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Neuroscience

具有突触可塑性树突脊柱的三维建模

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

Summary

该协议开发一个三维(3D)模型的树突状段与树突状脊柱建模突触可塑性。构造网格可用于计算建模的AMPA受体贩运在长期突触可塑性使用的软件程序搅拌机与细胞Blender和MCell。

Abstract

三维(3D)几何体中化学物种的扩散和反应的计算建模是理解突触脊柱突触可塑性机制的基本方法。在此协议中,树突和树突脊柱的详细 3D 结构使用软件搅拌机与 CellBlender 上的网格进行建模。突触和突触外突触区域在网格上定义。接下来,突触受体和突触锚分子用其扩散常数定义。最后,纳入了突触受体与突触锚之间的化学反应,并采用软件MCell对计算模型进行数值解。该方法描述了三维几何结构中每个分子的时空路径。因此,在突触可塑性发生期间,研究突触受体在树突状脊柱的贩运是非常有用的。这种方法的一个局限性是,大量的分子会减慢模拟的速度。使用这种方法对树突状脊柱进行建模,可以研究单脊柱内的同突突起和抑郁,以及相邻树突状脊柱之间的异质突增。

Introduction

突触可塑性与学习和记忆1相关。突触可塑性,如长期增效(LTP)和长期抑郁症(LTD),分别与突触膜2中和外突触膜中插入和去除AMPA受体(AMPAR)相关。AMPAR突触位于称为树突状脊柱3的小体积结构的顶部。每个脊柱在后突触膜中含有一个蛋白质密集区域,称为后突触密度(PSD)。在PSD捕获的突触区域的安培蛋白。单个突触中很少有AMPAR的拷贝,AMPAR与树突状脊柱中其他物种的贩运和反应是一个随机过程2,2,4。在树突状脊柱5,6,7,8,,受体贩运有几个7分门别类模型。然而,在树突及其树突状脊柱的3D结构中,缺乏与突触可塑性相关的AMPAR的贩运的随机计算模型。

计算建模是研究复杂系统动力学基础的有用工具,如突触可塑性,9、10、11、12期间突,10触可塑性在树突脊柱中的反应11,扩散。该模型可用于可视化复杂的场景,改变敏感参数,并在科学条件下进行重要的预测,涉及许多难以或不可能控制实验12、13,的变量。定义计算模型的细节级别是获取有关建模现象的准确信息的基本步骤。理想的计算模型是复杂性和简单性之间的微妙平衡,以捕获自然现象的基本特征,而不会在计算上令人望而却步。过于详细的计算模型的计算成本可能很高。另一方面,细节不详的系统可能缺乏捕捉这一现象动态所必须的基本组成部分。尽管树突脊柱的 3D 建模在计算上比 2D 和 1D 更昂贵,但存在一些条件,例如在具有许多非线性变量在时间和 3D 空间中发生反应和扩散的复杂系统中,对于 3D 级别的建模对于获得有关系统功能的见解至关重要。此外,可以仔细降低复杂性,以保持低维模型的基本特征。

在小体积内少量复制给定物种的随机系统中,系统的平均动力学与大量种群的平均动力学不同。在这种情况下,需要反应扩散粒子的随机计算建模。本文介绍了一种在3D树突脊柱中对几份AMPAR进行随机建模的方法。此方法的目的是开发一个树突状段的三维计算模型与树突状脊柱及其突触建模突触可塑性。

该方法使用软件MCell求解模型,用于构建3D网格的Blender,使用CellBlender创建和可视化MCell模拟,包括3D网格14、15、16,15中的分子的时空反应扩散16。搅拌机是用于创建网格的套件,而 CellBlender 是基本软件 Blender 的附加设备。MCell是一个蒙特卡罗模拟器,用于单个分子17的反应扩散

使用这种方法的原理包括对突触可塑性进行建模,以便更好地了解树突状脊柱14的微观生理环境中的这一现象。特别是,这种方法允许模拟同突电位化,同突增抑郁症,和异质突触可塑性之间的树突状脊柱14。

