Waiting
Login processing...

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

Neuroscience

Sinaptik Plastisite ile Dendritik Dikenlerin 3D Modellemesi

Published: May 18, 2020 doi: 10.3791/60896
Automatic Translation
*1, *1
1Center for Mathematics, Computation and Cognition, Federal University of ABC
* These authors contributed equally

Summary

Protokol, sinaptik plastisiteyi modellemek için dendritik dikenler içeren dendritik segmentin üç boyutlu (3D) bir modelini geliştirir. Yapılı mesh CellBlender ve MCell ile yazılım programı Blender kullanarak uzun vadeli sinaptik plastisite AMPA reseptör ticareti hesaplamalı modelleme için kullanılabilir.

Abstract

Üç boyutlu (3D) geometride kimyasal türlerin difüzyon ve reaksiyonlarının hesaplamalı modellemesi, dendritik dikenlerde sinaptik plastisite nin mekanizmalarını anlamak için temel bir yöntemdir. Bu protokolde, dendritler ve dendritik dikenlerin ayrıntılı 3D yapısı CellBlender ile blender yazılımı üzerinde meshes ile modellenmiştir. Sinaptik ve ekstrasinaptik bölgeler örgü üzerinde tanımlanır. Daha sonra, sinaptik reseptör ve sinaptik çapa molekülleri difüzyon sabitleri ile tanımlanır. Son olarak, sinaptik reseptörler ve sinaptik çapalar arasındaki kimyasal reaksiyonlar dahil edilir ve hesaplama modeli mcell yazılımı ile sayısal olarak çözülür. Bu yöntem, 3Boyutlu geometrik yapıdaki her bir molekülün spatiotemporal yolunu tanımlar. Bu nedenle, sinaptik plastisite oluşumu sırasında dendritik dikenlerin içinde ve dışında sinaptik reseptörlerin ticaretini incelemek çok yararlıdır. Bu yöntemin bir sınırlama moleküllerin yüksek sayıda simülasyonların hızını yavaşlatAn olmasıdır. Dendritik dikenlerin bu yöntemle modellanması, tek dikenler içinde homosinaptik potansiyasyon ve depresyon un ve komşu dendritik dikenler arasındaki heteroskopip plastisitenin incelenmesine olanak sağlar.

Introduction

Sinaptik plastisite öğrenme ve bellek1ile ilişkili olmuştur. Sinaptik plastisite, uzun vadeli potentiation gibi (LTP) ve uzun vadeli depresyon (LTD), sırasıyla ekleme ve AMPA reseptörlerinin kaldırılması ile ilişkilidir (AMPA) ve sinaptik membran dışında2. AMPAR sinapsları dendritik dikenler3olarak adlandırılan küçük hacimli yapıların üzerinde yer alır. Her omurga postsinaptik membranda postsinaptik yoğunluk (PSD) adı verilen protein yoğun bir bölge içerir. PSD'deki çapa proteinleri sinaptik bölgede AMPA'ları yakalar. Tek bir sinaps içinde AMPARs birkaç kopya vardır ve ticareti ve dendritik dikenler diğer türler ile AMPAR reaksiyonu bir stokastik süreç2,4. Dendritik dikenler5,6,,7,8sinaptik reseptör ticareti çeşitli kompartman modelleri vardır. Ancak dendritlerin ve dendritik omurgalarının 3Boyutlu yapılarında sinaptik plastisite ile ilişkili AMPA'ların ticaretinin stokastik hesaplamamodellerinin eksikliği vardır.

Hesaplamalı modelleme sinaptik plastisite9oluşumu sırasında dendritik dikenlerde AMPAPER reaksiyon-difüzyon gibi karmaşık sistemlerin dinamikleri altında yatan mekanizmaları araştırmak için yararlı bir araçtır 9,10,11,12. Model karmaşık senaryoları görselleştirmek için kullanılabilir, hassas parametreleri değişen ve deneysel kontrol etmek zor veya imkansız birçok değişken içeren bilimsel koşullarda önemli tahminler yapmak12,13. Bir hesaplama modelinin ayrıntı düzeyini tanımlamak, modellenen olgu hakkında doğru bilgi edinmede temel bir adımdır. İdeal bir hesaplama modeli, hesaplama açısından engelleyici olmadan doğal fenomenlerin temel özelliklerini yakalamak için karmaşıklık ve basitlik arasındaki hassas bir dengedir. Çok ayrıntılı olan hesaplama modelleri hesaplamak için pahalı olabilir. Öte yandan, kötü ayrıntılı sistemler, fenomenin dinamiklerini yakalamak için gerekli olan temel bileşenlerden yoksun olabilir. Dendritik dikenlerin 3B modellemesi 2B ve 1D'den hesaplama açısından daha pahalı olmasına rağmen, sistemin işleyişi hakkında bilgi edinmek için 3B düzeyde modellemenin gerekli olduğu, zaman ve 3B alanda tepki veren ve difüzyon yapan birçok doğrusal olmayan değişkenin yer aldığı karmaşık sistemler gibi koşullar vardır. Ayrıca, karmaşıklığı dikkatle daha düşük boyutlu bir modelin temel özelliklerini korumak için azaltılabilir.

Belirli bir türün küçük bir hacim içinde birkaç kopyası olan stokastik bir sistemde, sistemin ortalama dinamiği büyük bir popülasyonun ortalama dinamiklerinden sapır. Bu durumda, reaksiyon-difüzyon parçacıkların stokastik hesaplamalı modelleme gereklidir. Bu çalışma, 3D dendritik dikenlerde ampaper birkaç kopya stokstik modelleme reaksiyon-difüzyon için bir yöntem tanıttı. Bu yöntemin amacı, dendritik dikenler ve sinapsları ile dendritik bir segmentin 3Boyutlu hesaplama modeli geliştirmektir.

Yöntem modeli sayısal olarak çözmek için yazılım MCell kullanır, 3D meshes oluşturmak için Blender, ve CellBlender oluşturmak ve MCell simülasyonları görselleştirmek için, 3D meshes moleküllerin spatiotemporal reaksiyon-difüzyon dahil14,15,16. Blender meshes oluşturulması için bir paketi ve CellBlender temel yazılım Blender için bir eklenti. MCell tek moleküllerin reaksiyon-difüzyon için bir Monte Carlo simülatörü17.

