Waiting
Login processing...

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

Neuroscience

सिनैप्टिक प्लास्टिसिटी के साथ डेंड्रिटिक कताई की 3डी मॉडलिंग

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

Summary

प्रोटोकॉल सिनैप्टिक प्लास्टिसिटी मॉडलिंग के लिए डेंड्रिटिक कताई के साथ एक डेंड्रिटिक सेगमेंट का एक त्रि-आयामी (3 डी) मॉडल विकसित करता है। निर्मित जाल का उपयोग सेलब्लेंडर और एमसेल के साथ सॉफ्टवेयर प्रोग्राम ब्लेंडर का उपयोग करके दीर्घकालिक सिनैप्टिक प्लास्टिसिटी में एम्पा रिसेप्टर तस्करी के कम्प्यूटेशनल मॉडलिंग के लिए किया जा सकता है।

Abstract

एक त्रि-आयामी (3 डी) ज्यामिति में रासायनिक प्रजातियों के प्रसार और प्रतिक्रिया का कम्प्यूटेशनल मॉडलिंग डेंड्रिटिक कताई में सिनैप्टिक प्लास्टिसिटी के तंत्र को समझने के लिए एक मौलिक तरीका है। इस प्रोटोकॉल में, डेंड्राइट्स और डेंड्रिटिक कताई की विस्तृत 3डी संरचना सेलब्लेंडर के साथ सॉफ्टवेयर ब्लेंडर पर meshes के साथ मॉडलिंग की गई है। सिनैप्टिक और एक्स्ट्रासाइनैप्टिक क्षेत्रों को जाल पर परिभाषित किया गया है। इसके बाद, सिनैप्टिक रिसेप्टर और सिनैप्टिक एंकर अणुओं को उनके प्रसार स्थिरांक के साथ परिभाषित किया जाता है। अंत में, सिनैप्टिक रिसेप्टर्स और सिनैप्टिक एंकर के बीच रासायनिक प्रतिक्रियाओं को शामिल किया जाता है और कंप्यूटेशनल मॉडल को सॉफ्टवेयर एमसेल के साथ संख्यात्मक रूप से हल किया जाता है। यह विधि 3 डी ज्यामितीय संरचना में हर एक अणु के स्थानिक पथ का वर्णन करती है। इस प्रकार, सिनैप्टिक प्लास्टिसिटी की घटना के दौरान डेंड्रिटिक कताई में और बाहर सिनैप्टिक रिसेप्टर्स की तस्करी का अध्ययन करना बहुत उपयोगी है। इस विधि की एक सीमा यह है कि अणुओं की उच्च संख्या सिमुलेशन की गति को धीमा कर देती है। इस विधि के साथ डेंड्रिटिक कताई का मॉडलिंग पड़ोसी डेंड्रिटिक कताई के बीच एकल कताई और विषमता प्लास्टिसिटी के भीतर होमोसाइनैप्टिक शक्तिशाली और अवसाद के अध्ययन की अनुमति देता है।

Introduction

सिनैप्टिक प्लास्टिसिटी सीखने और स्मृति1के साथ जुड़ा हुआ है । सिनैप्टिक प्लास्टिसिटी, जैसे दीर्घकालिक शक्तिशाली (एलटीपी) और दीर्घकालिक अवसाद (लिमिटेड), क्रमशः सिनैप्टिक झिल्ली2में और बाहर एम्पा रिसेप्टर्स (AMPARs) के सम्मिलन और हटाने के साथ जुड़ा हुआ है। एम्पार सिनेप्स छोटी मात्रा संरचनाओं के शीर्ष पर स्थित हैं जिन्हें डेंड्रिटिकस्पाइन्स 3कहा जाता है। प्रत्येक रीढ़ में पोस्टसिनैप्टिक झिल्ली में एक प्रोटीन घने क्षेत्र होता है जिसे पोस्टसिनैप्टिक घनत्व (पीएसडी) कहा जाता है। सिनैप्टिक क्षेत्र में पीएसडी ट्रैप एम्पार्स में एंकर प्रोटीन। एक ही सिनेप्स के भीतर एम्पार्स की कुछ प्रतियां हैं और डेंड्रिटिक कताई में अन्य प्रजातियों के साथ एम्पार्स की तस्करी और प्रतिक्रिया एक स्टोचस्टिक प्रक्रिया2,4है। डेंड्रिटिक कताई 5 ,6,,7,,8में सिनैप्टिक रिसेप्टर तस्करी के कई कंपार्टमेंटल मॉडल हैं ।5 हालांकि, डेंड्राइट्स और उनके डेंड्रिटिक कताई की 3डी संरचनाओं में सिनैप्टिक प्लास्टिसिटी से जुड़े एम्पार्स के अवैध व्यापार के स्टोचस्टिक कंप्यूटेशनल मॉडल की कमी है।

कम्प्यूटेशनल मॉडलिंग जटिल प्रणालियों की गतिशीलता जैसे सिनैप्टिक प्लास्टिसिटी 9 ,10 , 11,11,,12की घटना केदौरानडेंड्रिक कताई में एम्पार्स की प्रतिक्रिया-प्रसार जैसे तंत्रों की जांच करने के लिए एक उपयोगी उपकरण है। मॉडल का उपयोग जटिल परिदृश्यों की कल्पना करने, संवेदनशील मापदंडों को अलग करने और वैज्ञानिक परिस्थितियों में महत्वपूर्ण भविष्यवाणियां करने के लिए किया जा सकता है जिसमें कई चर शामिल हैं जो प्रयोगात्मक12, 13,13को नियंत्रित करने के लिए कठिन या असंभव हैं। एक कम्प्यूटेशनल मॉडल के विस्तार के स्तर को परिभाषित मॉडलिंग घटना के बारे में सटीक जानकारी प्राप्त करने में एक बुनियादी कदम है । एक आदर्श कम्प्यूटेशनल मॉडल जटिलता और सादगी के बीच एक नाजुक संतुलन के लिए कंप्यूटेशनल निषेधात्मक जा रहा है बिना प्राकृतिक घटना की आवश्यक विशेषताओं पर कब्जा है । कम्प्यूटेशनल मॉडल जो बहुत विस्तृत हैं, गणना करने के लिए महंगा हो सकता है। दूसरी ओर, सिस्टम है कि खराब विस्तृत कर रहे है मौलिक घटकों है कि घटना की गतिशीलता पर कब्जा करने के लिए आवश्यक है कमी कर सकते हैं । यद्यपि डेंड्रिटिक कताई का 3डी मॉडलिंग गणना रूप से 2D और 1D की तुलना में अधिक महंगा है, लेकिन ऐसी स्थितियां हैं, जैसे कि जटिल प्रणालियों में कई नॉनलाइनर वेरिएबल्स के साथ समय और 3 डी स्थान में प्रतिक्रिया और फैलाना, जिसके लिए सिस्टम के कामकाज के बारे में अंतर्दृष्टि प्राप्त करने के लिए 3 डी स्तर पर मॉडलिंग आवश्यक है। इसके अलावा, कम आयामी मॉडल की आवश्यक विशेषताओं को संरक्षित करने के लिए जटिलता को सावधानीपूर्वक कम किया जा सकता है।

एक छोटी मात्रा के भीतर किसी दी गई प्रजातियों की कुछ प्रतियों के साथ एक स्टोचस्टिक प्रणाली में, सिस्टम की औसत गतिशीलता एक बड़ी आबादी की औसत गतिशीलता से भटक जाती है। इस मामले में, रिएक्शन-डिफ्यूजिंग कणों की स्टोचस्टिक कम्प्यूटेशनल मॉडलिंग की आवश्यकता होती है। यह काम 3 डी डेंड्रिटिक कताई में एम्पार्स की कुछ प्रतियों के स्टोचस्टिक मॉडलिंग रिएक्शन-प्रसार के लिए एक विधि का परिचय देता है। इस विधि का उद्देश्य सिनैप्टिक प्लास्टिसिटी मॉडलिंग के लिए डेंड्रिटिक कताई और उनके सिनेप्स के साथ एक डेंड्रिटिक सेगमेंट का 3 डी कम्प्यूटेशनल मॉडल विकसित करना है।