该方法的特点包括树突及其突触的三维几何结构建模,随机行走扩散,以及突触可塑性分子的化学反应。此方法提供了创建丰富的环境以测试假设和预测具有大量变量的复杂非线性系统功能的优势。此外,该方法不仅可用于研究突触可塑性,还可用于研究三维网格结构中分子的随机反应扩散。

或者,树突结构的3D网格可以直接在搅拌机中从电子显微镜串行重建18中构建。尽管基于串行重建的网格提供 3D 结构,但访问实验数据并非始终可用。因此,如本协议所述,根据基本几何结构改编的网格结构提供了灵活性,可以开发具有树突状脊柱的定制树突状段。

另一种替代计算方法是在,常规卷,,9、10、11、19、20、21、22中对混合反应21进行批量模拟20,10,11919散装模拟在解决单个混合体积23中许多物种的反应方面非常有效,但散装方法在高分辨率3D网格中解决许多混合良好的体素中分子的反应扩散速度非常慢。另一方面,目前采用MCell模拟单个粒子反应扩散的方法在高分辨率3D网格15中有效工作。

在使用此方法之前,应询问所研究的现象是否需要在 3D 网格中采用随机反应扩散方法。如果该现象的至少一个反应物种的拷贝(少于 1,000 个)在复杂的几何结构中扩散,具有小体积隔间(如树突状脊柱),则 3D 网格中反应扩散的随机建模适合应用。

构建包含突触可塑性树突状脊柱的树突状段的 3D 计算模型需要几个步骤。主要步骤是安装用于构建模型的适当软件,构建一个用作创建多个脊柱的模板的单个树突脊柱,以及创建与多个树突脊柱相连的树突段。模拟突触可塑性的步骤包括插入 PSD 区域的锚点和树突状段和树突状脊柱中的 AMPAR。然后,在位于PSD和AMPAR的锚点之间的动力学反应被定义产生复杂的锚-AMPAR物种,在突触区域捕获AMPAR。分别,锚点和突触安培之间的亲和力的增加和减少创造了LTP和LTC的过程。

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Protocol

注:有关本协议中使用的术语表,请参阅补充文件1。

1. 安装搅拌机、电池搅拌机和 MCell

注:此协议需要安装 MCell、搅拌机和细胞搅拌机。

  1. 下载并安装 MCell 主页(https://mcell.org/tutorials_iframe.html)。转到页面顶部的下载,然后按照分步说明下载并在首选环境中(例如 Linux、Mac OSX 或 Windows)安装软件。
    注:本协议中描述的所有计算模型和模拟均在 CellBlender 1.1 捆绑包上进行测试,该捆绑包包括带 MCell 3.4 和 CellBlender 1.1 的 Blender 2.78 和 CellBlender。它也在搅拌机2.79b上工作。所有这些软件程序都是开放访问,不需要重印权限才能使用。模型的构造和模拟说明可能会因版本而异。该协议的部分部分已经改编自捷克等16.