Bu yöntemin kullanımının arkasındaki mantık dendritik dikenlerin mikrofizyolojik ortamda bu fenomenin daha iyi anlaşılması için sinaptik plastisite modelleme oluşur14. Özellikle, bu yöntem homosinaptik potansiyasyon simülasyonu sağlar, homosinaptik depresyon, ve dendritik dikenler arasında heterosinaptik plastisite14.

Bu yöntemin özellikleri dendrite ve sinapsların 3D geometrik yapısı modelleme içerir, rasgele yürüyüş ile difüzyon, ve sinaptik plastisite ile ilgili moleküllerin kimyasal reaksiyonlar. Bu yöntem, hipotezleri sınamak ve çok sayıda değişkeniçeren karmaşık doğrusal olmayan bir sistemin işleyişi hakkında tahminlerde bulunmak için zengin ortamlar oluşturma avantajı sağlar. Buna ek olarak, bu yöntem sadece sinaptik plastisite nin incelenmesi için değil, aynı zamanda genel olarak 3Boyutlu kafes yapılarında moleküllerin stokastik reaksiyon-difüzyon çalışmaları için de uygulanabilir.

Alternatif olarak, dendritik yapıların 3D meshes doğrudan Blender elektron mikroskop seri rekonstrüksiyon18 inşa edilebilir.18 Seri rekonstrüksiyonlara dayalı metaşalar 3B yapılar sağlasa da, deneysel verilere erişim her zaman mevcut değildir. Böylece, mevcut protokolde açıklandığı gibi temel geometrik yapılardan uyarlanmış meshes yapımı, dendritik dikenler ile özelleştirilmiş dendritik segmentler geliştirmek için esneklik sağlar.

Başka bir alternatif hesaplama yöntemi normal bir hacim9,10,,11,19,,20,21,22iyi karışık reaksiyonların toplu simülasyonudur.22 Toplu simülasyonlar tek bir iyi karma hacim23içinde birçok türün reaksiyonlarını çözmede çok verimlidir, ancak toplu yaklaşım yüksek çözünürlüklü 3D örgü birçok iyi karışık voxels içinde moleküllerin reaksiyon-difüzyon çözmek için son derece yavaştır. Öte yandan, bireysel parçacıkların reaksiyon-difüzyon MCell simülasyonları kullanarak mevcut yöntem yüksek çözünürlüklü 3D meshes15verimli çalışır.

Bu yöntemi kullanmadan önce, incelenen fenomenin 3Boyutlu bir kafeste stoksetik reaksiyon-difüzyon yaklaşımı gerektirip gerektirmediğini sormak gerekir. Eğer fenomenin az sayıda kopyası varsa (1.000'den az) dendritik dikenler gibi küçük hacimli bölmeleri olan karmaşık geometrik bir yapıda difüzyon yapan reaksiyon türlerinin en az bir kopyası (1.000'den az) varsa, 3Boyutlu meshelerde reaksiyon-difüzyonun stokastik modellemesi uygulama için uygundur.

Sinaptik plastisite ile dendritik dikenler içeren bir dendritik segmentin 3D hesaplamamodeli oluşturmak için gerekli birkaç adım vardır. Ana adımlar modelin inşası için uygun yazılımın kurulumu, birden fazla diken oluşturmak için bir şablon olarak kullanılacak tek bir dendritik omurga nın inşası ve birden fazla dendritik dikenile bağlı bir dendritik segmentoluşturulmasıdır. Sinaptik plastisiteyi modellemek için adım, PSD bölgesine çapa, dendritik segmente ve dendritik dikenlere AMPA'lar eklemekten oluşur. Daha sonra, PSD ve AMPAR'larda bulunan çapalar arasındaki kinetik reaksiyonlar, sinaptik bölgede AMPAR'ları tuzağa düşüren karmaşık çapa-AMPAR türleri üretmek için tanımlanır. Sırasıyla, çapa ve sinaptik AMPARs arasındaki yakınlık artış ve azalma LTP ve LTD sürecini oluşturmak.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

NOT: Bu protokolde kullanılan terimler sözlüğü için lütfen Ek dosya 1'e bakın.

1. Blender, CellBlender ve MCell yükleyin

NOT: Bu protokol MCell, Blender ve Cell Blender'ın yüklenmesini gerektirir.

  1. Yazılımı MCell ana sayfasına (https://mcell.org/tutorials_iframe.html) indirin ve yükleyin. Sayfanın üst kısmındaki indirmelere gidin ve ardından yazılımı tercih edilen ortama (örneğin Linux, Mac OSX veya Windows) indirmek ve yüklemek için adım adım yönergeleri izleyin.
    NOT: Bu protokolde açıklanan tüm hesaplama modelleri ve simülasyonlar Blender 2.78 ile MCell 3.4 ve CellBlender 1.1 içeren cellblender 1.1 paketi üzerinde test edilmiştir. Blender 2.79b'de de işe yaradı. Tüm bu yazılım programları açık erişime açıktır ve kullanılmak üzere yeniden yazdırma izni gerektirmez. Modelin yapısı ve simülasyonu için talimatlar bir sürümden diğerine biraz değişebilir. Bu protokolün bazı bölümleri Çek ve ark.16'danuyarlanmıştır.

2. Tek bir dendritik omurga oluşturun

NOT: Bu yordam, değiştirilmiş bir küre kullanarak bir omurga kafası ve bir omurga boyun ile tek bir dendritik omurga bir örgü oluşturur.