विधि 3 डी meshes के निर्माण के लिए मॉडल संख्यात्मक रूप से, ब्लेंडर और सेलब्लेंडर को हल करने के लिए सॉफ्टवेयर एमसेल का उपयोग करती है, जिसमें 3 डी,मेश14, 15,,16में अणुओं की स्थानिक प्रतिक्रिया-प्रसार शामिल है।16 ब्लेंडर मेश के निर्माण के लिए एक सूट है और सेलब्लेंडर बेस सॉफ्टवेयर ब्लेंडर के लिए एक ऐड-ऑन है। एमसेल एकल अणुओं17की प्रतिक्रिया-प्रसार के लिए एक मोंटे कार्लो सिम्युलेटर है।

इस विधि के उपयोग के पीछे तर्क में14के माइक्रोफिजियोलॉजिकल वातावरण में इस घटना की बेहतर समझ प्राप्त करने के लिए मॉडलिंग सिनैप्टिक प्लास्टिसिटी शामिल है। विशेष रूप से, यह विधि होमोसाइनैप्टिक शक्तिशाली, होमोसाइनैप्टिक अवसाद, और डेंड्रिटिक कताई14के बीच हेट्रोसाइनैप्टिक प्लास्टिसिटी के अनुकरण की अनुमति देती है।

इस विधि की विशेषताओं में डेन्ड्राइट और इसके सिनेप्स की 3डी ज्यामितीय संरचना, यादृच्छिक चलने से प्रसार, और सिनैप्टिक प्लास्टिसिटी से जुड़े अणुओं की रासायनिक प्रतिक्रियाओं को मॉडलिंग करना शामिल है। यह विधि परिकल्पनाओं का परीक्षण करने और बड़ी संख्या में चर के साथ एक जटिल नॉनलाइनर सिस्टम के कामकाज के बारे में भविष्यवाणी करने के लिए समृद्ध वातावरण बनाने का लाभ प्रदान करती है। इसके अलावा, इस विधि को न केवल सिनैप्टिक प्लास्टिसिटी का अध्ययन करने के लिए बल्कि सामान्य रूप से 3 डी जाल संरचनाओं में अणुओं के स्टोचस्टिक प्रतिक्रिया-प्रसार का अध्ययन करने के लिए भी लागू किया जा सकता है।

वैकल्पिक रूप से, डेन्ड्रिटिक संरचनाओं के 3 डी मेश का निर्माण सीधे इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप सीरियल पुनर्निर्माण18से ब्लेंडर में किया जा सकता है। हालांकि धारावाहिक पुनर्निर्माण पर आधारित meshes 3 डी संरचनाएं प्रदान करते हैं, प्रयोगात्मक डेटा तक पहुंच हमेशा उपलब्ध नहीं होती है। इस प्रकार, वर्तमान प्रोटोकॉल में वर्णित बुनियादी ज्यामितीय संरचनाओं से अनुकूलित मेशेस का निर्माण, डेंड्रिटिक कताई के साथ अनुकूलित डेंड्रिटिक सेगमेंट विकसित करने के लिए लचीलापन प्रदान करता है।

एक अन्य वैकल्पिक कम्प्यूटेशनल विधि नियमित मात्रा 9 , 10 , 11 ,19,,20,,,21,,22में अच्छीतरहसे मिश्रित प्रतिक्रियाओं का थोक अनुकरण19है। थोक सिमुलेशन एक अच्छी तरह से मिश्रित मात्रा23के भीतर कई प्रजातियों की प्रतिक्रियाओं को हल करने में बहुत कुशल हैं, लेकिन थोक दृष्टिकोण एक उच्च संकल्प 3 डी जाल में कई अच्छी तरह से मिश्रित स्वर के भीतर अणुओं की प्रतिक्रिया-प्रसार को हल करने के लिए बेहद धीमा है। दूसरी ओर, व्यक्तिगत कणों की प्रतिक्रिया-प्रसार के एमसेल सिमुलेशन का उपयोग करके वर्तमान विधि उच्च-रिज़ॉल्यूशन 3 डी मेश15में कुशलतापूर्वक काम करती है।

इस विधि का उपयोग करने से पहले, किसी को यह पूछना चाहिए कि क्या अध्ययन की गई घटना के लिए 3 डी जाल में एक स्टोचस्टिक प्रतिक्रिया-प्रसार दृष्टिकोण की आवश्यकता होती है। यदि घटना में कम से कम प्रतिक्रिया करने वाली प्रजातियों में से कम से कम एक प्रतिक्रिया प्रजातियों में से कम से कम एक है, जैसे कि डेंड्रिटिक कताई जैसे छोटे मात्रा के डिब्बों के साथ, तो 3 डी मेश में प्रतिक्रिया-प्रसार की स्टोचस्टिक मॉडलिंग आवेदन के लिए उपयुक्त है।

सिनैप्टिक प्लास्टिसिटी के साथ डेंड्रिटिक कताई युक्त एक डेंड्रिटिक सेगमेंट के 3 डी कम्प्यूटेशनल मॉडल का निर्माण करने के लिए कई कदम आवश्यक हैं। मुख्य चरण मॉडल के निर्माण के लिए उचित सॉफ्टवेयर की स्थापना, कई कताई बनाने के लिए एक टेम्पलेट के रूप में उपयोग की जाने वाली एकल डेंड्रिटिक रीढ़ का निर्माण और एक डेंड्रिटिक सेगमेंट का निर्माण है जो कई डेंड्रिटिक कताई से जुड़ा हुआ है। सिनैप्टिक प्लास्टिसिटी मॉडलिंग के लिए कदम PSD क्षेत्र और dendritic खंड और dendritic कताई में AMPARs में लंगर डालने के होते हैं । फिर, पीएसडी और एम्पार्स में स्थित एंकर के बीच गतिज प्रतिक्रियाओं को जटिल लंगर-एम्पार प्रजातियों का उत्पादन करने के लिए परिभाषित किया जाता है जो सिनैप्टिक क्षेत्र में एम्पार्स को फंसाते हैं। क्रमशः, एंकर और सिनैप्टिक एम्पार्स के बीच आत्मीयता में वृद्धि और कमी एलटीपी और लिमिटेड की प्रक्रिया बनाती है।

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

नोट: कृपया इस प्रोटोकॉल में उपयोग की जाने वाली शर्तों के शब्दावली के लिए अनुपूरक फ़ाइल 1 देखें।

1. ब्लेंडर, सेलब्लेंडर और एमसेल स्थापित करें

नोट: इस प्रोटोकॉल के लिए एमसेल, ब्लेंडर और सेल ब्लेंडर की स्थापना की आवश्यकता होती है।

  1. MCell होमपेज (https://mcell.org/tutorials_iframe.html) पर सॉफ्टवेयर डाउनलोड करें और इंस्टॉल करें। पृष्ठ के शीर्ष पर डाउनलोड करने के लिए जाओ और फिर पसंद के वातावरण में सॉफ्टवेयर डाउनलोड करने और स्थापित करने के लिए कदम-दर-कदम निर्देशों का पालन करें (उदाहरण के लिए, लिनक्स, मैक ओएसएक्स, या विंडोज)।
    नोट: इस प्रोटोकॉल में वर्णित सभी कम्प्यूटेशनल मॉडल और सिमुलेशन का परीक्षण सेलब्लेंडर 1.1 बंडल पर किया गया था जिसमें एमसेल 3.4 और सेलब्लेंडर 1.1 के साथ ब्लेंडर 2.78 शामिल हैं। यह ब्लेंडर 2.79 b पर भी काम किया। इन सभी सॉफ्टवेयर प्रोग्राम खुली पहुंच रहे हैं और पुनर्मुद्रण अनुमति की आवश्यकता नहीं है इस्तेमाल किया जाएगा। मॉडल के निर्माण और सिमुलेशन के निर्देश एक संस्करण से दूसरे संस्करण में थोड़ा बदल सकते हैं। इस प्रोटोकॉल के कुछ हिस्सों को चेक एट अलअलसे अनुकूलित किया गया है ।