2. 创建单个树突脊柱

注:此过程使用修改后的球体创建具有脊柱头和脊柱颈部的单个树突状脊柱的网格。

  1. 在主面板上设置搅拌机 3D 视图。
    1. 打开已安装 Cellblender 的搅拌机。按键盘上的 5从"透视"更改为正交视图,按1键更改为前视图。透视视图具有深度,但现在不需要这样做。从透视视图更改为正交视图可更好地可视化网格。按Shift+C使光标居中(图 1A)。
  2. 创建脊柱头。
    1. Shift+A 打开网格调色板。选择网格 然后选择 UV 球体。UV 球体是映射到球体的 3D 曲面的网格。UV 球体表示蘑菇树突状脊柱的球形头。软件假定 UV 球体的单位为千分尺。
    2. 更改"添加 UV球体"面板上的参数。将大小更改为0.25,将环更改为 32(图 1B)。按键盘上的 +或 + 分别放大和缩小网格的可视化效果。或者,使用鼠标中的滚动按钮放大和缩小(图1C)。
      注: 参数大小 缩放原始球体的大小, 参数环 定义网格的分辨率。
  3. 使头顶平整。
    1. 选项卡搅拌机对象模式、标准 对象交互模式 切换到"编辑 模式"。编辑模式下 工作以修改现有网格的组件。
    2. 自动选择创建的网格后,按z使网格透明,这有助于可视化要编辑的部分。放大网格。按b可用鼠标选择球体的 3/4 顶部(图 2A)。按删除选择顶点和 输入以删除顶点(图 2B)。
    3. b 并选择顶部。按 e ,s0 ,输入 以在仍选择的顶点中密封顶部。向下移动蓝色箭头以对齐脊柱头的顶部(图2C)。按 z 更改为实心视图(图 3A)。按 7 更改为顶部视图。
      注:球体顶部为平面,以模拟脊柱头部的 PSD 区域。
  4. 要增加脊柱顶部的网格分辨率,请先选择"工具和刀"。在顶部的中心周围用刀切一个圆圈(图3B)。选择"工具和循环切割"和"滑动"。重复此步骤四次,围绕顶部中心创建四个同心圆(图3C)。
    注:同心圆用于添加新体素,以增加 PSD 的分辨率。
  5. 创建脊柱颈部。
    1. a取消选择网格。按1更改为前视图。按z使网格透明。按b然后选择网格的底部(图4A)。按删除和顶点图 4B)。按b并选择网格的底部(图4C)。按ez ,-0.45创建拉伸(图 4D)。
      注:这将在 -0.45 μm 时向 z 轴位置创建拉伸。按 a 取消选择整个网格。
    2. b并选择颈部底部。按e e、s0密封底部(图 4E)。按a选择整个网格。
  6. 使网格与 MCell 兼容。
    1. Crtl+T 对网格进行三角测量。网格将转换为一组相互连接的三角形。这是使网格与 MCell 兼容的必需过程。选择 "工具 " 并删除双倍。使用 "删除双 倍"工具删除具有相同坐标或彼此非常接近的重复顶点(如果有)以使网格与 MCell 兼容。
      注:在网格创建和编辑过程中,可能意外创建了双叠加顶点。
    2. 选择"细胞Blender"面板上的"模型对象"。将活动对象的名称更改为脊椎,然后按+创建对象脊椎。在"细胞Blender"面板,选择"网格分析",然后单击"分析网格"(图4F)。此过程将分析创建的网格的属性,包括顶点、边、面、表面积、体积和网格拓扑的数量。
      注:分析将打印在网格分析面板中的信息,它应该是防水,操纵,和向外的法线。此步骤是必需的,以确保网格将在 MCell 上工作。否则,可能会错过一个步骤。在这种情况下,删除网格,然后再次从步骤 2.1 开始。
    3. z 可可视化脊柱的实心视图。按 "文件" 和"保存"可将磁盘上的脊椎的搅拌机文件的副本放在磁盘上。
      注:网格的尺寸(即长度、直径、大小)以千分尺为单位。有关每个键盘快捷方式的含义,请参阅术语表。