  1. Ana Panelde Blender 3D görünümünü ayarlayın.
    1. CellBlender zaten yüklü blender açın. Perspektif'ten Ortogonal görünüme geçiş için tuş tuşu 5'e basın ve ön görünüme değiştirmek için 1 tuşuna basın. Perspektif görünümü derinliği vardır, ancak bu şimdi gerekli değildir. Perspektiften Ortogonal görünüme değişen mesh daha iyi görselleştirme sağlar. İmleci ortalamak için Shift+C tuşuna basın (Şekil 1A).
  2. Omurga kafasını oluşturun.
    1. Kafes paletini açmak için Shift+A tuşuna basın. Mesh'i seçin ve ardından UV Küresiniseçin. UV küresi, bir kürenin 3B yüzeyine eşlenmiş bir kafestir. UV kürebir mantar dendritik omurga küresel başkanı temsil eder. Yazılım UV kürebirimlerinin mikrometre olduğunu varsayar.
    2. UV Küre si ekle panelindeki parametreleri değiştirin. Boyutu 0,25'e, Halkaları 32'ye değiştirin (Şekil 1B). Mesh'in görselleştirmesini yakınlaştırmak ve uzaklaştırmak için tuş tuşu'na + veya – basın. Alternatif olarak, yakınlaştırmak ve uzaklaştırmak için faredeki kaydırma düğmesini kullanın (Şekil 1C).
      NOT: Parametre boyutu orijinal kürenin boyutunu ölçekler ve parametre halkaları kafesin çözünürlüğünü tanımlar.
  3. Başın üst kısmını düz yap.
    1. Blender'ı Nesne Modu'ndan, standart nesne etkileşim modundan, Mod'u Editmoduna geçmek için Sekme tuşuna basın. Varolan bir kafesin bileşenlerini değiştirmek için Düzenleme Modunda çalışın.
    2. Oluşturulan kafes otomatik olarak seçildikten sonra, oluşturulan kafesin select'ini seçmek için a tuşuna basın. Düzenlenecek parçaların görselleştirilmesine yardımcı olan kafesi saydam hale getirmek için z tuşuna basın. Kafesi yakınlaştırın. Fare ile kürenin üst 3/4'ünü seçmek için b tuşuna basın (Şekil 2A). Sil tuşunabasın, verticesseçin ve vertices kaldırmak için girin (Şekil 2B).
    3. b tuşuna basın ve üstünü seçin. E, s, 0tuşuna basın ve hala seçili tepelerle üst ünü mühürlemek için girin. Mavi oku omurga kafasının üst kısmına hizalamak için aşağı doğru hareket ettirin(Şekil 2C). Katı görünüme değiştirmek için z tuşuna basın (Şekil 3A). Üst görünüme değiştirmek için 7'ye basın.
      NOT: Kürenin üst omurga başının PSD bölge modeli düz yapılır.
  4. Omurganın üst kısmındaki kafes çözünürlüğünü artırmak için ilk olarak Tool and Knife'ıseçin. Üst(Şekil 3B)merkezi etrafında bıçak ile bir daire kesin. Araç ve Döngü Kesme ve Slayt'ıseçin. Üst(Şekil 3C)merkezi etrafında dört eşmerkezli daireler oluşturmak için bu adımı dört kez tekrarlayın.
    NOT: Eşmerkezli daireler PSD çözünürlüğünü artıracak yeni voxels eklemek için kullanılır.
  5. Omurga boynunu oluşturun.
    1. Kafesi seçmek için a tuşuna basın. Ön görünüme geçiş yapmak için 1'e basın. Kafesi saydam yapmak için z tuşuna basın. B tuşuna basın ve ardından kafesin altına(Şekil 4A)seçin. Sil ve vertices tuşuna basın (Şekil 4B). b tuşuna basın ve kafesin alt kısmını seçin (Şekil 4C). Ekstrüzyon oluşturmak için e ve z, -0,45 tuşuna basın (Şekil 4D).
      NOT: Bu , -0,45 μm'de z ekseni konumuna bir ekstrüzyon oluşturur. Tüm kafesi seçmek için a tuşuna basın.
    2. B tuşuna basın ve boynun alt kısmını seçin. E , sve 0 tuşuna basıp alta mühürleyin (Şekil 4E). Tüm kafesi seçmek için a tuşuna basın.
  6. Kafesi MCell ile uyumlu hale getirin.
    1. Kafesi üçgenlemek için Crtl+T tuşuna basın. Kafes birbirine bağlı üçgenler kümesine dönüştürülür. Bu, kafesi MCell ile uyumlu hale getirmek için gerekli bir yordamdır. Aracı Seçin ve Çiftleri Kaldır. Kafesi MCell ile uyumlu hale getirmek için, aynı koordinatlara sahip veya birbirine çok yakın olan yinelenen vertices'leri kaldırmak için ÇiftLe'leri Kaldır araçlarını kullanın.
      NOT: Kafes oluşturma ve düzenleme işlemi sırasında yanlışlıkla çift üstte yer alan vertices oluşturulmuş olabilir.
    2. CellBlender panelinde Model Nesneleri'ni seçin. Nesne omurgasını oluşturmak için Aktif Nesnenin adını omurgaya ve + tuşuna basın. CellBlender panelinde, Mesh Analizi'ni seçin ve ardından Mesh'i Analiz Et 'e(Şekil 4F)tıklayın. Bu yordam, tepe kenarları, kenarlar, yüzler, yüzey alanı, hacim ve kafes topolojisi sayısı da dahil olmak üzere oluşturulan kafesin özelliklerini analiz eder.
      NOT: Analiz Mesh Analiz Paneli'nde bilgi yazdıracak ve Su geçirmezolmalıdır , Manifold, ve Dışa Dönük Normaller. Bu adım, kafesin MCell üzerinde çalışacağından emin olmak için gereklidir. Aksi takdirde, bir adım muhtemelen cevapsız oldu. Bu durumda, kafesi silin ve adım 2.1'den yeniden başlayın.
    3. Omurganın sağlam görünümünü görselleştirmek için z tuşuna basın. Diskte omurga ile blender dosyanızın bir kopyasını almak için Dosya ve Kaydet tuşuna basın.
      NOT: Meshes boyutları (yani, uzunluk, çap, boyut) mikrometre bulunmaktadır. Her klavye kısayolu anlamına gelen sözlük bakın.

