Sinaptik Plastisite ile Dendritik Dikenlerin 3D Modellemesi
18 Mayıs 2020
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.
Füzyon yoluyla kimyasal türlerin reaksiyonunun hesaplamalı 3D Geometrik Modellemesi. dendritik omurganın içinde ve dışında reseptör ticareti mekanizmalarının incelenmesinde kullanılan yararlı bir yöntem olup sinaptik plastisite yapıyor. Bu teknik, çok sayıda değişkene sahip doğrusal olmayan sistemler hakkında hipotezler ve projeksiyonlar yapmak için zengin bir ortam yaratma avantajına sahiptir.
Değiştirilmiş bir küre kullanarak bir omurga kafası ve bir omurga boyun ile tek bir dendritik omurga bir örgü oluşturmak için. İlk blender'ı açın. Cell Blender zaten yüklü ve tuş takımı 5 tuşuna basın, ortogonal görünüm perspektifinden değiştirmek için.
Ön görünüme göre değiştirmek için 1'e basın ve imleci ortalamak için Shift C tuşuna basın. Omurga kafası oluşturmak için Mesh paletini açmak için Shift A tuşuna basın ve Kafes'i seçin. UV Küreseçin ve UV Küre eklemek, 0,25 ve 32 halkaları boyutunu ayarlayın.
Blender'ı Nesne modundan Edit moduna geçmek için kafanın üst kısmını düz yapmak için Sekme'ye basın. Kürenin ilk üç çeyreğini seçmek için B tuşuna basın ve Sil tuşuna basın, Vertices'i seçin ve vertices'i kaldırmak için Enter'u seçin. B tuşuna basın ve kürenin üst kısmını seçin.
E, S, 0 ve Enter tuşuna basın ve hala seçili olan tepe lerin üst kısmını mühürleyin. Ve mavi oku aşağı hareket ettirin ve omurga kafasının üst kısmına hizala. Omurganın üst kısmındaki kafes çözünürlüğünü artırmak için, Alet ve bıçak seçin ve üst merkezi etrafında bir daire kesmek için bıçak kullanın.
Ardından, üst merkezin etrafında dört eşmerkezli daire oluşturmak için Araç ve Döngü kesimini ve kaydırmasını seçin. Omurga boyun oluşturmak için B tuşuna basın ve örgü alt seçin. Vertices ve B tuşuna basın ve kafesin alt kısmını seçin.
E ve Z tuşuna basın ve eksi 0,45 mikro metrede Z ekseni konumuna bir ekstrüzyon oluşturmak için eksi 0,45'i seçin. Kafesi M-hücreli ile uyumlu hale getirmek için ctrl T tuşuna basın ve Alet ve Kaldır çiftlerini seçin. Birden fazla omurga Dendrite oluşturmak için Mesh paletini açmak ve Mesh ve Silindir'i seçmek için Shift A tuşuna basın.
Silindir Ekle menüsünde, yarıçapı 0,3 mikrometreye ve derinliği iki mikrometreye ayarlayın ve Enter tuşuna basın. Silindirin ön görünümünü elde etmek için 3 tuşuna basın ve kafesi saydam hale getirmek için Z tuşuna basın.
Silindirin iç omurga tabanını taşımak için mavi normal ok kullanın ve Dendrite seçmek için sağ tıklayın. Değiştirici ve Değiştirici Ekle'yi seçin ve Boolean, İşlem Birliği'ni seçin ve Nesne Omurgası'nı seçin. Dendrite ve omurga ortak bir örgü oluşturmak için Uygula'yı tıklatın.
Sonra yalıtılmış omurganın örgü seçmek için fareyi kullanın, fizyolojik bir pozisyonda her yeni omurga eklemek için pozisyon ve açı değiştirerek. AMPAR oluşturmak için Moleküller'i seçin ve yeni bir molekül ekleyin. Adını AMPAR olarak değiştirin ve molekül türünü Yüzey molekülü olarak değiştirin.
Daha sonra difüzyon sabitini 0,05 çarpı 10'u saniyede sekizinci santimetre kareye değiştirin. AMPAR'lara bağlı çapaları, bazal durum sırasında PSD1'de çizmek için Çizim Çıkış Ayarları'nı açın ve molekülleri tanımlamak için basın. Daha sonra Molekülü Anchor_AMPAR, Dendrite Nesnesi'ni ve Bölgeyi PSD1'e ayarlayın.
Bazal Durum simülasyonu çalıştırmak için Çalıştır simülasyonunu seçin. Ve yinelemeleri 30,000'e ve zaman adımını eksi üç saniyeye kadar 10'a ayarlayın. Dışa Aktar ve Çalıştır'ı tıklatın ve simülasyonun bitmesini bekleyin.
Simülasyonun sonunda, Görselleştirme Verilerini Yeniden Yükle, Animasyon oynat, Çıkış Ayarını Çiz ve mekansal zamansal sonuçları görselleştirmek için çizim i seçin. Homosinaptik potentiation koşulu çalıştırmak için Molekül Yerleştirme ve rel_anchorLTP_psd1 seçin. rel_anchorLTP_psd1 seçin ve Miktarı 200 olarak Sürüm olarak değiştirin.