3. 创建具有多个脊柱的树突

  1. 生成如前面第 2.1~2.6 节所述的脊柱。按 a 取消选择脊柱。键入 Shift+C 以居中光标。
  2. 创建树突。按Shift+A打开网格调色板。选择网格,然后选择圆柱体。更改"添加圆柱体"菜单上的参数:半径= 0.3 μm,深度= 2 μmEnter
    注:参数半径和深度根据树突的几何特征定义。
  3. 在树突中插入脊柱。
    1. r类型 90 旋转气缸 90°(图 5A)。使用蓝色箭头将圆柱体向下拖动到脊柱底部。按 键盘上的 3, 获得气缸的前视图。
    2. z使网格透明。使用鼠标向下移动圆柱体蓝色法线箭头,将脊柱底座移动到圆柱体内部(图 5B)。按a
    3. 使用鼠标的右按钮选择树突(图5C)。选择 搅拌面板 上的修改器(图 5D),选择" 添加修改器"。然后选择 "布尔",选择 "操作联合",然后选择 "对象脊椎"。" 应用"可创建树突和脊柱的关节网格(图5E)。此操作将创建一个新网格,将两个网格合并到单个网格中。
      注:新网格将是组合的树突和脊柱。当组合不同的网格时,隔离的树突将消失,但隔离的脊椎网格仍与新网格重叠,并用于生成同一脊柱的多个副本。完成网格后删除所有隔离的脊椎。在脊柱颈部和树突之间完全重叠至关重要,否则,网状网不会防水。
  4. 将树突对象设置为 CellBlender 环境。
    1. a取消选择网格。右键单击树突中与鼠标,以选择树突只。选择"细胞Blender ""模型对象",将活动对象更改为"登迪",然后按 + 以创建"密度"对象。
  5. 在树突中插入新的脊椎。
    1. 1 更改为气缸的侧视图。使用鼠标选择隔离脊柱的网格。要插入更多的脊柱,请按照步骤 3.3 操作,更改位置和角度以插入每个脊柱以获得生理分布。
  6. 使网格与 MCell 兼容。为此,请按"选项卡"转到编辑模式。按a选择整个网格。按Crtl+T对网格进行三角测量。在"搅拌机"面板上选择"工具",然后选择"删除双倍"。
  7. 对网格进行样式化。
    1. 平滑网格。按选项卡可更改为对象模式。在"搅拌机"面板上选择"工具",然后选择"平滑"。选择"单元格Blender""模型对象",然后选择"添加材质"。
    2. 通过选择"对象透明"和"材质透明"使网格透明。将Alpha更改为0.5 并输入以使网格部分透明。按z更改为实体视图。
  8. 确认网格是否仍与 MCell 兼容。为此,请在"CellBlender"面板上选择"网格分析",以确保网格仍然防水、多面网格和朝外正常Mesh Analysis
  9. 搅拌机 文件dendrite_with_spines.blend.

4. 定义曲面区域

注:此过程创建网格的表面区域,稍后将用于设置区域如何与分子相互作用。

  1. 在 Blender dendrite_with_spines打开文件。为此,请选择"文件","打开","dendrite_with_spines.blend""打开搅拌机文件"。
  2. 准备用于定义曲面区域的网格。为此,请按 "选项卡 "以更改为 编辑模式。按 z 更改为透明视图(视口阴影、线框)。按 a 可选择带脊柱的树突的整个网格。选择 模型对象。选择 登狄特。按 t 可隐藏 CellBlender 面板 ,并更好地在主面板中可视化整个网格。
    1. 键盘使用 + 和 + 放大或使用鼠标滚动。这是更好地可视化脊柱顶部以选择和定义曲面区域是必需的。按取消选择对象。按选项卡可更改为"编辑模式"。t再次显示"细胞Blender"面板。
  3. 定义 PSD 曲面区域。为此,请按b并用鼠标选择树突脊柱的顶部(图 6A,6B)。按+定义的曲面区域。将区域名称更改为 PSD1,然后单击"分配"(图 6C)。取消选择对象。
  4. 定义非合成曲面区域。为此,请按b,然后用鼠标选择树突脊柱顶部周围的区域(图 6D)。重复步骤 4.3以Extra_syn1 Extra_syn1对其他脊椎重复步骤 4.3 以定义网格的其他区域(PSD2、PSD3、PSD4、Extra_syn2、Extra_syn3Extra_syn2PSD3PSD4Extra_syn3Extra_syn4Extra_syn4)(图 6F)。取消选择对象。
  5. 定义树突末端的表面区域。为此,请按b并选择树突的左端。将区域名称更改为Left_end单击"分配"。取消选择对象。按b并选择树突的右端(图6E)。将区域名称更改为Right_end单击"分配"。
    注:移动网格以找到选择每个已定义 区域的最佳位置