3. Birden fazla dikenli bir dendit oluşturma

  1. Bölüm 2.1-2.6'da daha önce açıklandığı gibi bir omurga oluşturun. Omurganın select'ini seçmek için a tuşuna basın. İmleci ortalamak için Shift+C yazın.
  2. Bir dendrite oluşturun. Kafes paletini açmak için Shift+A tuşuna basın. Mesh'i ve ardından Silindir'iseçin. Silindir Ekle menüsündeki parametreleri değiştirin: Yarıçap = 0,3 μm, Derinlik = 2 μm. Enter tuşuna Enterbasın.
    NOT: Parametreler yarıçapı ve derinliği denditin geometrik özelliklerine göre tanımlanır.
  3. Dendrite bir omurga yerleştirin.
    1. Silindiri 90° döndürmek için r tuşuna basın ve 90 yazın(Şekil 5A). Silindiri omurganın altına sürüklemek için mavi oku kullanın. Silindirin ön görünümü için tuş takımı 3'e basın.
    2. Kafesi saydam yapmak için z tuşuna basın. Omurga tabanını silindirin iç tabanına taşımak için silindirin mavi normal okunu aşağıya doğru hareket ettiren fareyi kullanın (Şekil 5B). Tüm nesnelerin select'ini seçmek için a tuşuna basın.
    3. Dendrite(Şekil 5C)seçmek için farenin sağ düğmesini kullanın. Blender panelinde Değiştirici'yi seçin (Şekil 5D), Değiştirici Ekle'yiseçin. Sonra Booleanseçin , İşlem Birliğiseçin ve Nesne omurgaseçin. Dendrite ve omurganın ortak bir örgüoluşturmak için Uygula tuşuna basın (Şekil 5E). Bu işlem, iki kafesi tek bir kafeste birleştiren yeni bir kafes oluşturur.
      NOT: Yeni örgü kombine dendrite ve omurga olacaktır. İzole dendrite farklı kafesler kombine olduğunda kaybolur, ancak izole omurga örgü yeni örgü ile örtüşen kalır ve aynı omurgabirden fazla kopya oluşturmak için kullanılır. Kafesi bitirdikten sonra tüm yalıtılmış dikenleri silin. Omurga boyun ve dendrite arasında tam bir örtüşme olması önemlidir, aksi takdirde, mesh su geçirmez olmayacaktır.
  4. Dendrite nesnesini CellBlender ortamına ayarlayın.
    1. Meshes deselect için a tuşuna basın. Sadece dendrite seçmek için fare ile dendrite sağ tıklayın. CellBlender, Model Nesneleriseçin ve Dendrite için Active Object değiştirin ve Dendrite nesnesini oluşturmak için + tuşuna basın.
  5. Dendrite yeni dikenler yerleştirin.
    1. Silindirin yan görünümünü değiştirmek için 1 tuşuna basın. Yalıtılmış omurganın örgü seçmek için fareyi kullanın. Daha fazla diken eklemek için, fizyolojik bir dağılım elde etmek için her birini eklemek için pozisyon ve açıyı değiştirerek, adım 3.3 izleyin.
  6. Kafesi MCell ile uyumlu hale getirin. Bunu yapmak için, edit modunagitmek için Sekme'ye basın. Tüm kafesi seçmek için a tuşuna basın. Kafesi üçgenlemek için Crtl+T tuşuna basın. Blender panelinde Araç'ı seçin ve Çiftleri Kaldır'ıseçin.
  7. Meshes stilize.
    1. Örgüleri düzleştirin. Nesne modunadeğiştirmek için Sekme'ye basın. Blender panelinde Araç'ı seçin ve Smooth'useçin. CellBlender, Model Nesneleri'niseçin ve Malzeme Ekle'yiseçin.
    2. Nesne Saydam ve Malzeme Saydamseçerek kafesi saydam hale getirin. Alfayı 0,5 olarak değiştirin ve kafesi kısmen saydam hale getirmek için girin. Katı görünüme değiştirmek için z tuşuna basın.
  8. Kafesin hala MCell ile uyumlu olup olmadığını doğrulayın. Bunu yapmak için, mesh hala su geçirmezolduğundan emin olmak için CellBlender panelinde Mesh Analizi seçin , manifold örgü, ve dışa bakan normal.
  9. Blender dosyasını dendrite_with_spines.blendolarak kaydedin.

4. Yüzey bölgelerini tanımlayın

NOT: Bu yordam, daha sonra bölgelerin moleküllerle nasıl etkileşimde bulunacaklarını ayarlamak için kullanılacak olan kafesin yüzey bölgelerini oluşturur.

  1. Blender ortamında dosyayı dendrite_with_spines açın. Bunu yapmak için Dosyayı, Aç, dendrite_with_spines.blend'ıve Blender Dosyasını Aç'ıseçin.
  2. Yüzey bölgelerini tanımlamak için kafesi hazırlayın. Bunu yapmak için, değişiklik modunaalmak için Sekme'ye basın. Saydam görünüme değiştirmek için z tuşuna basın (Viewport gölgeleme, tel kafes). Dikenlerle denditin tüm örgüsünü seçmek için a tuşuna basın. Model Nesneleri'niseçin. Dendrite'iseçin. CellBlender panelini gizlemek ve ana paneldeki tüm kafesi daha iyi görselleştirmek için t tuşuna basın.
    1. Fareyle yakınlaştırmak ve uzaklaştırmak veya kaydırmak için tuş tuşu üzerinde + ve – kullanın. Bu, yüzey bölgelerini seçmek ve tanımlamak için dikenlerin üst kısmında daha iyi görselleştirme için gereklidir. Nesneyi seçmek için a tuşuna basın. Modu'nu değiştirmekiçin Sekme'ye basın. CellBlender panelini tekrar göstermek için t tuşuna basın.
  3. PSD yüzey bölgesini tanımlayın. Bunu yapmak için b tuşuna basın ve fare ile dendritik omurganın üst ünü seçin (Şekil 6A,6B). Tanımlı Yüzey Bölgelerinde + tuşuna basın. Bölge Adını PSD1 olarak değiştirin ve Atama (Şekil 6C)seçeneğini tıklatın. Nesneyi seçmek için a tuşuna basın.
  4. Ekstrasinaptik yüzey bölgesini tanımlayın. Bunu yapmak için b tuşuna basın ve fare ile dendritik omurganın üst çevresindeki bölgeyi seçin (Şekil 6D). Bölge Adı için 4.3 adımını Extra_syn1.. Diğer dikenler için 4.3 adımını tekrarlayın (PSD2, PSD3, PSD4, Extra_syn2, Extra_syn3, ve Extra_syn4) (Şekil 6F). Nesneyi seçmek için a tuşuna basın.
  5. Dendrit uçlarının yüzey bölgelerini tanımlayın. Bunu yapmak için b tuşuna basın ve denditin sol ucunu seçin. Bölge Adını Left_end olarak değiştirin ve Atay'ıtıklatın. Nesneyi seçmek için a tuşuna basın. b tuşuna basın ve denditin sağ ucunu seçin (Şekil 6E). Bölge Adını Right_end olarak değiştirin ve Atay'ıtıklatın.
    NOT: Her Tanımlı Bölge seçmek için en iyi konumu bulmak için kafesi taşıyın.