2. एक एकल डेंड्रिटिक रीढ़ बनाएं

नोट: यह प्रक्रिया एक संशोधित क्षेत्र का उपयोग कर रीढ़ के सिर और एक रीढ़ की गर्दन के साथ एक एकल डेंड्रिटिक रीढ़ की एक जाल बनाता है ।

  1. मुख्य पैनल में ब्लेंडर 3डी व्यू सेट करें।
    1. सेलब्लेंडर के साथ ओपन ब्लेंडर पहले से ही स्थापित है। परिप्रेक्ष्य से ऑर्थोगोनल व्यू में बदलने के लिए कीपैड पर 5 दबाएं और फ्रंट व्यू में बदलने के लिए 1 दबाएं। परिप्रेक्ष्य देखने में गहराई है, लेकिन अब इसकी जरूरत नहीं है । परिप्रेक्ष्य से ऑर्थोगोनल व्यू में बदलने से जाल के बेहतर दृश्य की अनुमति देता है। कर्सर(चित्रा 1A)केंद्र के लिए प्रेस शिफ्ट + सी
  2. रीढ़ सिर बनाएं।
    1. जाल पैलेट खोलने के लिए शिफ्ट + ए दबाएँ। मेष का चयन करें और फिर यूवी क्षेत्रका चयन करें । एक यूवी क्षेत्र एक क्षेत्र की 3 डी सतह पर मैप किया गया एक जाल है। यूवी क्षेत्र मशरूम डेंड्रिटिक रीढ़ की हड्डी के गोलाकार सिर का प्रतिनिधित्व करता है। सॉफ्टवेयर मान लिया गया है कि यूवी क्षेत्र की इकाइयां माइक्रोमीटर हैं।
    2. ऐड यूवी गोला पैनल पर पैरामीटर बदलें। आकार को 0.25 और छल्ले को 32 (चित्रा 1B) में बदलें। प्रेस + या - कीपैड पर क्रमशः ज़ूम इन करने और जाल के दृश्य से बाहर ज़ूम करें। वैकल्पिक रूप से, माउस में स्क्रॉल बटन का उपयोग ज़ूम इन और आउट(चित्रा 1C)के लिए करें।
      नोट: पैरामीटर आकार मूल क्षेत्र के आकार को तराजू और पैरामीटर के छल्ले जाल के संकल्प को परिभाषित करते हैं।
  3. सिर के ऊपर का हिस्सा फ्लैट बना लें।
    1. ऑब्जेक्ट मोड, मानक ऑब्जेक्ट इंटरैक्शन मोडसे ब्लेंडर को एडिटमोड में स्विच करने के लिए प्रेस टैब। मौजूदा जाल के घटकों को संशोधित करने के लिए एडिट मोड में काम करें।
    2. एक बार बनाया जाल स्वचालित रूप से चुना गया है, बनाया जाल का चयन करने के लिए एक प्रेस । जाल को पारदर्शी बनाने के लिए जेड दबाए रखें, जो संपादित किए जाने वाले हिस्सों की कल्पना करने में मदद करता है। जाल पर ज़ूम इन करें। प्रेस बी माउस(चित्रा 2A)के साथ क्षेत्र के शीर्ष 3/4 का चयन करने के लिए । प्रेस डिलीटकरें, वेर्टिक्सका चयन करें, और वेर्टिक्स(चित्रा 2B)को हटाने के लिए दर्ज करें।
    3. बी दबाकर शीर्ष का चयन करें। प्रेस ई, एस, 0,और अभी भी चयनित vertices के साथ शीर्ष सील करने के लिए दर्ज करें। रीढ़ के सिर(चित्रा 2C)के शीर्ष पर संरेखित करने के लिए नीले तीर को नीचे ले जाएं। ठोस दृश्य(चित्रा 3A)को बदलने के लिए जेड दबाएं। शीर्ष दृश्य में बदलने के लिए 7 दबाएं।
      नोट: क्षेत्र के शीर्ष रीढ़ सिर के PSD क्षेत्र मॉडल के लिए फ्लैट बनाया गया है ।
  4. रीढ़ की हड्डी के शीर्ष पर जाल संकल्प को बढ़ाने के लिए पहले उपकरण और चाकूका चयन करें । शीर्ष(चित्रा 3B)के केंद्र के चारों ओर चाकू के साथ एक सर्कल काटें। उपकरण और लूप कट और स्लाइडका चयन करें । शीर्ष(चित्रा 3C)के केंद्र के चारों ओर चार गाढ़ा हलकों बनाने के लिए इस चरण को चार बार दोहराएं।
    नोट: गाढ़ा हलकों का उपयोग नए स्वरों को जोड़ने के लिए किया जाता है जो पीएसडी के संकल्प को बढ़ा एंगे।
  5. रीढ़ की गर्दन बनाएं।
    1. जाल को कम करने के लिए एक दबादें। सामने देखने के लिए बदलने के लिए 1 दबाएं। जाल को पारदर्शी बनाने के लिए जेड दबाें। बी प्रेस और फिर जाल के नीचे का चयन करें(चित्रा 4A)। प्रेस डिलीट और वर्टिक्स (चित्रा 4B)। बी दबाएं और जाल के नीचे का चयन करें(चित्रा 4C)। एक एक्सट्रूज़न (चित्रा 4D) बनाने के लिए और जेड, -0.45 दबाएं।
      नोट: यह -0.45 माइक्रोन पर जेड एक्सिस स्थिति के लिए एक निष्कासन बनाता है। पूरे जाल को कम करने के लिए एक दबाएँ।
    2. बी दबाएं और गर्दन के नीचे का चयन करें। नीचे(चित्रा 4E)को सील करने के लिए ई, एसऔर 0 दबाएं। पूरी जाल का चयन करने के लिए एक दबा।
  6. एमसेल के साथ जाल को संगत बनाएं।
    1. जाल को त्रिभुज करने के लिए सीआरटीएल + टी दबाएं। जाल परस्पर त्रिकोण के एक सेट में तब्दील हो जाता है। यह एमसेल के साथ जाल को संगत बनाने के लिए एक आवश्यक प्रक्रिया है। उपकरण का चयन करें और डबल्स निकालें। डुप्लिकेट वर्टिक्स को हटाने के लिए डबल्स टूल का उपयोग करें, यदि कोई हो, जो एक ही निर्देशांक है या एमसेल के साथ जाल को संगत बनाने के लिए एक दूसरे के बहुत करीब हैं।
      नोट: हो सकता है कि जाल निर्माण और संपादन की प्रक्रिया के दौरान डबल अधिस्थान वर्टिक्स गलती से बनाया गया हो।
    2. सेलब्लेंडर पैनलपर मॉडल ऑब्जेक्ट्स का चयन करें। एक्टिव ऑब्जेक्ट का नाम बदलकर रीढ़ की हड्डी में डालकर ऑब्जेक्ट स्पाइन बनाने के लिए + दबाएं। सेलब्लेंडर पैनलपर, मेष विश्लेषण का चयन करें और फिर विश्लेषण मेष (चित्रा 4F)पर क्लिक करें। यह प्रक्रिया बनाए गए जाल के गुणों का विश्लेषण करेगी, जिसमें वर्टिस, किनारों, चेहरों, सतह क्षेत्र, मात्रा और जाल टोपोलॉजी की संख्या शामिल है।
      नोट: विश्लेषण मेष विश्लेषण पैनल में जानकारी मुद्रित करेगा और यह निर्विवाद, कई गुना,और जावक का सामना करना पड़ सामान्यहोना चाहिए । यह सुनिश्चित करने के लिए इस कदम की आवश्यकता है कि जाल एमसेल पर काम करेगा। अन्यथा, एक कदम शायद याद किया गया था । इस मामले में, जाल को हटा दें और फिर से चरण 2.1 से शुरू करें।
    3. रीढ़ की हड्डी के ठोस दृश्य की कल्पना करने के लिए जेड दबाएँ। फ़ाइल दबाएं और डिस्क पर रीढ़ की हड्डी के साथ अपने ब्लेंडर फ़ाइल की एक प्रति है बचाने के लिए।
      नोट: मेश के आयाम (यानी लंबाई, व्यास, आकार) माइक्रोमीटर में होते हैं। प्रत्येक कीबोर्ड शॉर्टकट के अर्थ के लिए शब्दावली देखें।