5. 创建分子

  1. 创建安培。为此,请选择细胞Blender面板上的分子。选择+定义分子上插入新分子,并将名称更改为 AMPAR分子类型更改为表面分子,将扩散常数更改为 0.05e-8 cm2/s14以定义膜中 AMPAR 的扩散常数(图 7A)。
  2. 创建锚点。为此,请选择细胞Blender面板上的分子。选择+已定义分子上插入新分子,并将名称更改为锚定分子类型更改为表面分子将扩散常数更改为 0.001e-8 cm 22/s14以定义膜中锚的扩散常数(图7A)。
  3. 要创建绑定到 AMPAR 的锚点,请在细胞Blender 面板上选择分子。选择+ 在已定义分子上插入新分子。将名称更改为 anchor_AMPAR。分子类型更改为表面分子。将扩散常更改为 0.001e-8 厘米2/s14
  4. 创建anchor_LTPanchor_AMPAR_LTP。.为此,请重复步骤 5.2。命名分子anchor_LTP。重复步骤 5.3。命名分子anchor_AMPAR_LTP。
    注: anchor_LTPAMPAR有很强的亲和力;因此,在突触区域中,AMPAR 增加。
  5. 创建anchor_LTDanchor_AMPAR_LTD。 anchor_LTD若要在一_LTD_LTD,请重复步骤 5.2。命名分子anchor_LTD。重复步骤 5.3。命名分子anchor_AMPAR_LTD。
    注: anchor_LTDAMPAR 的亲和力较低;因此,在突触区域中,AMPAR 减少。

6. 定义曲面类

注:此过程定义具有与曲面区域关联的属性的类。突触外区域反映绑定到 AMPAR 的自由锚点和锚点。树突的横向末端反射所有分子。

  1. 定义非突触区域的属性。
    1. 选项卡可更改为对象模式。选择"细胞Blender"面板上的曲面类。按+上的曲面类定义新的曲面类。
    2. 使突触区域反映与锚点分子结合的 AMPAR。
      注:此过程将捕获 锚点和 与它们绑定的所有内容在突触区域内。
      1. 曲面类名称更改为reflective_extra_syn++ reflective_extra_syn属性将其与分子关联。选择分子|单分子选择anchor_AMPAR。选择方向=忽略选择类型+反射,使区域显示anchor_AMPAR分子。
      2. 对于第 6 步 1.2.1, 重复anchor_AMPAR_LTP 步骤 anchor_AMPAR_LTD
    3. 使突触区域反射 锚点。
      1. ++ reflective_extra_syn属性将其与分子关联。选择分子|单分子选择锚点选择方向=忽略选择类型+反射,使区域反射点分子。
      2. 对于第 6.1.3.1 步anchor_LTP 重复 anchor_LTD
  2. 定义树突端的属性。为此,请按 Surface 类上的 + 来定义新的曲面类。将 曲面类名称 更改为 reflective_ends+ 上的 属性 将其与分子关联。选择 分子 | 所有表面分子 选择 方向 | 忽略 选择 类型 | 反射 ,使其反映所有表面分子。

7. 将创建的类分配给每个曲面区域

注:此步骤将曲面类分配给曲面区域。

  1. 分配树突末端 的属性。
    1. + 以分配具有区域的表面类。选择reflective_ends类名称(图 7C)。为对象名称选择"树突"。区域选择选择指定区域。为区域Left_end选择"区域名称"。
    2. 对第 7 步重复步骤 7.1.1 Right_end(图7D)。
  2. 分配非突触区域的属性。
    1. +以分配具有区域的表面类。为曲面reflective_extra_syn选择"曲面"。对象名称选择"树突"。区域选择选择指定区域。为区域Extra_syn1选择"区域名称"。
    2. 对于第 1 步、第 1步和Extra_syn2步骤Extra_syn3步骤 7.2.1 Extra_syn4。