5. Molekülleri oluşturma

  1. AMPAR'lar oluşturun. Bunu yapmak için CellBlender Panelindeki Moleküller'i seçin. Yeni bir molekül eklemek ve Adını AMPAR olarak değiştirmek için Tanımlanan Moleküller de + seçeneğini belirleyin. Molekül Tipini Yüzey Molekülü ve Difüzyon Sabitini 0,05e-8 cm2/s14'e değiştirip membrandaki AMPAR'ların difüzyon sabitini tanımlayın ( Şekil7A)./s
  2. Çapalar oluşturun. Bunu yapmak için CellBlender Panelindeki Moleküller'i seçin. Yeni bir molekül eklemek ve Bağlantı Için Ad'ı değiştirmek için Tanımlanan Moleküller üzerinde + seçeneğini belirleyin. anchor Molekül Tipini Yüzey Molekülü olarak değiştirin ve Membrandaki çapaların difüzyon sabitini tanımlamak için Difüzyon Sabitini 0,001e-8 cm2/s14 olarak değiştirin(Şekil 7A).
  3. AMPAPER'lere Bağlı Çapalar oluşturmak için CellBlender Panelindeki Moleküller'i seçin. Yeni bir molekül eklemek için Tanımlı Moleküller üzerinde + seçeneğini belirleyin. Adı anchor_AMPAR olarak anchor_AMPARdeğiştirin. Molekül Tipini Yüzey Molekülüolarak değiştirin. Difüzyon Sabitini 0,001e-8 cm2/s14olarakdeğiştirin.
  4. anchor_LTP ve anchor_AMPAR_LTPoluşturun. Bunu yapmak için, adım 5.2'yi tekrarlayın. Moleküle anchor_LTP. Adımı 5.3'te tekrarlayın. Molekülü anchor_AMPAR_LTP.
    NOT: anchor_LTP AMPARiçin yüksek bir yakınlık vardır; böylece sinaptik bölgelerde AMPA'lar artmaktadır.
  5. anchor_LTD ve anchor_AMPAR_LTDoluşturun. Bir çapa_LTDoluşturmakiçin, adım 5.2'yi yineleyin. Molekülü anchor_LTD. Adımı 5.3'te tekrarlayın. Molekülü anchor_AMPAR_LTD.
    NOT: anchor_LTD AMPARiçin düşük bir yakınlık vardır; böylece, sinaptik bölgede AMPAR azalır.

6. Yüzey sınıflarını tanımlama

NOT: Bu yordam, yüzey bölgeleri ile ilişkili özelliklere sahip sınıfları tanımlar. Ekstrasinaptik bölgeler, AMPAR'a bağlı serbest çapa ve çapaları yansıtır. Dendritin lateral uçları tüm molekülleri yansıtır.

  1. Ekstrasinaptik bölgelerin özelliklerini tanımlayın.
    1. Nesne modunadeğiştirmek için Sekme'ye basın. CellBlender Panelinde Yüzey Sınıfları'nı seçin. Yeni bir yüzey sınıfı tanımlamak için Surface Class'a + tuşuna basın.
    2. Ekstrasinaptik bölgenin, çapa moleküllerine bağlı AMPAR'ı yansıtmasını sağla.
      NOT: Bu yordam, sinaptik bölge içinde çapa ve onlara bağlı her şeyi tuzak olacaktır.
      1. Yüzey Sınıf Adını reflective_extra_syn olarak reflective_extra_syndeğiştirin. Bir molekülle ilişkilendirmek için reflective_extra_syn Özellikleri 'ne + basın. Molekülleri Seçin | Tek Molekül. anchor_AMPARseçin. Oryantasyon seçin = Yoksay. Tip = Bölgenin anchor_AMPAR molekülleri göstermesi için yansıtıcı'yı seçin.
      2. anchor_AMPAR_LTP ve anchor_AMPAR_LTD için 6.1.2.1 adımlarını tekrarlayın.
    3. Ekstrasinaptik bölgenin çapaları yansıtmasını sağla.
      1. Bir molekülle ilişkilendirmek için reflective_extra_syn Özellikleri 'ne + basın. Molekülleri Seçin | Tek Molekül. Çapayıseçin. Oryantasyon seçin = Yoksay. Tip = Bölgenin çapa moleküllerini yansıtmasını sağlamak için yansıtıcı yı seçin.
      2. anchor_LTP ve anchor_LTD için 6.1.3.1 adımlarını tekrarlayın.
  2. Dendrite uçlarının özelliklerini tanımlayın. Bunu yapmak için, yeni bir yüzey sınıfı tanımlamak için Surface Class'a + tuşuna basın. Yüzey Sınıf Adını reflective_ends olarak reflective_endsdeğiştirin. Bir molekülle ilişkilendirmek için Özellikler'e + tuşuna basın. Molekülleri Seçin | Tüm Yüzey Molekülleri. Oryantasyon Seçin | Yoksay. Türü Seçiniz | Tüm yüzey moleküllerini yansıtması için yansıtıcı.

7. Oluşturulan sınıfları her yüzey bölgesine atama

NOT: Bu adım yüzey sınıflarını yüzey bölgelerine atar.

  1. Dendrite uçlarının özelliklerini atayın.
    1. Bir bölge ile bir yüzey sınıfı atamak için + tuşuna basın. Yüzey Sınıf Adı (Şekil 7C)için reflective_ends seçin. Nesne Adıiçin Dendrite'i seçin. Bölge Seçimiiçin Belirtilen Bölgeyi Seçin. Bölge Adıiçin Left_end'ı seçin.
    2. Right_end için 7.1.1 adımını tekrarlayın(Şekil 7D).
  2. Ekstrasinaptik bölgelerin özelliklerini atayın.
    1. Bir bölge ile bir yüzey sınıfı atamak için + tuşuna basın. Surface Class Adıiçin reflective_extra_syn'yi seçin. Nesne Adıiçin Dendrite'i seçin. Bölge Seçimiiçin Belirtilen Bölgeyi Seçin. Bölge Adıiçin Extra_syn1'ı seçin.
    2. Extra_syn2, Extra_syn3ve Extra_syn4 için adım 7.2.1'i tekrarlayın.