3. कई कताई के साथ एक डेंड्राइट बनाना

  1. 2.1-2.6 वर्गों में पहले वर्णित रीढ़ की हड्डी उत्पन्न करें। रीढ़ की हड्डी को कम करने के लिए एक प्रेस। कर्सर को केंद्र में रखने के लिए शिफ्ट + सी टाइप करें।
  2. एक डेंड्राइट बनाएं। जाल पैलेट खोलने के लिए शिफ्ट + ए दबाएँ। जाल और फिर सिलेंडरका चयन करें । ऐड सिलेंडर मेनू पर मापदंडों को बदलें: त्रिज्या = 0.3 माइक्रोन, गहराई = 2 माइक्रोन। प्रेस दर्ज करें
    नोट: पैरामीटर त्रिज्या और गहराई को डेंड्राइट की ज्यामितीय विशेषताओं के अनुसार परिभाषित किया गया है।
  3. डेंड्राइट में रीढ़ डालें।
    1. सिलेंडर को 90 डिग्री(चित्रा 5A)घुमाने के लिए आर और टाइप 90 दबाएं। सिलेंडर को रीढ़ की हड्डी के नीचे तक खींचने के लिए नीले तीर का प्रयोग करें। सिलेंडर के सामने देखने के लिए कीपैड पर 3 दबाएं।
    2. जाल को पारदर्शी बनाने के लिए जेड दबाें। सिलेंडर के नीले सामान्य तीर को नीचे की ओर ले जाने के लिए माउस का उपयोग करें ताकि रीढ़ के आधार को सिलेंडर(चित्रा 5B)के इंटीरियर में ले जाया जा सके। सभी वस्तुओं को कम करने के लिए एक दबाएं।
    3. डेंड्राइट(चित्रा 5C)का चयन करने के लिए माउस के सही बटन का उपयोग करें। ब्लेंडर पैनल(चित्रा 5D)पर मॉडिफायर का चयन करें, जोड़ें मॉडिफायरचुनें । फिर बूलियनका चयन करें , ऑपरेशन यूनियनका चयन करें और ऑब्जेक्ट स्पाइनका चयन करें । डेंड्राइट और स्पाइन(चित्रा 5E)का एक संयुक्त जाल बनाने के लिए लागू करें। यह ऑपरेशन एक नया जाल बनाता है जो दो meshes को एक ही में मर्ज करता है।
      नोट: नई जाल संयुक्त dendrite और रीढ़ की हड्डी होगी । अलग-अलग डिंड्राइट गायब हो जाता है जब अलग-अलग मेश संयुक्त होते हैं, लेकिन अलग-थलग रीढ़ की जाली नए जाल के साथ छा जाती है और इसका उपयोग एक ही रीढ़ की कई प्रतियां उत्पन्न करने के लिए किया जाता है। जाल खत्म करने के बाद सभी अलग-थलग कताई हटा दें। रीढ़ की गर्दन और डेंड्राइट के बीच एक पूर्ण ओवरलैप होना महत्वपूर्ण है, अन्यथा, जाल निर्विवाद नहीं होगा।
  4. डेंड्राइट ऑब्जेक्ट को सेलब्लेंडर वातावरण में सेट करें।
    1. मेश को डिमेक्ट करने के लिए एक दबाएं। केवल डेंड्राइट का चयन करने के लिए माउस के साथ डेंड्राइट में राइट-क्लिक करें। सेलब्लेंडर, मॉडल ऑब्जेक्ट्सका चयन करें, और डेंड्राइट ऑब्जेक्ट बनाने के लिए सक्रिय ऑब्जेक्ट को डेंड्राइट में बदलें और दबाएं +।
  5. डेंड्राइट में नई कताई डालें।
    1. सिलेंडर के साइड व्यू में बदलने के लिए 1 दबाएं। अलग रीढ़ की जाली का चयन करने के लिए माउस का उपयोग करें। अधिक कताई डालने के लिए, चरण 3.3 का पालन करें, एक शारीरिक वितरण प्राप्त करने के लिए हर एक को डालने के लिए स्थिति और कोण को बदलते हैं।
  6. एमसेल के साथ जाल को संगत बनाएं। ऐसा करने के लिए, टैब को संपादित मोड पर जाने के लिए दबाएं। पूरी जाल का चयन करने के लिए एक दबा। जाल को त्रिभुज करने के लिए सीआरटीएल + टी दबाएं। ब्लेंडर पैनल पर टूल चुनें और डबल्स को हटाएं।
  7. मेश को स्टाइल करें।
    1. जाल को चिकना करें। ऑब्जेक्ट मोड में बदलने के लिए टैब दबाएं। ब्लेंडर पैनल पर टूल चुनें और चिकनीचुनें। सेलब्लेंडर, मॉडल ऑब्जेक्ट्स काचयन करें, और सामग्री जोड़ें।
    2. ऑब्जेक्ट पारदर्शी और सामग्रीपारदर्शी चुनकर जाल को पारदर्शी बनाएं । अल्फा को 0.5 में बदलें और जाल को आंशिक रूप से पारदर्शी बनाने के लिए दर्ज करें। ठोस दृश्य में बदलने के लिए जेड दबाएं।
  8. पुष्टि करें कि जाल अभी भी एमसेल के साथ संगत है या नहीं। ऐसा करने के लिए, सेलब्लेंडर पैनल पर जाल विश्लेषण का चयन करें ताकि यह सुनिश्चित किया जा सके कि जाल अभी भी निर्विवाद, कई गुना जालऔर जावक-सामना सामान्यहै।
  9. ब्लेंडर फ़ाइल को dendrite_with_spines.ब्लेंडके रूप में सहेजें।

4. सतह क्षेत्रों को परिभाषित करें

नोट: यह प्रक्रिया जाल के सतह क्षेत्रों को बनाती है जिसका उपयोग बाद में यह स्थापित करने के लिए किया जाएगा कि क्षेत्र अणुओं के साथ कैसे बातचीत करते हैं।