Ardından Miktar'ı Serbest Bırakma olarak sıfıra değiştirin. rel_anchor_psd1'ı seçin. Miktarı sıfıra çıkarmak ve simülasyonu az gösterildiği gibi çalıştırmak için değiştirin.
Sinaptik plastisite kabaca her omurga da çapa bağlı AMPAR türlerinin sayısındaki değişiklikler ile doğrulanabilir. Sinaptik plastisite oluşumunun tam hesaplama için. Sinapsta demirlemiş ve serbest AMPA'ların toplam sayılarının değişiminin hesaplanması önerilir.
AMPAR homosinaptik potansiyasyon ve depresyon, bazal duruma göre çapalar tarafından AMPAR'ların yakınlığındaki değişikliklerden kaynaklanan, sırasıyla demirlemiş AMPA'ların sayısındaki artış ve azalmalarla doğrulanabilir. Örneğin tek bir omurgada homosinaptik uzun süreli potentiation indüksiyon, komşu dikenlerde heteroskopik uzun süreli depresyon etkisi oluşturur. Bu prosedürü takiben, model Dendritik dikenler ltp ve LTD indüksiyon sürecini araştırmak için genişletilebilir.
Bu yöntem, çok sayıda değişkenle karmaşık doğrusal olmayan sistemlerin işleyişi hakkında hipotezin test edilmesine olanak sağlar.
Tam transkripti görüntüleyin ve binlerce bilimsel videoya erişin
Genel Bakış
Bu çalışma, sinaptik plastisiteyi simüle etmek için özellikle dendritik dikenleri içeren bir dendritik segmentin üç boyutlu (3D) modelini geliştirmektedir. Model, CellBlender ve MCell ile Blender kullanarak AMPA reseptör trafiğinin hesaplamalı analizini kolaylaştırarak sinaptik değişimlerin altında yatan mekanizmalara dair içgörüler sağlar.
Temel Çalışma Bileşenleri
Bilim Alanı
- Hesaplamalı Sinirbilim
- Sinaptik Plastisite
- Modelleme ve Simülasyon
Arka Plan
- Dendritik dikenler, nöronlardaki sinaptik plastisite ve bilgi işleme süreçleri için kritik öneme sahiptir.
- AMPA reseptör dinamiklerinin anlaşılması, öğrenme ve bellek mekanizmalarına dair içgörüler sağlayabilir.
- 3D modelleme, karmaşık biyolojik sistemlerin ayrıntılı bir şekilde incelenmesine olanak tanır.
Çalışmanın Amacı
- Reseptör trafiğini incelemek için detaylı bir ağ modeli oluşturmak.
- Sinaptik plastisite süreçlerinin simülasyonunu kolaylaştırmak.
- Karmaşık sistemlerdeki lineer olmayan davranışlara ilişkin hipotezlerin test edilmesini sağlamak.
Kullanılan Yöntemler
- 3B geometrik modelleme için CellBlender ve MCell eklentileriyle birlikte Blender yazılımı kullanıldı.
- Tek bir dendritik dikene ve bir dendrite karşılık gelen bir ağ (mesh) oluşturmaya odaklanıldı.
- Köşe manipülasyonu ve ekstrüzyon teknikleri dahil olmak üzere, ağ oluşturma için kritik adımlar tanımlandı.
- Bazal ve potansiyel durum koşulları dahil olmak üzere simülasyon ayarları detaylandırıldı.
Ana Sonuçlar
- Sinaptik koşullar sırasında AMPA reseptör dinamiklerini takip etmek için bir yöntem geliştirildi.
- Reseptör bağlanmasındaki değişikliklerin sinaptik potansiyasyon veya depresyonu nasıl belirtebileceği gösterildi.
- Uzun süreli potansiyasyon ve depresyon açısından komşu spine'lar arasındaki etkileşime dair içgörüler sunuldu.
Sonuçlar
- Bu çalışma, sinaptik plastisite mekanizmalarını görselleştirmek ve simüle etmek için hesaplamalı bir yaklaşım sunmaktadır.
- Sinaptik güç modifikasyonlarında AMPA reseptörlerinin rolünün anlaşılmasına yönelik çıkarımlar sağlamaktadır.
- Kontrollü bir sanal ortamda karmaşık nöronal etkileşimlerin ve plastisite dinamiklerinin araştırılması için bir çerçeve sunmaktadır.
Sıkça Sorulan Sorular
Sektörel Uygulama Uygunluğu
Bu hesaplamalı 3D modelleme yaklaşımı, dendritik dikenlerdeki reseptör trafiği dinamiklerini simüle ederek sinaptik plastisite hipotezlerinin mekanistik risklerinin azaltılmasını sağlar. Bazal ve potansiye edilmiş koşullar altında AMPA reseptörü demirlemesi ve difüzyonuna ilişkin kantitatif ve uzamsal olarak çözümlenmiş veriler sağlayarak, nörobilim ilaç keşfinde hedef doğrulamasını destekler. Bu yöntem, özellikle reseptör trafiğinin temel bir etki mekanizması olduğu MSS terapötik alanlarında, sinaptik gücü modüle eden bileşiklerin öncü madde belirleme sürecindeki öngörü güvenilirliğini artırır.