8. Molekülleri kafesin üzerine yerleştirin

NOT: Bu adım AMPAR'ları, çapalarıve AMPAR'ı kafesüzerindeki çapalara bağlı olarak yerleştirir.

  1. Mesh üzerine AMPAR Molekülleri yerleştirmek için CellBlender Paneline Molekül Yerleştirme'yi seçin. Yeni bir sürüm sitesioluşturmak için Yayın/Yerleştirme Sitelerinde + tuşuna basın. Site Adını relAMPAR olarak değiştirin (Şekil 7B). Select Molecule = AMPAR. Object/Region = Dendrite[ALL]-(Dendrite[Left_end]+Dendrite[Right_end]). Serbest Bırakılamayacak Miktar = 1.000.
  2. Ağ üzerine çapa molekülleri yerleştirin.
    1. CellBlender Panelinde Molekül Yerleşimini seçin. Yeni bir sürüm sitesioluşturmak için Yayın/Yerleştirme Sitelerinde + tuşuna basın. Site Adını rel_anchor_PSD1olarak değiştirin. Molekül çapasınıseçin. Nesne/Bölge = Dendrite[PSD1]. Serbest Bırakılamayacak Miktar = 200.
    2. PSD2, PSD3ve PSD4 için adım 8.2.1'i tekrarlayın.
  3. Anchor_LTP Molekülleri Mesh'in üzerine yerleştirin. Bunu yapmak için CellBlender Paneli'nde Molekül Yerleşimi'ni seçin. Yeni bir sürüm sitesioluşturmak için Yayın/Yerleştirme Sitelerinde + tuşuna basın. Site Adını rel_anchor_LTP_PSD1olarak değiştirin. Seç Molekül = anchor_LTP. Nesne/Bölge = Dendrite[PSD1]. Serbest Bırakılamayacak Miktar = 0.
    NOT: anchor_LTP AMPAR'lara yüksek bağlayıcı lığı olan bir çapadır.
  4. anchor_LTD için adım 8.3 tekrarlayarak Mesh anchor_LTDanchor_LTD Molekülleri yerleştirin.
    NOT: anchor_LTD AMPAR'lar için düşük bağlayıcı afiniteile bir çapadır.

9. Kimyasal reaksiyonlar oluşturun

  1. Çapa ve AMPAR'lar arasında reaksiyon oluşturma.
    1. Reaksiyonları oluşturmak için Reaksiyonlar 'ı(Şekil 7D)seçin. Yeni bir tepkieklemek için + tuşuna basın. Reaktanlar = çapa' + AMPAR'. Reaksiyon Türü = <->. Bu çift yönlü bir reaksiyon tanımlar. Ürünler = anchor_AMPAR'. Forward Rate = 0,03. Geriye Doğru Oran = 0,05.
  2. ANCHOR_LTP ve AMPAR'lar arasında reaksiyon oluşturun. Bunu yapmak için, adım 9.1 tekrarlayın, ancak anchor_LTPile çapa değiştirin ve reaktanlararasındaki yakınlığı artırmak için Geriye Doğru Oran = 0,005 kullanın.
  3. anchor_LTD ve AMPAR'lar arasında reaksiyon oluşturun ve dosyayı kaydedin. Bunu yapmak için, adım 9.2 tekrarlayın, ancak anchor_LTDile çapa değiştirin ve reaktanlararasındaki yakınlığı azaltmak için Geriye Doğru Oran = 0,5 kullanın. Sonra dosyayı kaydedin.

10. Modelin çıktısını çizin

  1. Bazal durum sırasında PSD1'de AMPAR'lara bağlı çizim çapaları. Bunu yapmak için Çizim Çıktı Ayarları'nıseçin. Molekülleritanımlamak için + tuşuna basın. Molekül'de anchor_AMPAR'yi seçin. Nesneüzerinde dendrite seçin. Bölgede PSD1'i seçin. Tüm PSD bölgeleri için adım 10.1'i tekrarlayın.
    NOT: Her dendritik omurganın PSD'ye kapana kısılmış AMPA'ların bazal sayısını gözlemlemek yararlıdır. AMPAR'lara bağlı çapa sayısı LTP ve LTD sırasında bazal koşullara kıyasla artabilir veya azalabilir.
  2. LTP sırasında PSD1'de AMPAR'lara bağlı çizim çapaları. Bunu adım 10.1'i yineleyerek yapın. anchor_AMPAR_LTPile anchor_AMPAR değiştirin, sonra LTD sırasında PSD1 AMPARs bağlı arsa çapa ve nihayet adım 10.1 tekrarlayın, ama anchor_AMPAR_LTD ile anchor_AMPAR_LTP anchor_AMPAR_LTDdeğiştirin.