8. 将分子放在网格上

注:此步骤将AMPAR、锚点AMPAR绑定到网格上的锚点。

  1. 要将AMPAR 分子放置在网格上,请选择"分子放置"细胞Blender 面板上。按+发布/放置网站创建新的发布网站。将站点名称更改为relAMPAR图 7B)。选择分子= AMPAR. 对象/区域=登德铁矿[ALL]-((丹德里特[Left_end] [登德Right_end].释放数量 = 1,000 Quantity to Release
  2. 点分子放在网格上。
    1. 选择细胞Blender面板上的分子放置。按+发布/放置网站创建新的发布网站。将网站名称更改为rel_anchor_PSD1选择分子锚点.对象/区域 =登狄特 [PSD1]. 释放数量= 200
    2. PSD2、PSD3和PSD4重复步骤8.2.1。 PSD4
  3. anchor_LTP分子放在网格上。为此,请选择"分子放置"面板上的"分子放置"。+发布/放置网站创建新的发布网站。将网站名称更改为rel_anchor_LTP_PSD1选择分子 = anchor_LTP. 对象/区域=登狄特 [PSD1]. 数量释放= 0
    :anchor_LTP 安培具有高绑定相关性 的锚点。
  4. anchor_LTD分子放在网格上,为网格重复步骤8.3anchor_LTD。 anchor_LTD.
    注: anchor_LTD 安培的锚点具有低 绑定相关性。

9. 创造化学反应

  1. 在锚anchor安培之间创建反应。
    1. 选择反应图 7D) 以创建反应.按+包括新的反应反应物=锚点 = AMPAR '. 反应类型= <->.这定义了双向反应。产品= anchor_AMPAR. 远期汇率= 0.03. 后退率= 0.05.
  2. 创建用户和ANCHOR_LTP的反应。为此,请重复步骤 9.1,将锚点替换为 anchor_LTP,并使用"后退速率= 0.005"来增加反应物之间的亲和力
  3. 创建用户和 ANCHOR_LTD之间的反应并保存文件。为此,请重复步骤 9.2,将锚点替换为 anchor_LTD,并使用"后退速率= 0.5"来减小反应物之间的相关性。然后保存文件。

10. 绘制模型的输出

  1. 基础条件期间,在 PSD1 下绘制绑定到 AMPAR的锚点。为此,请选择"绘制输出设置"。按 +定义分子。选择anchor_AMPAR上的"分子"。对象上选择。在区域上选择 PSD1Region对所有 PSD 区域重复步骤 10.1。
    注: 观察每个树突脊柱的 PSD 的 受困 AMPA 的基底数是很有用的。与 LTP 和 LTD 期间的基础条件相比 ,绑定到 AMPAR 的锚点数可能会增加或减少。
  2. 在 LTP 期间,在PSD1 上绘制绑定到 AMPAR的锚点。 AMPARs通过重复步骤 10.1 来做到这一点。将anchor_AMPAR替换anchor_AMPAR_LTP,然后在 LTD 期间在 PSD1 上AMPARs绘制绑定到 AMPAR的锚点,最后重复步骤 10.1,但将anchor_AMPAR_LTP替换为anchor_AMPAR_LTD

11. 运行模拟

  1. 要运行基础条件,请选择"运行模拟"。选择迭代 = 30,000设置时间步进 = 1e-3 s。按"导出和运行"。等待模拟结束。可能需要几分钟到几个小时。
    注:在基底条件下,没有释放anchor_LTPrel_anchor_LTD分子anchor_LTP关于模拟的参数,迭代次数需要足够长,以便能够观察安培从树突的扩散及其在PSD的锚定。小时间步数更精确,但完成模拟的速度较慢。
  2. 选择 重新加载可视化数据。选择 播放 动画以可视化时空结果(图8)。选择 "绘制输出设置"。绘图
    注:CellBlender 生成的 图形是 所选化学物种的隔离时间序列。第三方程序可用于导入从多个模拟中保存的数据,以创建多个条件的叠加绘图(例如,基底、LTP、LTD;参见 图 8)。
  3. 运行同性突强条件(即LTP;参见图8)。为此,请选择"分子放置"面板上的"分子放置"。rel_anchor_LTP_PSD1/放置网站上选择"其他"选项
  4. 数量更改为释放= 200rel_anchor_LTD_PSD1/放置网站上选择"其他"选项。将数量更改为释放= 0rel_anchor _PSD1/放置网站上选择"其他"选项。将数量更改为释放= 0重复步骤 11.1=11.2。
  5. 运行同性抑郁症(即,LTD;参见图8)。为此,释放Release200 rel_anchor_LTD_PSD1而不是rel_ANCHOR_LTP_PSD1rel_anchorrel_anchor_LTP_PSD1设置为零 rel_anchor_LTP_PSD1重复步骤 11.1=11.2。

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Representative Results

这些结果提供了构建 3D 网格的步骤,该网格模拟具有脊柱头和脊柱颈部的树突状脊柱(图 1 到图 4)。此外,多个树突状脊柱可以插入单个树突状段(图5),以研究AMPARs14的异质突增。脊柱头顶部的 PSD(图 6)是突触锚点与 AMPAR 结合并暂时捕获突触的位置(图 7,图 8)。

突触可塑性可以通过每个脊柱上anchor_AMPAR、anchor_AMPAR_LTPanchor_AMPAR_LTD的数量变化来大致验证。为了精确计算突触可塑性的发生,建议计算突触中锚定和自由安培的总数的变化。这可以使用第三方程序打开保存的模拟数据,以汇总每个 PSD 上可用 AMPAR 和锚定 AMPA 的时间序列(图 8)。

在网格上释放的安培允许通过沿着树突和树突状脊柱随机行走来观察其扩散。修改安培的亲和力的因素,如后翻译修饰和内分泌和外细胞病率的改变,可以捕获PSD24、25、26,25,26的AMPAR。AMPAR 与位于 PSD 的锚点结合,将安培的安培在突触上捕获高密度的 AMPAR。与基底条件相比,通过锚点亲和力变化引起的锚定培数量增加和减少,可以分别验证同源电位(图9)和凹陷(图10)。Figure 11降低安培与锚的亲和力的因素从一个树突状脊柱(即同性分析抑郁症)中释放多个培,并在相邻脊柱上诱导异质突减。此外,增加一个脊柱锚的培的亲和力的因素诱导同性突触在该脊柱和异质突触抑郁症在相邻的脊柱14。这样,异异突增塑性被观察到在给定脊柱诱导的同性突增可塑性相邻脊柱的相反效果。例如,单一脊柱的同合成LTP诱导在相邻脊柱上产生了异质突触LTC效应(图8E,F,G)。Figure 8EFG

Figure 1
图1:使用球形网格创建树突状脊柱头。A) 添加 UV 球体。(B) 设置球体尺寸。(C) 观察创建的球体。 请单击此处查看此图的较大版本。

Figure 2
图2:顶部区域的构造。A) 选择球体的顶部区域。(B) 移除所选区域使其平坦。(C) 密封平顶. 请单击此处查看此图的较大版本。

Figure 3
图 3:在脊柱顶部创建同心区域。A) 可视化顶部。(B) 用刀定义同心区域。(C) 创建多个同心区域。 请单击此处查看此图的较大版本。

Figure 4
图4:创建树突状脊柱颈部。A) 选择修改后的球体的底部。(B) 删除选定的顶点。(C) 选择底部。(D) 底部挤压以创建脊柱颈部。(E) 密封脊柱颈部底部.(F) 分析创建的脊椎。 请单击此处查看此图的较大版本。

Figure 5
图 5:创建具有多个脊柱的树突。A) 使用圆柱形网格创建树突。(B) 将树突脊柱与圆柱体对齐。(C) 将气缸与脊柱连接。(D) 连接网格的布尔操作。(E) 新的组合网格.(F) 添加第二个脊柱.(G) 添加第三个脊柱。(H) 添加第四个脊柱. 请单击此处查看此图的较大版本。

Figure 6
图6:定义PSD区域和近位区。A) 选择 PSD 区域。(B) 已创建的PSD的详细视图。(C) 定义 PSD 曲面区域。(D) 选择并定义 PSD 周围的四位一星区。(E) 选择和定义树突的横向表面。(F) 定义的曲面区域。 请单击此处查看此图的较大版本。