Biyofarma Ar-Ge'sinde Stratejik Uygulamalar
Erken Keşif ve Hedef Doğrulama
- Bilimsel Değer: Sinaptik plastisitedeki AMPA reseptörü taşınma mekanizmalarıyla ilgili terapötik hipotezlerin sorgulanmasına olanak tanır.
- Operasyonel Değer: Reseptör demirleme ve difüzyonunda rol oynayan sinaptik proteinlerin fonksiyonel hedef doğrulaması için hastalıkla ilgili bir sistem sağlar.
Tarama ve Analiz Geliştirme
- Bilimsel Değer: Deney standardizasyonunu ve tekrarlanabilirliğini desteklemek amacıyla, sabitlenmiş ve serbest AMPAR'ların kantitatif bağımlı değişken ölçümlerini oluşturur.
- Operasyonel Değer: 3D geometrideki spatiotemporal reseptör dinamiklerini tanımlayarak, sonraki tarama iş akışları için valide edilmiş biyolojik modeller hazırlar.
Translasyonel ve Preklinik Araştırmalar
- Bilimsel Değer: Komşu dendritik dikenler arasındaki homosinaptik ve heterosinaptik plastisiteyi yakalayarak hastalığa özgü sistem modellemesini destekler.
- Operasyonel Değer: Reseptör afinitesindeki değişikliklerin bağlantılı dikenler arasındaki sinaptik gücü nasıl etkilediğini simüle ederek riskten arındırılmış ilerleme kararları alınmasını sağlar.
Boru Hattı ve İş Akışı Entegrasyonu
Bu yöntem, erken keşif aşamasındaki hipotez testlerinden, mekanistik risk azaltmaya bilgi sağlayan reseptör trafiği değişikliklerinin kantitatif değerlendirmesi yoluyla lider optimizasyonuna kadar olan keşif sürekliliğine entegre edilmektedir.
- Keşif Biyolojisi: Karmaşık sinaptik ortamlarda doğrusal olmayan reseptör dinamiklerini simüle ederek hipotez testlerini ve yolak aydınlatmasını destekler.
- Tarama: Bazal, potansiye edilmiş ve baskılanmış koşullar altında AMPAR bağlanmasını nicelleştiren standartlaştırılmış simülasyon çıktıları aracılığıyla analiz hazırlığı sağlar.
- Analitikler: Koşullar arası reseptör popülasyonlarının karşılaştırılmasına olanak tanıyan difüzyon-reaksiyon modellerinin sayısal çözümleri yoluyla istatistiksel analiz yetenekleri sunar.
- Translasyonel Araştırma: Ağ düzeyindeki plastisite ile ilgili spinal-spinal sinyalizasyon etkilerini modelleyerek, keşif aşamasını preklinik süreklilikle ilişkilendirir.
- Kurumsal Yeniden Kullanım: Çeşitli nöronal modellerde reseptör trafiği hakkında birden fazla hipotezi test etmek için yeniden kullanılabilir bir hesaplama platformu oluşturur.
Operasyonel ve Kurumsal Etki
- Bilimsel Değer: Reseptör taşınım yollarındaki mekanistik belirsizliği azaltarak hedef doğrulamadaki öngörü güvenini artırır.
- Operasyonel Değer: Blender/CellBlender/MCell ortamındaki standartlaştırılmış ağ oluşturma ve simülasyon protokolleri aracılığıyla tekrarlanabilirliği ve ölçeklenebilirliği geliştirir.
- Stratejik Değer: Islak laboratuvar doğrulaması öncesinde bileşik etkilerinin sinaptik plastisite üzerindeki sanal testlerini mümkün kılarak go/no-go kararlarını iyileştirir.
- Portföy Etkisi: Terapötik müdahalelerin poli-sinaptik etkilerini simüle ederek MSS hedeflerinin riske göre ayarlanmış önceliklendirmesini destekler.
Uygulama Hususları
- Hesaplamalı nörobilim, 3D modelleme ve reaksiyon-difüzyon simülasyonu konularında uzmanlık gerektirir.
- Ağ üretimi için CellBlender destekli Blender'a ve uzaysal dinamiklerin sayısal çözümü için MCell'e bağlıdır.
- Molekül tanımlamaları, difüzyon sabitleri ve ilgi alanı spesifikasyonlarının ekipler arası standart hale getirilmesini gerektirir.
- Modelin farklı spine geometrilerine veya sinaptik molekül türlerine genişletilmesi durumunda adaptasyon değerlendirmelerini içerir.
- Kaynağında belirtildiği üzere, yüksek molekül sayılarında simülasyon hızının düşmesi gibi pratik sınırlamaları içerir.