11. Simülasyonları çalıştırın

  1. Bazal koşulu çalıştırmak için Simülasyonu Çalıştır'ı seçin. Yinelemeleri seçin = 30.000. Set Time Step = 1e-3 s. Basın İhracat & Çalıştır. Simülasyon bitene kadar bekle. Dakikalar ile saatler arasında sürebilir.
    NOT: Bazal durumda, anchor_LTP ve rel_anchor_LTD rel_anchor_LTD moleküllerinsalınımı yoktur. Simülasyonparametreleri ile ilgili olarak, yineleme sayısı dendritler ve PSD de demirleme AMPDR'lerin difüzyon gözlemlemek mümkün olması gerekir. Küçük zaman adımları simülasyonu tamamlamak için daha kesin ama daha yavaş.
  2. Görselleştirme Verilerini Yeniden Yükle'yiseçin. Spatiotemporal sonuçları görselleştirmek için oynat animasyonu seçin (Şekil 8). Çizim Çıkış Ayarları'nıseçin. Basın Konusu.
    NOT: CellBlender tarafından oluşturulan grafikler seçilen kimyasal türlerin izole zaman serileridir. Üçüncü taraf programlar, birden çok simülasyondan kaydedilen verileri, çeşitli koşulların yer kaplamalı çizimlerini oluşturmak için kullanılabilir (örneğin, bazal, LTP, LTD; bkz. Şekil 8).
  3. Homosinaptik potansiyasyon durumunu çalıştırın (örneğin, LTP; bkz. Şekil 8). Bunu yapmak için CellBlender Paneli'nde Molekül Yerleşimi'ni seçin. Sürüm/Yerleştirme Sitelerindeki rel_anchor_LTP_PSD1 seçin.
  4. Miktarı serbest bırakmak için değiştir = 200. Sürüm/Yerleştirme Sitelerindeki rel_anchor_LTD_PSD1 seçin. Miktarı serbest bırakmak için değiştir = 0. Sürüm/Yerleştirme Sitelerindeki rel_anchor _PSD1 seçin. Miktarı serbest bırakmak için değiştir = 0. Adımları 11.1-11.2'yi yineleyin.
  5. Homosinaptik depresyon durumunu çalıştırın (yani, LTD; bkz. Şekil 8). Bunu yapmak için, rel_ANCHOR_LTP_PSD1 yerine rel_ANCHOR_LTP_PSD1 200 rel_anchor_LTD_PSD1 yayın. rel_anchor ve rel_anchor_LTP_PSD1 sıfıraayarlayın. Adımları 11.1-11.2'yi yineleyin.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Bu sonuçlar, omurga başı ve omurga boyunlu dendritik bir omurgayı simüle eden 3Boyutlu bir kafesin inşası için gerekli adımları sağlar(Şekil 1'den Şekil 4'e). Buna ek olarak, ampaper14 heteroskopip plastisite çalışması için tek bir dendritik segment14(Şekil 5)birden fazla dendritik diken ler takılabilir. Omurga kafasının üstündeki PSD(Şekil 6),sinaptik çapaların AMPAR'lara bağlandığı ve onları geçici olarak sinapsta hapsettiği yerdir(Şekil 7, Şekil 8).

Sinaptik plastisite anchor_AMPARtürlerinin sayısındaki değişiklikler ile kabaca doğrulanabilir , anchor_AMPAR_LTP, ve her omurgada anchor_AMPAR_LTD. Sinaptik plastisite oluşumunun tam hesaplaması için, sinaps ta bağlı ve serbest AMPA'ların toplam sayısındaki değişimi hesaplamak için önerilir. Bu, simülasyonun kaydedilmiş verilerini açmak için üçüncü taraf programlar kullanılarak gerçekleştirilebilir ve her PSD'de serbest AMPAR'ların ve bağlantılı AMPA'ların zaman serilerini özetleyebiliriz(Şekil 8).

Mesh üzerinde AMPAR salınımı dendrit ve dendritik dikenler boyunca bir stokastik rasgele yürüyüş ile difüzyon gözlem izin verdi. Posttranslational değişiklikler ve endositoz ve eksozoz oranlarında değişiklikler gibi çapa için AMPAR'ların yakınlık değiştirmek faktörler, PSD24,,25,26de AMPAR tuzak olabilir. AMPAR'ların PSD'de bulunan çapalarla bağlanması, sinapsta yüksek yoğunlukta AMPA'lar tuzakladı. Homosinaptik potansiyasyon (Şekil 9) ve depresyon(Şekil 10)bazal duruma göre çapalar tarafından AMPAR'ların yakınlıklarının neden olduğu antas edilmiş AMPAR sayısındaki artış ve azalmalarla sırasıyla doğrulanabilir(Şekil 11). Ampaper'lerin çapalarla olan yakınlığını azaltan faktörler bir dendritik omurgadan birden fazla AMPAR (yani, homosinaptik depresyon) ve komşu dikenlerde heteroskopik potentiasyona neden olur. Ayrıca, bir omurgada çapa için AMPAR'ların yakınlık ını artıran faktörler komşu dikenlerde o omurga ve heteroskopik depresyonda homosinaptik potentiation indüklenen14. Bu şekilde, heteroskopik plastisite belirli bir omurgada indüklenen homosinaptik plastisite komşu dikenlerde ters etki olarak gözlenmiştir. Örneğin, tek bir omurgada homosinaptik LTP indüksiyonkomşu dikenlerde heteroskopik LTD etkisi yaratMıştır(Şekil 8E,F,G).