Figure 7
图7:定义表面分子。A) 定义 AMPAR、锚点和 AMPAR 绑定到锚点。(B) 定义 AMPAR 副本的位置和数量。(C) 定义曲面类。(D) 分配曲面类。(E) 产生分子之间的化学反应. 请单击此处查看此图的较大版本。

Figure 8
图8:突触可塑性具有代表性的结果。A) 树突状段的不同网格,有两个、四个或八个脊柱。(B) 具有八个脊柱的树突段的不同视图。(C) 在 PSD 上具有 AMPAR 和锚的树突脊柱的详细视图。(D) 通过与锚点的互动,贩运安帕阿尔人进入和离开私营部门司的图表。(E-G)曲线显示基础条件的每个 PSD 以及 LTP 和 LTD 期间的突触 AMPAR 数。单脊柱上同性突触LTP或LTD的诱导在附近的脊柱上为网状体中产生了异质突触效应,包括两个脊柱(E)、四个脊柱(F)和八个脊柱(G)。请单击此处查看此图的较大版本。

Figure 9
图 9:LTP 条件的代表结果。A) x 轴是时间,y 轴是 PSD1 anchor_LTP_AMPAR数。在模拟开始时,有 200 个anchor_LTP免费版本。与基底条件相比,形成了更多的锚的键(图11)请点击这里查看这个数字的较大版本。

Figure 10
图 10:LTD 条件的代表结果。A) x 轴是时间,y 轴是 PSD1 anchor_LTD_AMPAR数。在模拟开始时,有 200 个anchor_LTD免费测试。与基底条件相比,形成具有锚的键数较低(图11)。请单击此处查看此图的较大版本。

Figure 11
图11:基础条件期间的代表性结果。A) x 轴是时间,y 轴是 PSD1 anchor_AMPAR数。在模拟开始时,释放了200个自由锚点。 请单击此处查看此图的较大版本。

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Discussion

本文提出了一种构建3D网格的方法,用于在树突状脊柱的树突状段中对反应-扩散突触可塑性过程进行建模。开发的模型包含一个树突状段,很少树突状脊柱。带突触锚的 AMPAR 的横向扩散和反应允许模拟基础动力学。协议中的关键步骤是切割球体以创建脊柱头的顶部(图1,图2,图3),创建脊柱颈部的挤出(图4),以及将树突和脊柱连接成一个网格(图5)。脊柱颈部和树突之间完全重叠至关重要;否则,网格将不防水。其他关键步骤是膜区域的选择和表面类的定义(图6,7)。用不同的名称保存每个关键步骤的文件。

使用 网格分析 工具,确保网格在创建单个脊柱后和创建与脊柱的组合树突后,是防水、多面和向外正常的。如果网格未通过此分析,请返回到上次保存的正确版本。某些步骤可能略有不同,具体取决于安装的软件版本、操作系统和键盘类型。

该协议模拟了3D网格中 AMPAR 分子的贩运(图 8,图 9,图 10,图 11),这是神经元兴奋性传输和突触可塑性的关键。在3D网格中贩运单个分子是该模型的一个有价值的特征,它基于混合体积良好,分子21,22匀分布这不是突触27的生理条件。这种技术的一个局限性是高计算成本和缓慢的模拟速度,使用每个分子的大量拷贝和它们之间的大量化学反应。可以通过减少每个物种的拷贝数量来克服这种限制。

构建具有逼真的 3D 网格和分子的时空跟踪系统是测试机械场景的有力工具,可以提供有关具有大量非线性变量的系统功能的深入见解。

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Disclosures

提交人宣称他们没有相互竞争的经济利益。

Acknowledgments

这项工作得到了圣保罗州科学基金会#2015/50122-0和IRTG-GRTK 1740/2赠款的一部分支持,IBM/FAPESP赠款#2016/18825-4和FAPESP赠款#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/

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Tags

神经科学, 问题 159, AMPA 受体贩运, 反应扩散, 突触可塑性, 突触脊柱, 计算建模, 长期电位, 长期抑郁症, 异质突触可塑性
具有突触可塑性树突脊柱的三维建模
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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).

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