  1. ब्लेंडर वातावरण में फाइल dendrite_with_spines खोलें। ऐसा करने के लिए, फ़ाइल, ओपन, dendrite_with_spines.ब्लेंडऔर ओपन ब्लेंडर फ़ाइलका चयन करें।
  2. सतह क्षेत्रों को परिभाषित करने के लिए जाल तैयार करें। ऐसा करने के लिए, टैब को संपादित करने के लिए मोड को बदलने के लिए दबाएं। पारदर्शी दृश्य में बदलने के लिए जेड दबाएं (व्यूपोर्ट छायांकन, वायरफ्रेम)। कताई के साथ डेंड्राइट के पूरे जाल का चयन करने के लिए एक दबाएं। मॉडल ऑब्जेक्ट्स काचयन करें । डेंड्राइटका चयन करें । सेलब्लेंडर पैनल को छिपाने और मुख्य पैनल में पूरे जाल की बेहतर कल्पना करने के लिए टी दबाएं।
    1. + का उपयोग करें और - कीपैड पर जूम करने और बाहर या माउस के साथ स्क्रॉल करने के लिए। सतह क्षेत्रों का चयन और परिभाषित करने के लिए कताई के शीर्ष के बेहतर दृश्य के लिए यह आवश्यक है। ऑब्जेक्ट को डिचेक्ट करने के लिए एक दबाएं। प्रेस टैब संपादितमोड में बदलने के लिए । सेलब्लेंडर पैनल को फिर से दिखाने के लिए टी दबाएं।
  3. पीएसडी सतह क्षेत्र को परिभाषित करें। ऐसा करने के लिए, बी दबाें और माउस(चित्रा 6ए, 6B)के साथ एक डेंड्रिटिक रीढ़ की चोटी का चयन करें। परिभाषित सतह क्षेत्रोंपर प्रेस + । क्षेत्र का नाम PSD1 में बदलें और असाइन (चित्रा 6C)पर क्लिक करें। ऑब्जेक्ट को डिचेक्ट करने के लिए एक दबाएं।
  4. एक्स्ट्रासाइनैप्टिक सतह क्षेत्र को परिभाषित करें। ऐसा करने के लिए, बी दबाें और माउस(चित्रा 6D)के साथ डेंड्रिटिक रीढ़ की हड्डी के शीर्ष के आसपास के क्षेत्र का चयन करें। क्षेत्र के नाम के लिए Extra_syn1के लिए 4.3 चरणदोहराएं। अन्य कांटों के लिए चरण 4.3 दोहराएं ताकि जाल के अन्य क्षेत्रों(PSD2, PSD3, PSD3, PSD4, Extra_syn2, Extra_syn3और Extra_syn4)(चित्रा 6F) कोपरिभाषित किया जा सके।) ऑब्जेक्ट को डिचेक्ट करने के लिए एक दबाएं।
  5. डेंड्राइट के सिरों के सतह क्षेत्रों को परिभाषित करें। ऐसा करने के लिए बी दबाकर डेंड्राइट के बाएं छोर का चयन करें। Left_end और क्लिक करें असाइनकरने के लिए क्षेत्र का नाम बदलें । ऑब्जेक्ट को डिचेक्ट करने के लिए एक दबाएं। प्रेस बी और dendrite(चित्रा 6E)के दाहिने छोर का चयन करें । Right_end और क्लिक करें असाइनकरने के लिए क्षेत्र का नाम बदलें ।
    नोट: प्रत्येक परिभाषित क्षेत्र का चयन करने के लिए सबसे अच्छी स्थिति खोजने के लिए जाल ले जाएँ

5. अणुओं का निर्माण

  1. एम्पार्स बनाएं। ऐसा करने के लिए, सेलब्लेंडर पैनलपर अणुओं का चयन करें । एक नया अणु डालने और नाम को AMPAR में बदलने के लिए परिभाषित अणुओं पर + का चयन करें । झिल्ली(चित्रा 7A)में AMPARs के प्रसार स्थिर को परिभाषित करने के लिए अणु प्रकार को सतह अणु और प्रसार स्थिर 0.05e-8 सेमी2/s/s14 में बदलें ।
  2. एंकर बनाएं। ऐसा करने के लिए, सेलब्लेंडर पैनलपर अणुओं का चयन करें । एक नया अणु डालने और नाम को लंगर में बदलने के लिए परिभाषित अणुओं पर + का चयन करें । अणु प्रकार को सतह अणु में बदलें और झिल्ली(चित्रा 7A)में लंगर के प्रसार को परिभाषित करने के लिए 0.001e-8 सेमी2/s/s14 के लिए निरंतर प्रसार को बदलें ।
  3. AMPARs के लिए बाध्य एंकर बनाने के लिए, सेलब्लेंडर पैनलपर अणुओं का चयन करें । एक नया अणु डालने के लिए परिभाषित अणुओं पर + का चयन करें। नाम बदलकर anchor_AMPAR अणु प्रकार को सतह के अणुमें बदलें । 0.001e-8 सेमी2/s14के लिए प्रसार स्थिर बदलें ।
  4. anchor_LTP और anchor_AMPAR_LTPबनाएं। ऐसा करने के लिए, चरण 5.2 दोहराएं। अणु anchor_LTP नाम । दोहराएं चरण 5.3। अणु anchor_AMPAR_LTP का नाम ।
    नोट: anchor_LTP AMPARके लिए एक उच्च लगाव है; इस प्रकार, सिनैप्टिक क्षेत्रों में एम्पार्स में वृद्धि होती है।
  5. anchor_LTD और anchor_AMPAR_LTDबनाएं। _LTD एक लंगर बनाने केलिए, चरण 5.2 दोहराएं। अणु anchor_LTD का नाम । दोहराएं चरण 5.3। अणु anchor_AMPAR_LTD नाम ।
    नोट: anchor_LTD AMPARके लिए एक कम लगाव है; इस प्रकार, सिनैप्टिक क्षेत्र में एम्पार्स कम हो जाते हैं।

6. सतह कक्षाओं को परिभाषित करें

नोट: यह प्रक्रिया सतह क्षेत्रों से जुड़े गुणों के साथ वर्गों को परिभाषित करती है। एक्स्ट्रासाइनैप्टिक क्षेत्र एम्पार से बंधे मुफ्त एंकर और एंकर को दर्शाते हैं। डेंड्राइट के पार्श्व सिरों सभी अणुओं को प्रतिबिंबित करते हैं।

  1. एक्स्ट्रासाइनैप्टिक क्षेत्रों के गुणों को परिभाषित करें।
    1. ऑब्जेक्ट मोड में बदलने के लिए टैब दबाएं। सेलब्लेंडर पैनलपर सतह कक्षाएं चुनें। एक नए सतह वर्ग को परिभाषित करने के लिए सतह वर्ग पर + दबाएं।
    2. एक्स्ट्रासाइनैप्टिक क्षेत्र को एंकर अणुओं से बंधे एम्पार को प्रतिबिंबित करें।
      नोट: यह प्रक्रिया सिनैप्टिक क्षेत्र के भीतर लंगर और उनसे बंधे हर चीज को फंसा देगी।
      1. reflective_extra_syn के लिए भूतल वर्ग का नाम बदलें । reflective_extra_syn गुणों पर प्रेस + इसे एक अणु के साथ संबद्ध करने के लिए । अणुओं का चयन करें । एकल अणु anchor_AMPAR का चयन करें । ओरिएंटेशन का चयन करें = अनदेखाकरें । प्रकार का चयन करें = चिंतनशील क्षेत्र anchor_AMPAR अणुओं को दिखाने के लिए ।
      2. anchor_AMPAR_LTP और anchor_AMPAR_LTD के लिए 6.1.2.1 दोहराएं।
    3. एक्स्ट्रासाइनैप्टिक क्षेत्र को एंकर को प्रतिबिंबित करें।
      1. reflective_extra_syn गुणों पर प्रेस + इसे एक अणु के साथ संबद्ध करने के लिए । अणुओं का चयन करें । एकल अणु लंगर का चयन करें । ओरिएंटेशन का चयन करें = अनदेखाकरें । प्रकार का चयन करें = प्रतिबिंबित करने के लिए क्षेत्र लंगर अणुओं को प्रतिबिंबित करते हैं ।
      2. anchor_LTP और anchor_LTD के लिए 6.1.3.1 बार anchor_LTDदोहराएं।
  2. डेंड्राइट सिरों के गुणों को परिभाषित करें। ऐसा करने के लिए, एक नए सतह वर्ग को परिभाषित करने के लिए सतह वर्ग पर + दबाएं । reflective_ends के लिए सतह वर्ग का नाम बदलें । इसे अणु से संबद्ध करने के लिए गुणों पर + दबाएं। अणुओं का चयन करें । सभी सतह अणु ओरिएंटेशन का चयन करें । अनदेखाकरें । टाइप चुनें । इसे बनाने के लिए प्रतिबिंबित सभी सतह अणुओं को प्रतिबिंबित ।

7. प्रत्येक सतह क्षेत्र के लिए बनाई गई कक्षाएं असाइन करें

नोट: यह कदम सतही क्षेत्रों को सतह कक्षाएं प्रदान करता है।

  1. डेंड्राइट के सिरों के गुणों को असाइन करें।
    1. एक क्षेत्र के साथ एक सतह वर्ग आवंटित करने के लिए + प्रेस करें। सरफेस क्लास नाम (चित्रा 7C)के लिए reflective_ends का चयन करें । ऑब्जेक्ट नामके लिए डेंड्राइट का चयन करें । क्षेत्र चयन के लिए निर्दिष्ट क्षेत्र का चयन करें। क्षेत्र के नामके लिए Left_end का चयन करें ।
    2. Right_end (चित्रा 7D) के लिए 7.1.1 दोहराएं।
  2. एक्स्ट्रासाइनैप्टिक क्षेत्रों के गुणों को असाइन करें।
    1. एक क्षेत्र के साथ एक सतह वर्ग आवंटित करने के लिए + प्रेस करें। भूतल वर्ग के नामके लिए reflective_extra_syn का चयन करें । ऑब्जेक्ट नामके लिए डेंड्राइट का चयन करें । क्षेत्र चयन के लिए निर्दिष्ट क्षेत्र का चयन करें। क्षेत्र के नाम के लिए Extra_syn1 का चयनकरें ।
    2. Extra_syn2 , Extra_syn3और Extra_syn4के लिए 7.2.1 कदम दोहराएं Extra_syn4

8. जाल पर अणुओं रखें

नोट: यह कदम AMPARs, एंकर,और AMPAR जाल पर लंगर के लिए बाध्य स्थानों ।

  1. मेष पर AMPAR अणुओं जगह के लिए, सेलब्लेंडर पैनलपर अणु प्लेसमेंट का चयन करें । एक नई रिलीज साइटबनाने के लिए रिलीज/प्लेसमेंट साइट्स पर प्रेस +साइट का नाम बदलें relAMPAR (चित्रा 7B)अणु का चयन करें = AMPAR. ऑब्जेक्ट/क्षेत्र = Dendrite [सभी]-(Dendrite [Left_end]]+Dendrite [Right_end]) मात्रा = १,००० जारी करने के लिए(
  2. मेष पर लंगर अणुओं रखें।
    1. सेलब्लेंडर पैनलपर अणु प्लेसमेंट का चयन करें । एक नई रिलीज साइटबनाने के लिए रिलीज/प्लेसमेंट साइट्स पर प्रेस + rel_anchor_PSD1 के लिए साइट का नाम बदलें । अणु एंकरका चयन करें ऑब्जेक्ट/रीजन = डेंड्राइट [PSD1] मात्रा = २०० जारी करने के लिए
    2. पीएसडी2, पीएसडी 3और पीएसडी 4 के लिए 8.2.1 कदम दोहराएं । PSD2
  3. anchor_LTP अणुओं को मेष पर रखें। ऐसा करने के लिए, सेलब्लेंडर पैनलपर अणु प्लेसमेंट का चयन करें। एक नई रिलीज साइटबनाने के लिए रिलीज/प्लेसमेंट साइट्स पर प्रेस + rel_anchor_LTP_PSD1 के लिए साइट का नाम बदलें । अणु का चयन करें = anchor_LTP. ऑब्जेक्ट/रीजन = डेंड्राइट [PSD1] मात्रा जारी करने के लिए = 0
    नोट: anchor_LTP AMPARs के लिए उच्च बाध्यकारी आत्मीयता के साथ एक लंगर है ।
  4. anchor_LTD के लिएचरण 8.3 दोहराकर anchor_LTD अणुओं को मेष पर रखें
    नोट: anchor_LTD AMPARs के लिए कम बाध्यकारी आत्मीयता के साथ एक लंगर है ।

9. रासायनिक प्रतिक्रियाएं बनाएं

  1. एंकर और AMPARs के बीच प्रतिक्रिया बनाना।
    1. प्रतिक्रियाएं बनाने के लिए प्रतिक्रियाओं (चित्रा 7D)का चयन करें। प्रेस + एक नई प्रतिक्रियाशामिल करने के लिए । प्रतिक्रियाएं = एंकर ' + AMPAR ' रिएक्शन टाइप = <> यह एक द्विदिशात्मक प्रतिक्रिया को परिभाषित करता है। उत्पाद = anchor_AMPAR. वायदा दर = 0.03. पिछड़ा दर = 0.05.
  2. ANCHOR_LTP और AMPARs के बीच प्रतिक्रिया बनाएं। ऐसा करने के लिए, चरण 9.1 दोहराएं, लेकिन एंकर को anchor_LTPसे बदल दें, और प्रतिक्रियाकर्ताओंके बीच आत्मीयता बढ़ाने के लिए एक पिछड़े दर = 0.005 का उपयोग करें।
  3. anchor_LTD और AMPARs के बीच प्रतिक्रिया बनाएं और फ़ाइल को सहेजें। ऐसा करने के लिए, चरण 9.2 दोहराएं, लेकिन एंकर को anchor_LTDसे बदल दें, और प्रतिक्रियाकर्ताओंके बीच आत्मीयता को कम करने के लिए एक पिछड़े दर = 0.5 का उपयोग करें। इसके बाद फाइल को सेव करें।

10. मॉडल के उत्पादन की साजिश

  1. बेसल कंडीशन के दौरान पीएसडी1 में एम्पार्स के लिए बाध्य प्लॉट एंकर । ऐसा करने के लिए, प्लॉट आउटपुट सेटिंग्स काचयन करें। अणुओंको परिभाषित करने के लिए + प्रेस करें । अणुपर anchor_AMPAR का चयन करें । ऑब्जेक्टपर डेंड्राइट का चयन करें । क्षेत्र पर PSD1 का चयन करें। सभी पीएसडी क्षेत्रों के लिए चरण 10.1 दोहराएं।
    नोट: प्रत्येक डेंड्रिटिक रीढ़ की PSD के लिए फंसे AMPARs की बेसल संख्या का निरीक्षण करना उपयोगी है। एलटीपी और लिमिटेड के दौरान बेसल स्थितियों की तुलना में AMPARs से बंधे लंगर की संख्या में वृद्धि या कमी हो सकती है ।
  2. एलटीपी के दौरान पीएसडी1 में एम्पार्स के लिए बाध्य प्लॉट एंकर। चरण 10.1 दोहराकर ऐसा करें। anchor_AMPAR को anchor_AMPAR_LTPसे बदलें, फिर लिमिटेड के दौरान PSD1 में AMPARs के लिए बाध्य एंकर प्लॉट और अंत में कदम १०.१ दोहराने, लेकिन anchor_AMPAR_LTP anchor_AMPAR_LTD के साथ बदलें ।

11. सिमुलेशन चलाएं

  1. बेसल कंडीशन को चलाने के लिए, रन सिमुलेशन चुनें। पुनरावृत्तियों का चयन करें = 30,000 समय चरण निर्धारित करें = 1e-3 s। प्रेस निर्यात और भागो। सिमुलेशन समाप्त होने तक प्रतीक्षा करें। इसमें मिनटों से लेकर घंटों तक का समय लग सकता है।
    नोट: बेसल स्थिति में, anchor_LTP और rel_anchor_LTD अणुओंकी कोई रिहाई नहीं है । सिमुलेशन के मापदंडों के बारे में, पुनरावृत्तियों की संख्या को काफी लंबा होना चाहिए ताकि डेंड्राइट्स से AMPARs के प्रसार और पीएसडी में उनके एंकरिंग का निरीक्षण कर सकें। छोटे समय-चरण सिमुलेशन को पूरा करने के लिए अधिक सटीक लेकिन धीमे होते हैं।
  2. रीलोड विज़ुअलाइज़ेशन डेटाका चयन करें। स्पैटीओटेम्परल परिणामों(चित्रा 8)की कल्पना करने के लिए प्ले एनीमेशन का चयन करें। प्लॉट आउटपुट सेटिंग्स काचयन करें । प्रेस प्लॉट
    नोट: सेलब्लेंडर द्वारा उत्पन्न रेखांकन चयनित रासायनिक प्रजातियों की अलग-अलग समय श्रृंखला हैं। तीसरे पक्ष के कार्यक्रमों का उपयोग कई स्थितियों के मढ़ा भूखंड बनाने के लिए कई सिमुलेशन से सहेजे गए डेटा को आयात करने के लिए किया जा सकता है (उदाहरण के लिए, बेसल, एलटीपी, लिमिटेड; चित्रा 8देखें)।
  3. होमोसिएनैप्टिक शक्तिशाली स्थिति (यानी, एलटीपी; देखें चित्र 8) चलाएं। ऐसा करने के लिए, सेलब्लेंडर पैनलपर अणु प्लेसमेंट का चयन करें। रिलीज/प्लेसमेंट साइट्सपर rel_anchor_LTP_PSD1 का चयन करें ।
  4. रिलीज करने के लिए मात्रा बदलें = 200. रिलीज/प्लेसमेंट साइट्सपर rel_anchor_LTD_PSD1 का चयन करें । रिलीज करने के लिए मात्रा बदलें = 0. रिलीज/प्लेसमेंट साइट्सपर rel_anchor _PSD1 का चयन करें । रिलीज करने के लिए मात्रा बदलें = 0. कदम 11.1-11.2 दोहराएं।
  5. होमोसिएनैप्टिक डिप्रेशन कंडीशन (यानी, लिमिटेड; देखें फिगर 8)चलाएं । ऐसा करने के लिए, rel_ANCHOR_LTP_PSD1 के बजाय 200 rel_anchor_LTD_PSD1 rel_anchor_LTD_PSD1 जारी करें। rel_anchor सेट करें और शून्य पर rel_anchor_LTP_PSD1 । कदम 11.1-11.2 दोहराएं।

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

ये परिणाम 3 डी जाल के निर्माण के लिए कदम प्रदान करते हैं जो रीढ़ के सिर और रीढ़ की गर्दन(चित्र 1 से चित्र 4)के साथ एक डेंड्रिटिक रीढ़ का अनुकरण करता है। इसके अलावा, एम्पार्स14की विषमता प्लास्टिसिटी का अध्ययन करने के लिए एक एकल डेंड्रिटिक सेगमेंट(चित्रा 5)में कई डेंड्रिटिक कताई डाली जा सकती है। रीढ़ के सिर के शीर्ष पर पीएसडी(चित्रा 6)वह स्थान है जहां सिनैप्टिक एंकर एम्पार्स को बांधते हैं और उन्हें अस्थायी रूप से सिनेप्स(चित्र 7, चित्रा 8)पर फंसाते हैं।

सिनैप्टिक प्लास्टिसिटी को लगभग anchor_AMPAR, anchor_AMPAR_LTPकी प्रजातियों की संख्या में परिवर्तन के माध्यम से सत्यापित किया जा सकता है,और प्रत्येक रीढ़ की हड्डी में anchor_AMPAR_LTD। सिनैप्टिक प्लास्टिसिटी की घटना की सटीक गणना के लिए, सिनेप्से में लंगर डाले गए और मुफ्त एम्पार्स की कुल संख्या में भिन्नता की गणना करने की सिफारिश की जाती है। यह प्रत्येक पीएसडी(चित्रा 8)पर मुफ्त AMPARs और लंगर डाले हुए AMPARs की समय श्रृंखला को संक्षेप में मिलाने के लिए सिमुलेशन के सहेजे गए डेटा को खोलने के लिए तीसरे पक्ष के कार्यक्रमों का उपयोग करके किया जा सकता है।

जाल पर AMPARs की रिहाई ने डेंड्राइट और डेंड्रिटिक कताई के साथ एक स्टोचस्टिक यादृच्छिक चलने से उनके प्रसार के अवलोकन की अनुमति दी। एंकर के लिए एम्पार्स की आत्मीयता को संशोधित करने वाले कारक, जैसे कि पोस्टट्रांसलेशनल संशोधन और एंडोसाइटोसिस और एक्सोसाइटोसिस की दरों में परिवर्तन, पीएसडी24, 25,,,26पर एम्पार्स को फंसा सकते हैं।25 पीएसडी में स्थित लंगर के साथ AMPARs के बाध्यकारी synapse पर AMPARs के एक उच्च घनत्व फंस गया । होमोसिनैप्टिक शक्तिशाली(चित्रा 9)और अवसाद(चित्रा 10)को बेसल स्थिति(चित्रा 11)की तुलना में एंकर द्वारा AMPARs की आत्मीयता में परिवर्तन के कारण लंगर डाले गए AMPARs की संख्या में वृद्धि और कमी के माध्यम से क्रमशः सत्यापित किया जा सकता है । एंकर के साथ एम्पार्स की आत्मीयता को कम करने वाले कारकों ने एक डेंड्रिटिक स्पाइन (यानी, होमोसाइनैप्टिक डिप्रेशन) से कई एम्पार्स जारी किए और पड़ोसी कताई में विषमताशाली शक्तिशालीता को प्रेरित किया। इसके अलावा, ऐसे कारक जो एक रीढ़ की हड्डी में लंगर के लिए एम्पार्स की आत्मीयता में वृद्धि करते हैं, उस रीढ़ की हड्डी पर होमोसाइनैप्टिक शक्तिशालीता और पड़ोसी कताई14में विषमता अवसाद प्रेरित करते हैं। इस तरह, विषमसाइनैप्टिक प्लास्टिसिटी को दिए गए रीढ़ की हड्डी पर प्रेरित होमोसाइनैप्टिक प्लास्टिसिटी के पड़ोसी कताई पर विपरीत प्रभाव के रूप में देखा गया था। उदाहरण के लिए, एक ही रीढ़ की हड्डी में होमोसिनैप्टिक एलटीपी इंडक्शन ने पड़ोसी कताई(चित्रा 8E,एफ,जी)पर एक हेट्रोसाइनैप्टिक लिमिटेड प्रभाव बनाया।

Figure 1
चित्रा 1: गोलाकार जाल का उपयोग करके डेंड्रिटिक स्पाइन हेड का निर्माण। (क)यूवी क्षेत्र को जोड़ना । (ख)क्षेत्र के आयामों की स्थापना । (ग)बनाए गए गोले का अवलोकन। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।

Figure 2
चित्रा 2: शीर्ष क्षेत्र का निर्माण। (क)क्षेत्र के शीर्ष क्षेत्र का चयन करना। (ख)इसे फ्लैट बनाने के लिए चयनित क्षेत्र को हटाना । (ग)फ्लैट टॉप को सील करना । कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।

Figure 3
चित्रा 3: रीढ़ की हड्डी के शीर्ष पर गाढ़ा क्षेत्रों का निर्माण। (क)शीर्ष की कल्पना करना । (ख)एक गाढ़ा क्षेत्र को परिभाषित करने के लिए एक चाकू का उपयोग करना । (ग)कई गाढ़ा क्षेत्र बनाना । कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।

Figure 4
चित्र 4: डेंड्रिटिक स्पाइन गर्दन बनाना। (क)संशोधित क्षेत्र के नीचे का चयन करना । (ख)चयनित वर्टिक्स को हटाना । (ग)नीचे का चयन । (घ)रीढ़ की गर्दन बनाने के लिए नीचे की निष्कासन। (ई)रीढ़ की गर्दन के नीचे सील। (च)बनाई गई रीढ़ का विश्लेषण । कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।

Figure 5
चित्रा 5: कई कताई के साथ डेंड्राइट का निर्माण। (क)एक डेनड्राइट बनाने के लिए बेलनाकार जाल का उपयोग करना। (ख)सिलेंडर के साथ डेंड्रिटिक स्पाइन को संरेखित करना। (ग)रीढ़ की हड्डी के साथ सिलेंडर में शामिल होना। (घ)मेष में शामिल होने के लिए बूलियन ऑपरेशन । (ई)नई संयुक्त जाल । (च)दूसरी रीढ़ जोड़ना । (जी)तीसरी रीढ़ जोड़ना । (ज)चौथी रीढ़ जोड़ना । कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।

Figure 6
चित्र 6: पीएसडी क्षेत्र और पेरिसाप्टिक क्षेत्र को परिभाषित करना। }Aपीएसडी क्षेत्र का चयन करना। (ख)बनाए गए पीएसडी का विस्तृत दृष्टिकोण। (ग)पीएसडी सतह क्षेत्र को परिभाषित करना । (घ)पीएसडी के आसपास पेरिसेप्टिक जोन का चयन और परिभाषित करना । (ई)डेंड्राइट की पार्श्व सतह का चयन और परिभाषित करना। (एफ)परिभाषित सतह क्षेत्र। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।

Figure 7
चित्र 7: सतह के अणुओं को परिभाषित करना। (A)एम्पार, एंकर और एम्पार को परिभाषित करना लंगर के लिए बाध्य । (ख)AMPAR प्रतियों के स्थान और मात्रा को परिभाषित करना। (ग)सतह कक्षाओं को परिभाषित करना । (घ)सतह कक्षाएं सौंपना । (ई)अणुओं के बीच रासायनिक प्रतिक्रियाओं का निर्माण। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।

Figure 8
चित्रा 8: सिनैप्टिक प्लास्टिसिटी के प्रतिनिधि परिणाम। (क)दो, चार या आठ कताई के साथ एक डेंड्रिटिक सेगमेंट के विभिन्न meshes । (ख)आठ कताई के साथ डेंड्रिटिक सेगमेंट का एक अलग दृश्य । (ग)पीएसडी में एम्पार्स और एंकर के साथ एक डेंड्रिटिक स्पाइन का विस्तृत दृश्य । (घ)एंकरों के साथ बातचीत के माध्यम से पीएसडी में और बाहर एम्पार्स की तस्करी का आरेख । (ई-जी) घटता बेसल स्थिति के लिए और एलटीपी और लिमिटेड के दौरान प्रत्येक पीएसडी पर सिनैप्टिक AMPARs की संख्या दिखाता है । एक ही रीढ़ की हड्डी में होमोसिनैप्टिक एलटीपी या लिमिटेड के शामिल होने से दो कताई(ई),चार कताई(एफ)और आठ कताई(जी)के साथ जाल के लिए पास के कताई में एक विषमता प्रभाव पैदा हुआ। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।

Figure 9
चित्रा 9: एलटीपी स्थिति का प्रतिनिधि परिणाम। (A)एक्स-एक्सिस का समय है और वाई-एक्सिस PSD1 में कॉम्प्लेक्स anchor_LTP_AMPAR का नंबर है । अनुकृति की शुरुआत में 200 मुफ्त anchor_LTP की रिलीज हुई थी। बेसल कंडीशन(चित्रा 11)की तुलना में एंकर के साथ अधिक संख्या में बांड बनाए गए थे कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।

Figure 10
चित्रा 10: लिमिटेड शर्त के प्रतिनिधि परिणाम । (A)एक्स-एक्सिस का समय है और वाई-एक्सिस PSD1 में कॉम्प्लेक्स anchor_LTD_AMPAR का नंबर है । अनुकृति की शुरुआत में 200 मुफ्त anchor_LTD की रिलीज हुई थी। बेसल कंडीशन(चित्रा 11)की तुलना में एंकर के साथ कम संख्या में बांड बनाए गए थे । कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।

Figure 11
चित्र 11: बेसल स्थिति के दौरान प्रतिनिधि परिणाम। (A)एक्स-एक्सिस का समय है और वाई-एक्सिस PSD1 में कॉम्प्लेक्स anchor_AMPAR का नंबर है । अनुकृति की शुरुआत में 200 फ्री एंकर की रिलीज हुई थी। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।

अनुपूरक फाइल 1. इस फाइल को डाउनलोड करने के लिए यहां क्लिक करें।

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

यह लेख डेंड्रिटिक कताई के साथ एक डेंड्रिटिक सेगमेंट में मॉडलिंग रिएक्शन-प्रसार सिनेप्टिक प्लास्टिसिटी प्रक्रियाओं के लिए 3 डी मेश के निर्माण के लिए एक विधि प्रस्तुत करता है। विकसित मॉडल में कुछ डेंड्रिटिक कताई के साथ एक डेंड्रिटिक सेगमेंट शामिल है। पार्श्व प्रसार और सिनैप्टिक एंकर के साथ AMPARs की प्रतिक्रिया बेसल गतिशीलता के अनुकरण की अनुमति देते हैं। प्रोटोकॉल में महत्वपूर्ण कदम रीढ़ के सिर के शीर्ष के निर्माण के लिए गोला काट रहे हैं(चित्र 1, चित्रा 2, चित्र 3), रीढ़की गर्दन(चित्रा 4)बनाने के लिए एक्सट्रूशन, और डेंड्राइट और कताई के जुड़ने के लिए एक ही जाल(चित्र 5)में । रीढ़ की गर्दन और डेंड्राइट के बीच एक पूर्ण ओवरलैप होना महत्वपूर्ण है; अन्यथा, जाल निर्विवाद नहीं होगा। अन्य महत्वपूर्ण कदम झिल्ली क्षेत्रों का चयन और सतह वर्गों की परिभाषा(चित्र 6, चित्र 7)हैं। एक अलग नाम के साथ प्रत्येक महत्वपूर्ण चरण के लिए फ़ाइलों को सहेजें।

यह सुनिश्चित करने के लिए जाल विश्लेषण उपकरण का उपयोग करें कि जाल एक रीढ़ बनाने के बाद और रीढ़ के साथ संयुक्त डेनड्राइट बनाने के बाद निर्विवाद, कई गुना और जावक-सामना सामान्य है। यदि जाल इस विश्लेषण में विफल रहता है, तो सहेजे गए अंतिम सही संस्करण पर लौटें। स्थापित सॉफ्टवेयर के संस्करण, ऑपरेटिंग सिस्टम और कीबोर्ड के प्रकार के आधार पर कुछ चरण थोड़े अलग हो सकते हैं।

यह प्रोटोकॉल 3 डी जाल(चित्रा 8, चित्रा 9, चित्रा 10, चित्रा 11)में एम्पार अणुओं की तस्करी का अनुकरण करता है, जो न्यूरोनल उत्तेजक संचरण और सिनैप्टिकप्लास्टिसिटी के लिए महत्वपूर्ण है। Figure 9 3 डी जाल में एकल अणुओं की तस्करी इस मॉडल की एक मूल्यवान विशेषता है जो अणुओं के सजातीय वितरण के साथ अच्छीतरह,से मिश्रित मात्रा के आधार पर मौजूदा तरीकों के संबंध में है,जो 27 सिनेप्स27में शारीरिक स्थिति नहीं है । इस तकनीक की एक सीमा उच्च कम्प्यूटेशनल लागत और सिमुलेशन की धीमी वेग है जो प्रत्येक अणु की प्रतियों की उच्च संख्या और उनके बीच उच्च संख्या में रासायनिक प्रतिक्रियाओं का उपयोग करती है। प्रत्येक प्रजाति की प्रतियों की संख्या को कम करके इस बाधा को दूर किया जा सकता है।

यथार्थवादी 3 डी जाल और अणुओं की स्थानिक ट्रैकिंग वाली प्रणाली का निर्माण यांत्रिक परिदृश्यों का परीक्षण करने के लिए एक शक्तिशाली उपकरण है जो उच्च संख्या में नॉनलाइनर चर के साथ प्रणालियों के कामकाज के बारे में महान अंतर्दृष्टि दे सकता है।

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

लेखकों की घोषणा है कि वे कोई प्रतिस्पर्धी वित्तीय हितों की है ।

Acknowledgments

इस काम को साओ पाउलो स्टेट साइंस फाउंडेशन (FAPESP) अनुदान #2015/50122-0 और आईआरटीजी-जीआरटीके 1740/2, आईबीएम/FAPESP अनुदान #2016/18825-4 द्वारा, और FAPESP अनुदान #2018/06504-4 द्वारा समर्थन किया गया था ।

Materials

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

तंत्रिका विज्ञान अंक 159 AMPA रिसेप्टर तस्करी प्रतिक्रिया-प्रसार सिनैप्टिक प्लास्टिसिटी डेंड्रिटिक कताई कंप्यूटेशनल मॉडलिंग दीर्घकालिक शक्तिशाली दीर्घकालिक अवसाद विषमता प्लास्टिसिटी
सिनैप्टिक प्लास्टिसिटी के साथ डेंड्रिटिक कताई की 3डी मॉडलिंग
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