Figure 1
Şekil 1: Küresel bir kafes kullanılarak dendritik omurga kafasının oluşturulması. (A) UV küresinin eklenmesi. (B) Küre boyutlarını ayarlama. (C) Oluşturulan küreyi gözlemlemek. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Figure 2
Şekil 2: Üst bölgenin inşası. (A) Kürenin üst bölgesini seçmek. (B) Düz yapmak için seçilen bölgeyi kaldırma. (C) Düz üst mühürleme. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Figure 3
Şekil 3: Omurganın üst kısmında eşmerkezli alanlar oluşturmak. (A) Üst görüntüleme. (B) Eşmerkezli bir bölgeyi tanımlamak için bıçak kullanmak. (C) Birden çok eşmerkezli bölge oluşturma. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Figure 4
Şekil 4: Dendritik omurga boynunun oluşturulması. (A) Değiştirilen kürenin alt kısmını seçmek. (B) Seçili vertices silme. (C) Alt seçimi. (D) Omurga boyun oluşturmak için alt ekstrüzyon. (E) Omurga boynunun alt mühürleme. (F) Oluşturulan omurgaanaliz. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Figure 5
Şekil 5: Birden fazla dikenli denditin oluşturulması. (A) Bir dendrite oluşturmak için silindirik örgü kullanarak. (B) Dendritik omurgayı silindirle hizalamak. (C) Silindirin omurgaile birleşmesi. (D) Boolean operasyonu meshes katılmak için. (E) Yeni kombine kafes. (F) İkinci omurganın eklenmesi. (G) Üçüncü omurganın eklenmesi. (H) Dördüncü omurganın eklenmesi. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Figure 6
Şekil 6: PSD bölgesinin ve perisinaptik bölgenin tanımlanması. (A) PSD bölgesinin seçilmesi. (B) Oluşturulan PSD'nin ayrıntılı görünümü. (C) PSD yüzey bölgesinin tanımlanması. (D) PSD çevresindeki perisinaptik zonun seçilmesi ve tanımlanması. (E) Dendritin lateral yüzeyinin seçilmesi ve tanımlanması. (F) Tanımlanmış yüzey bölgeleri. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Figure 7
Şekil 7: Yüzey moleküllerinin tanımlanması. (A) Tanımam AMPAR, çapa ve AMPAR çapa bağlı. (B) AMPAR kopyalarının yeri ve miktarı nın tanımlanması. (C) Yüzey Sınıflarını Tanımlama. (D) Yüzey Sınıflarını Atama. (E) Moleküller arasındaki kimyasal reaksiyonları oluşturur. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Figure 8
Şekil 8: Sinaptik plastisitenin temsili sonuçları. (A) İki, dört veya sekiz dikenli dendritik bir segmentin farklı meshes. (B) Sekiz dikenli dendritik segmentin farklı bir görünümü. (C) PSD'de AMPAR ve çapa ile dendritik omurganın ayrıntılı görünümü. (D) PSD'ye bağlı ve psd'ye bağlı ve dışta, çapalarla etkileşimleri yoluyla ampaiplerin ticaretinin diyagramı. (E-G) Eğriler, bazal durum için ve LTP ve LTD sırasında her PSD'deki sinaptik AMPA'ların sayısını gösterir. Tek bir omurgada homosinaptik LTP veya LTD indüksiyonu iki diken(E),dört diken(F),ve sekiz diken(G)ile mesh için yakındaki dikenlerde heteroskopetik etki yaratmıştır. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Figure 9
Şekil 9: LTP durumunun temsili sonucu. (A) X ekseni zaman, y ekseni ise PSD1'deki karmaşık anchor_LTP_AMPAR sayısıdır. Simülasyonun başında 200 serbest anchor_LTP serbest bırakıldı. Bazal duruma göre çapalı daha fazla sayıda bağ oluşturulmuştur (Şekil 11) Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görmek için lütfen buraya tıklayınız.

Figure 10
Şekil 10: LTD durumunun temsili sonucu. (A) X ekseni zaman, y ekseni ise PSD1'deki karmaşık anchor_LTD_AMPAR sayısıdır. Simülasyonun başında 200 serbest anchor_LTD serbest bırakıldı. Bazal duruma göre çapalı daha düşük sayıda bağ oluşturulmuştur (Şekil 11). Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Figure 11
Şekil 11: Bazal durum sırasında temsili sonuç. (A) X ekseni zaman, y ekseni ise PSD1'deki karmaşık anchor_AMPAR sayısıdır. Simülasyonun başında 200 serbest çapa serbest bırakıldı. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Ek Dosya 1. Bu dosyayı indirmek için lütfen buraya tıklayınız.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Bu makalede, dendritik dikenler ile dendritik segmentte reaksiyon-difüzyon sinaptik plastisite süreçlerinin modelleştirilmesi için 3D meshes yapımı için bir yöntem sunar. Geliştirilen model birkaç dendritik dikenleri ile dendritik segment içerir. AMPAPER'lerin sinaptik çapalarla lateral difüzyonu ve reaksiyonu bazal dinamiğin simülasyonuna olanak sağlar. Protokoldeki kritik adımlar omurga kafasının üst kısmı(Şekil 1, Şekil 2, Şekil 3), omurga boynunu oluşturmak için ekstrüzyon(Şekil 4),dendrite ve dikenlerin tek bir kafese katılması için küreyi kesiyor (Şekil 5). Bu omurga boyunlar ve dendrite arasında tam bir örtüşme olması önemlidir; aksi takdirde, örgü su geçirmez olmayacaktır. Diğer kritik adımlar membran bölgelerinin seçimi ve yüzey sınıflarının tanımıdır (Şekil 6, Şekil 7). Dosyaları her kritik adım için farklı bir adla kaydedin.

Tek bir omurga oluşturduktan sonra ve omurga ile kombine dendrite oluşturduktan sonra mesh su geçirmez, manifoldu ve dışa bakan normal olduğundan emin olmak için mesh analiz aracını kullanın. Kafes bu çözümlemesi başarısız olursa, kaydedilen son doğru sürüme dönün. Bazı adımlar, yüklenen yazılımın sürümüne, işletim sistemine ve klavye türüne bağlı olarak biraz farklı olabilir.

Bu protokol, nöronal uyarıcı iletim ve sinaptik plastisite için anahtar olan 3D kafesteki AMPAR moleküllerinin(Şekil 8, Şekil 9, Şekil 10 , Şekil 11)ticaretini simüle eder. Figure 10 Bir 3D örgü tek moleküllerin ticareti moleküllerin homojen dağılımları ile iyi karışık hacimlere dayalı mevcut yöntemlere göre bu modelin değerli bir özelliğidir21,22, hangi sinapslarda fizyolojik durum değildir27. Bu tekniğin bir sınırlama yüksek hesaplama maliyeti ve her molekülün kopyaları yüksek sayıda ve aralarında kimyasal reaksiyonlar yüksek sayıda kullanan simülasyonların yavaş hızıdır. Bu kısıtlama her türün kopya sayısını azaltarak aşılabilir.

Gerçekçi bir 3D örgü ve moleküllerin spatiotemporal izleme ile bir sistemin inşası doğrusal olmayan değişkenlerin yüksek sayıda sistemlerin işleyişi hakkında büyük anlayışlar verebilir mekanik senaryoları test etmek için güçlü bir araçtır.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Yazarlar hiçbir rakip mali çıkarları olduğunu beyan.

Acknowledgments

Bu çalışma kısmen Sao Paulo Eyalet Bilim Vakfı (FAPESP) hibe #2015/50122-0 ve IRTG-GRTK 1740/2, IBM/FAPESP hibe #2016/18825-4 ve FAPESP hibe #2018/06504-4 tarafından desteklenmiştir.

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).

Tags

Nörobilim Sayı 159 AMPA reseptör ticareti reaksiyon-difüzyon sinaptik plastisite dendritik dikenler hesaplamalı modelleme uzun süreli potentiation uzun süreli depresyon heterosinaptik plastisite
Sinaptik Plastisite ile Dendritik Dikenlerin 3D Modellemesi
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Antunes, G., Simoes de Souza, F. M.… 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