMPARs עם עוגנים סינפטיים מאפשרים סימולציה של הדינמיקה הבזלית. השלבים הקריטיים בפרוטוקול הם חיתוך הכדור ליצירת החלק העליון של ראש עמוד השדרה(איור 1, איור 2, איור 3), ההבלטהליצירת צוואר עמודהשדרה (איור 4),והצטרפות הדנדריט והעמודים לרשת אחת(איור 5). זה קריטי יש חפיפה מלאה בין צווארי עמוד השדרה ואת dendrite; אחרת, הרשת לא תהיה אטומה למים. שלבים קריטיים אחרים הם הבחירה של אזורי הממברנה וההגדרה של מחלקות פני השטח (איור 6, איור 7). שמור את הקבצים עבור כל שלב קריטי בשם אחר.

השתמש בכלי ניתוח רשת כדי להבטיח כי הרשת היא אטומה למים, סעפת, כלפי חוץ רגיל לאחר יצירת עמוד השדרה יחיד ולאחר יצירת דנדריט משולב עם עמוד השדרה. אם רשת השינוי נכשלת בניתוח זה, חזור לגירסה הנכונה האחרונה שנשמרה. שלבים מסוימים עשויים להיות מעט שונים בהתאם לגירסת התוכנה המותקנת, למערכת ההפעלה ולסוג לוח המקשים.

פרוטוקול זה מדמה את הסחר של מולקולות AMPAR ברשת 3D (איור 8, איור 9, איור 10, איור 11), שהוא המפתח להעברת רגש עצבית פלסטיות סינפטית. הסחר של מולקולות בודדות ברשת תלת-מית היא תכונה בעלת ערך של מודל זה ביחס לשיטות קיימות המבוססות על כרכים מעורבים היטב עםהפצות הומוגניות של מולקולות 21,22, וזה לא המצב הפיזיולוגי בסיאפסות27. מגבלה של טכניקה זו היא העלות החישובית הגבוהה והמהירות האיטית של סימולציות המשתמשות במספר גבוה של עותקים של כל מולקולה ומספר גבוה של תגובות כימיות ביניהם. ניתן להתגבר על אילוץ זה על-ידי הפחתת מספר העותקים של כל מין.

בניית מערכת עם רשת תלת-מית מציאותית ומעקב ספוטיוטמפוריאלי של מולקולות הוא כלי רב עוצמה כדי לבדוק תרחישים מכניים שיכולים לתת תובנות גדולות על התפקוד של מערכות עם מספר גבוה של משתנים לא ליניאריים.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

המחברים מצהירים כי אין להם אינטרסים כלכליים מתחרים.

Acknowledgments

עבודה זו נתמכה בחלקה על ידי מענק קרן המדע של מדינת סאו פאולו (FAPESP) #2015/50122-0 ו- IRTG-GRTK 1740/2, על ידי מענק IBM/FAPESP #2016/18825-4, ועל ידי מענק FAPESP #2018/06504-4.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Blender Blender Foundation https://www.blender.org/
CellBlender University of Pittsburgh https://mcell.org/
Mcell University of Pittsburgh https://mcell.org/

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

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

Cite this Article

Antunes, G., Simoes de Souza, F. M. 3D Modeling of Dendritic Spines with Synaptic Plasticity. J. Vis. Exp. (159), e60896, doi:10.3791/60896 (2020).More

Antunes, G., Simoes de Souza, F. M. 3D Modeling of Dendritic Spines with Synaptic Plasticity. J. Vis. Exp. (159), e60896, doi:10.3791/60896 (2020).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter