Name: 3d modeling of dendritic spines with synaptic plasticity
Uploaded: 2020-05-18T13:30:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about 3D Modeling of Dendritic Spines with Synaptic Plasticity at JoVE.com

Dette arbejde blev delvist støttet af Sao Paulo State Science Foundation (FAPESP) tilskud #2015/50122-0 og IRTG-GRTK 1740/2, af IBM/FAPESP-tilskuddet #2016/18825-4 og af FAPESP-tilskuddet #2018/06504-4.

BEMÆRK: Se den supplerende fil 1 for ordlisten, der anvendes i denne protokol.
1. Installer Blender, CellBlender og MCell
BEMÆRK: Denne protokol kræver installation af MCell, Blender og Cell Blender.
<ol><li>Download og installer softwaren på MCells hjemmeside (https://mcell.org/tutorials_iframe.html). Gå til overførsler øverst på siden, og følg derefter de trinvise instruktioner for at hente og installere softwaren i det valgmiljø (f.ek...

<ol>
	<li>Sweatt, J. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Neural+plasticity+and+behavior+-+sixty+years+of+conceptual+advances.">Neural plasticity and behavior - sixty years of conceptual advances.</a> Journal of Neurochemistry. 139, 179-199 (2016).</li><li>Heine, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Surface+mobility+of+postsynaptic+AMPARs+tunes+synaptic+transmission.">Surface mobility of postsynaptic AMPARs tunes synaptic transmission.</a> Science. 320 (5873), 201-205 (2008).</li><li>Buonarati, O. R., Hammes, E. A., Watson, J. F., Greger, I. H., Hell, J. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Mechanisms+of+postsynaptic+localization+of+AMPA-type+glutamate+receptors+and+their+regulation+during+long-term+potentiation.">Mechanisms of postsynaptic localization of AMPA-type glutamate receptors and their regulation during long-term potentiation.</a> Science Signaling. 12 (562), 6889 (2019).</li><li>Nair, D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Super-Resolution+Imaging+Reveals+That+AMPA+Receptors+Inside+Synapses+Are+Dynamically+Organized+in+Nanodomains+Regulated+by+PSD95.">Super-Resolution Imaging Reveals That AMPA Receptors Inside Synapses Are Dynamically Organized in Nanodomains Regulated by PSD95.</a> Journal of Neuroscience. 33 (32), 13204-13224 (2013).</li><li>Cz&#246;nd&#246;r, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Unified+quantitative+model+of+AMPA+receptor+trafficking+at+synapses.">Unified quantitative model of AMPA receptor trafficking at synapses.</a> Proceeding of the National Academy of Sciences of the United States of America. 109 (9), 3522-3527 (2012).</li><li>Triesch, J., Vo, A. D., Hafner, A. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Competition+for+synaptic+building+blocks+shapes+synaptic+plasticity.">Competition for synaptic building blocks shapes synaptic plasticity.</a> eLife. 7, 37836 (2018).</li><li>Earnshaw, B. A., Bressloff, P. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Biophysical+model+of+AMPA+receptor+trafficking+and+its+regulation+during+long-term+potentiation/long-term+depression.">Biophysical model of AMPA receptor trafficking and its regulation during long-term potentiation/long-term depression.</a> Journal of Neuroscience. 26 (47), 12362-12373 (2006).</li><li>Earnshaw, B. A., Bressloff, P. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Modeling+the+role+of+lateral+membrane+diffusion+in+AMPA+receptor+trafficking+along+a+spiny+dendrite.">Modeling the role of lateral membrane diffusion in AMPA receptor trafficking along a spiny dendrite.</a> Journal of Computational Neuroscience. 25 (2), 366-389 (2008).</li><li>Antunes, G., Roque, A. C., Simoes-de-Souza, F. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Stochastic+Induction+of+Long-Term+Potentiation+and+Long-Term+Depression.">Stochastic Induction of Long-Term Potentiation and Long-Term Depression.</a> Scientific Reports. 6, 30899 (2016).</li><li>Kotaleski, J. H., Blackwell, K. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Modelling+the+molecular+mechanisms+of+synaptic+plasticity+using+systems+biology+approaches.">Modelling the molecular mechanisms of synaptic plasticity using systems biology approaches.</a> Nature Reviews Neuroscience. 11 (4), 239-251 (2010).</li><li>Bhalla, U. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Molecular+computation+in+neurons:+a+modeling+perspective.">Molecular computation in neurons: a modeling perspective.</a> Current Opinion in Neurobiology. 25, 31-37 (2014).</li><li>Cz&#246;nd&#246;r, K., Thoumine, O. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Biophysical+mechanisms+regulating+AMPA+receptor+accumulation+at+synapses.">Biophysical mechanisms regulating AMPA receptor accumulation at synapses.</a> Brain Research Bulletin. 93, 57-68 (2013).</li><li>Bromer, C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Long-term+potentiation+expands+information+content+of+hippocampal+dentate+gyrus+synapses.">Long-term potentiation expands information content of hippocampal dentate gyrus synapses.</a> Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 115 (10), 2410-2418 (2018).</li><li>Antunes, G., Simoes-de-Souza, F. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=AMPA+receptor+trafficking+and+its+role+in+heterosynaptic+plasticity.">AMPA receptor trafficking and its role in heterosynaptic plasticity.</a> Scientific Reports. 8 (1), 10349 (2018).</li><li>Kerr, R. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fast+monte+carlo+simulation+methods+for+biological+reaction-diffusion+systems+in+solution+and+on+surfaces.">Fast monte carlo simulation methods for biological reaction-diffusion systems in solution and on surfaces.</a> SIAM Journal on Scientific Computing. 30 (6), 3126 (2008).</li><li>Czech, J., Dittrich, M., Stiles, J. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Rapid+Creation,+Monte+Carlo+Simulation,+and+Visualization+of+Realistic+3D+Cell+Models.">Rapid Creation, Monte Carlo Simulation, and Visualization of Realistic 3D Cell Models.</a> Systems Biology. 500, 237-287 (2009).</li><li>Stiles, J., Bartol, T., De Schutter, <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Monte+Carlo+Methods+for+Simulating+Realistic+Synaptic+Microphysiology+Using+MCell.">Monte Carlo Methods for Simulating Realistic Synaptic Microphysiology Using MCell.</a> Computational Neuroscience. , (2000).</li><li>Jorstad, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=NeuroMorph:+A+Toolset+for+the+Morphometric+Analysis+and+Visualization+of+3D+Models+Derived+from+Electron+Microscopy+Image+Stacks.">NeuroMorph: A Toolset for the Morphometric Analysis and Visualization of 3D Models Derived from Electron Microscopy Image Stacks.</a> Neuroinformatics. 13 (1), 83-92 (2015).</li><li>Antunes, G., Roque, A. C., Simoes de Souza, F. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Modelling+intracellular+competition+for+calcium:+kinetic+and+thermodynamic+control+of+different+molecular+modes+of+signal+decoding.">Modelling intracellular competition for calcium: kinetic and thermodynamic control of different molecular modes of signal decoding.</a> Scientific Reports. 6, 23730 (2016).</li><li>Antunes, G., Roque, A. C., Simoes-de-Souza, F. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Molecular+mechanisms+of+detection+and+discrimination+of+dynamic+signals.">Molecular mechanisms of detection and discrimination of dynamic signals.</a> Scientific Reports. 8 (1), 2480 (2018).</li><li>Hoops, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=COPASI--a+COmplex+PAthway+SImulator.">COPASI--a COmplex PAthway SImulator.</a> Bioinformatics. 22 (24), 3067-3074 (2006).</li><li>Faeder, J. R., Blinov, M. L., Hlavacek, W. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Rule-based+modeling+of+biochemical+systems+with+BioNetGen.">Rule-based modeling of biochemical systems with BioNetGen.</a> Methods in Molecular Biology. 500, 113-167 (2009).</li><li>Gillespie, D. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Exact+stochastic+simulation+of+coupled+chemical+reactions.">Exact stochastic simulation of coupled chemical reactions.</a> Journal of Physical Chemistry. 81 (25), 21 (1977).</li><li>Anggono, V., Huganir, R. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Regulation+of+AMPA+receptor+trafficking+and+synaptic+plasticity.">Regulation of AMPA receptor trafficking and synaptic plasticity.</a> Current Opinion in Neurobiology. 22 (3), 461-469 (2012).</li><li>Matsuda, S., Launey, T., Mikawa, S., Hirai, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Disruption+of+AMPA+receptor+GluR2+clusters+following+long-term+depression+induction+in+cerebellar+Purkinje+neurons.">Disruption of AMPA receptor GluR2 clusters following long-term depression induction in cerebellar Purkinje neurons.</a> EMBO Journal. 19 (12), 2765-2774 (2000).</li><li>Ahmad, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Postsynaptic+Complexin+Controls+AMPA+Receptor+Exocytosis+during+LTP.">Postsynaptic Complexin Controls AMPA Receptor Exocytosis during LTP.</a> Neuron. 73 (2), 260-267 (2012).</li><li>Sheng, M., Hoogenraad, C. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+postsynaptic+architecture+of+excitatory+synapses:+a+more+quantitative+view.">The postsynaptic architecture of excitatory synapses: a more quantitative view.</a> Annual Review of Biochemistry. 76, 823-847 (2007).</li></ol>

Denne artikel præsenterer en metode til konstruktion af 3D-masker til modellering reaktion-diffusion synaptisk plasticitet processer i en dendritisk segment med dendritiske pigge. Den udviklede model indeholder et dendritisk segment med få dendritiske pigge. Den laterale diffusion og reaktion af AMPAR'er med synaptiske ankre tillader simulering af basaldynamikken. De kritiske trin i protokollen er at skære kuglen for oprettelsen af toppen af rygsøjlen hovedet (Figur 1, <strong class="xfi...

Synaptisk plasticitet har været forbundet med læring og hukommelse1. Synaptisk plasticitet, såsom langvarig potensering (LTP) og langvarig depression (LTD), er forbundet med henholdsvis indsættelse og fjernelse af AMPA-receptorer (AMPAR' er) ind og ud af den synaptiskemembran 2. AMPAR synapserne er placeret oven på de små volumenstrukturer kaldet dendritiske pigge3. Hver rygsøjle indeholder et protein tæt område i den postsynaptiske membran kaldet postsynaptiske tæthed (PSD). Forankr proteiner ved PSD fælde AMPAR'er i den synaptiske region. Der er få kopier af AMPAR'er inden for en enkelt synapse, og amparernes handel og reaktion med andre arter i dendritiske pigge er en stokastiskproces 2,4. Der er flere opdelte modeller af synapta receptor handel på dendritiske pigge5,,6,,7,,8. Der er imidlertid mangel på stokastiske beregningsmodeller for handel med AMPAR'er forbundet med synaptisk plasticitet ved 3D-strukturerne i dendritterne og deres dendritiske pigge.
Beregningsmodellering er et nyttigt redskab til at undersøge de mekanismer , der ligger til grund for dynamikken i komplekse systemer såsom reaktionsspiffusion af AMPAR'er i dendritiske pigge under forekomsten af synaptisk plasticitet9,10,11,12. Modellen kan bruges til at visualisere komplekse scenarier, varierende følsomme parametre og gøre vigtige forudsigelser i videnskabelige forhold, der involverer mange variabler, der er vanskelige eller umulige at kontrollereeksperimentelle 12,13. Definition af detaljeringsgraden af en beregningsmodel er et grundlæggende skridt i at opnå nøjagtige oplysninger om det modellerede fænomen. En ideel beregningsmodel er en hårfin balance mellem kompleksitet og enkelhed for at indfange de væsentlige egenskaber ved naturfænomenerne uden at være beregningsmæssigt uoverkommelige. Beregningsmodeller, der er for detaljerede, kan være dyre at beregne. På den anden side kan systemer, der er dårligt detaljerede, mangle de grundlæggende komponenter, der er afgørende for at fange fænomenets dynamik. Selv om 3D-modellering af dendritiske pigge er beregningsmæssigt dyrere end 2D og 1D, der er betingelser, såsom i komplekse systemer med mange ikke-lineære variabler reagerer og spreder i tid og 3D-rum, for hvilke modellering på et 3D-niveau er afgørende for at få indsigt i funktionen af systemet. Desuden kan kompleksiteten reduceres omhyggeligt for at bevare de væsentlige egenskaber ved en lavere dimensionel model.
I et stokastisk system med få kopier af en given art inden for et lille volumen afviger systemets gennemsnitlige dynamik fra den gennemsnitlige dynamik i en stor population. I dette tilfælde er den stokastiske beregningsmæssige modellering af reaktionssp spredende partikler påkrævet. Dette arbejde introducerer en metode til stokastisk modellering reaktion-diffusion af et par kopier af AMPAR'er i 3D dendritiske pigge. Formålet med denne metode er at udvikle en 3D-beregningsmodel af et dendritisk segment med dendritiske pigge og deres synapser til modellering af synaptisk plasticitet.
Metoden bruger softwaren MCell til at løse modellen numerisk, Blender til konstruere 3D-masker, og CellBlender at skabe og visualisere MCell simuleringer, herunder spatiotemporal reaktion-diffusion af molekyler i 3D-masker14,15,16. Blender er en suite til oprettelse af masker og CellBlender er en add-on til basen software Blender. MCell er en Monte Carlo simulator til reaktionsspiffusion af enkelte molekyler17.
Begrundelsen for brugen af denne metode består i at modellere synaptisk plasticitet for at opnå en bedre forståelse af dette fænomen i det mikrofysiologiske miljø af dendritiske pigge14. Især denne metode giver mulighed for simulering af homosynaptic potensering, homosynaptic depression, og heterosynaptic plasticitet mellem dendritiske pigge14.
Funktionerne i denne metode omfatter modellering af 3D geometriske struktur af dendrite og dens synapser, diffusion ved tilfældig gang, og de kemiske reaktioner af molekyler involveret med synaptisk plasticitet. Denne metode giver den fordel, at skabe rige miljøer til at teste hypoteser og gøre forudsigelser om driften af et komplekst ikke-lineært system med et stort antal variabler. Desuden kan denne metode anvendes ikke kun til at studere synaptisk plasticitet, men også til at studere stokastisk reaktionsspiffusion af molekyler i 3D-meshstrukturer generelt.
Alternativt kan 3D-masker af dendritiske strukturer konstrueres direkte i Blender fra elektronmikroskop serielle rekonstruktioner18. Selv om masker baseret på serielle rekonstruktioner giver 3D-strukturer, er der ikke altid adgang til forsøgsdata. Således giver konstruktionen af masker tilpasset fra grundlæggende geometriske strukturer, som beskrevet i denne protokol, fleksibilitet til at udvikle tilpassede dendritiske segmenter med dendritiske pigge.
En anden alternativ beregningsmetode er massesimulering af velblandet reaktioner i et regelmæssigt bind9,10,11,19,20,21,22. Bulksimuleringerne er meget effektive til at løse reaktionerne fra mange arter inden for et enkelt velblandet volumen23,men bulktilgangen er ekstremt langsom til at løse reaktionsspiffusionen af molekyler i mange velblandet voxels i et 3D-net med høj opløsning. På den anden side fungerer den nuværende metode med MCell-simuleringer af reaktionssp diffusion af individuelle partikler effektivt i 3D-masker med høj opløsning15.
Før du bruger denne metode, bør man spørge, om det undersøgte fænomen kræver en stokastisk reaktion-diffusion tilgang i en 3D-mesh. Hvis fænomenet har få kopier (mindre end 1.000) af mindst én af de reagerende arter, der spreder sig i en kompleks geometrisk struktur med små rum, såsom dendritiske pigge, er det hensigtsmæssigt at foretage stokastisk modellering af reaktionsdiffusion i 3D-masker.
Der er flere trin, der kræves for at konstruere en 3D-beregningsmodel af et dendritisk segment, der indeholder dendritiske pigge med synaptisk plasticitet. De vigtigste trin er installationen af den rette software til opførelse af modellen, opførelsen af en enkelt dendritisk rygsøjlen, der skal bruges som en skabelon til at skabe flere pigge, og oprettelsen af en dendritisk segment, der er forbundet med flere dendritiske pigge. Trinnet til modellering af synaptisk plasticitet består i at indsætte ankre i PSD-regionen og AMPAR'erne i det dendritiske segment og dendritiske pigge. Derefter defineres kinetiske reaktioner mellem ankre placeret ved PSD og AMPAR'erne for at producere komplekse anker-AMPAR-arter, der fanger AMPAR'erne i den synaptiske region. Henholdsvis stigningen og faldet i affiniteten mellem ankre og synaptiske AMPAR'er skaber processen med LTP og LTD.

<table>
	<tbody>
		<tr>
			<td>Blender</td>
			<td>Blender Foundation</td>
			<td></td>
			<td>https://www.blender.org/</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>CellBlender</td>
			<td>University of Pittsburgh</td>
			<td></td>
			<td>https://mcell.org/</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Mcell</td>
			<td>University of Pittsburgh</td>
			<td></td>
			<td>https://mcell.org/</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

3d modeling of dendritic spines with synaptic plasticity

Beregningsmodellering af diffusion og reaktion af kemiske arter i en tredimensionel (3D) geometri er en grundlæggende metode til at forstå mekanismerne i synaptisk plasticitet i dendritiske pigge. I denne protokol er den detaljerede 3D-struktur af dendritter og dendritiske pigge modelleret med masker på softwaren Blender med CellBlender. De synaptiske og ekstrasynaptiske områder er defineret på masken. Dernæst er synaptaceptoren og synaptiske ankermolekyler defineret med deres diffusionskonstanter. Endelig er de kemiske reaktioner mellem synaptiske receptorer og synaptiske ankre inkluderet, og beregningsmodellen løses numerisk med softwaren MCell. Denne metode beskriver den spatiotemporale sti for hvert enkelt molekyle i en 3D geometrisk struktur. Det er derfor meget nyttigt at studere handel med synaptiske receptorer ind og ud af de dendritiske pigge under forekomsten af synaptisk plasticitet. En begrænsning af denne metode er, at det høje antal molekyler bremser simuleringshastigheden. Modellering af dendritiske pigge med denne metode giver mulighed for undersøgelse af homosynaptisk potensering og depression inden for enkelt pigge og heterosynaptisk plasticitet mellem nabo dendritiske pigge.

Disse resultater giver de skridt til opførelse af en 3D-mesh, der simulerer en dendritisk rygsøjlen med en rygsøjle hoved og rygsøjle hals (Figur 1 til Figur 4). Desuden kan flere dendritiske pigge indsættes i et enkelt dendritisk segment (Figur 5) for at studere heterosynaptisk plasticitet af AMPAR'er14. PSD på toppen af rygsøjlen hovedet (Figur 6) er det sted, hvor synap...

Watch this Scientific Journal Video about 3D Modeling of Dendritic Spines with Synaptic Plasticity at JoVE.com

3D Modeling of Dendritic Spines with Synaptic Plasticity

Protokollen udvikler en tre-dimensionel (3D) model af en dendritisk segment med dendritiske pigge til modellering synaptisk plasticitet. Den konstruerede mesh kan bruges til beregningsmæssige modellering af AMPA receptor handel i den langsigtede synaptiske plasticitet ved hjælp af softwareprogrammet Blender med CellBlender og MCell.

3D-modellering af dendritiske pigge med synaptisk plasticitet

Computational modeling of diffusion and reaction of chemical species in a three-dimensional (3D) geometry is a fundamental method to understand the ...

Beregningsmæssige 3D Geometrisk Modellering af kemiske arter reaktion gennem fusion. er en nyttig metode til at studere mekanismerne i receptor handel ind og ud af dendritiske rygsøjlen gør synaptisk plasticitet. Denne teknik har den fordel, at skabe et rigt miljø for at gøre hypoteser og fremskrivninger om ikke-lineære systemer med et stort antal variabler.For at skabe en maske af en enkelt dendritisk ryg med en rygsøjle hoved og en rygsøjle hals ved hjælp af en modificeret kugle. Første åbne Blender. Med Cell Blender allerede installeret og tryk 5 på tastaturet, for at skifte fra perspektivet til ortogonale visning.Tryk på 1 for at skifte til frontvisning, og tryk på Skift C for at centrere markøren. Hvis du vil oprette ryghovedet, skal du trykke på Skift A for at åbne maskepaletten og vælge Masken. Vælg UV Sphere og i tilføj UV Sphere, indstille størrelsen til 0,25 og ringene til 32.Tryk på Tab for at skifte blender fra objekttilstand til redigeringstilstand for at gøre toppen af hovedet fladt. Tryk på B for at markere de tre øverste fjerdedele af kuglen, og tryk på Slet, vælg Knudepunkter og Enter for at fjerne knudepunkterne. Tryk på B, og vælg toppen af kuglen.Tryk på E, S, 0 og Enter for at forsegle toppen af de endnu ikke markerede knudepunkter. Og flyt den blå pil ned for at justere til toppen af rygsøjlen hovedet. Hvis du vil øge maskeopløsningen øverst på rygsøjlen, skal du vælge Værktøj og kniv og bruge kniven til at skære en cirkel rundt om midten af toppen.Vælg derefter Klip og skub til Værktøj og løkke fire gange for at oprette fire koncentriske cirkler rundt om midten af toppen. For at skabe rygsøjlen hals tryk B og vælge bunden af masken. Tryk på Slet knudepunkter og B, og vælg bunden af masken.Tryk på E og Z, og vælg minus 0,45 for at oprette en ekstrudering til Z-aksepositionen med minus 0,45 mikrometer. Tryk på Ctrl T for at gøre masken kompatibel med M-cell for at triangulere masken og vælge Tool and Remove double. Hvis du vil oprette en dunæsedder på flere rygsøjle, skal du trykke på Skift A for at åbne maskepaletten og vælge Maske og cylinder.I menuen Tilføj cylinder skal du indstille radius 0,3 mikrometer og dybden til to mikrometer, og tryk på Enter. Tryk på R og indtast 90 for at rotere cylinderen 90 grader og bruge den blå pil til at trække cylinderen til bunden af rygsøjlen. Tryk på 3 for at få et forbillede af cylinderen, og tryk på Z for at gøre masken gennemsigtig.Brug den blå normale pil til at flytte bunden af rygsøjlen til det indre af cylinderen og højreklik for at vælge Dendrite. Vælg Modifikator og Tilføj modifikator, og vælg Boolesk, Operation Union, og vælg Objektspin. Klik på Anvend for at oprette en fælles maske af Dendrite og rygsøjlen.Brug derefter musen til at vælge masken af den isolerede rygsøjle, ændre position og vinkel for at indsætte hver ny ryg i en fysiologisk position. Hvis du vil oprette AMPAR'er, skal du vælge Molekyler og indsætte et nyt molekyle. Skift navnet til AMPAR og ændre molekyletypen til Surface-molekylet.Derefter ændre diffusion konstant 0,05 gange 10 til den ottende kvadratcentimeter per sekund. Hvis du vil afbilde ankre, der er bundet til AMPAR'erne, skal du ved PSD1 under basaltilstanden åbne Plot Output Settings og trykke på for at definere molekylerne. Indstil derefter molekylet til Anchor_AMPAR, objektet til Dendrite og regionen til PSD1.Hvis du vil køre en Simulering af Basal Condition, skal du vælge Kør simulering. Og indstil gentagelserne til 30.000 og tidstrinnet til en gang 10 til minus tre sekunder. Klik på Eksportér og kør, og vent på, at simuleringen slutter.I slutningen af simuleringen skal du vælge Genindlæs visualiseringsdata, Afspilningsanimation, Afbild outputindstillinger og afbildning for at visualisere de rumlige tidsmæssige resultater. For at køre den homosynaptiske potensering tilstand vælge Molekyle Placering og rel_anchorLTP_psd1. Vælg rel_anchorLTP_psd1 og skift antal, der skal frigives til 200.Skift derefter Antal til Frigivelse til nul. Vælg rel_anchor_psd1. Skift antal for at slippe til nul og kør simuleringen som netop demonstreret.Synaptisk plasticitet kan groft verificeres gennem ændringer i antallet af arter af AMPAR'er bundet til ankre på hver rygsøjle. Til nøjagtig beregning af forekomsten af synaptisk plasticitet. Det anbefales at beregne variationen af det samlede antal forankrede og frie AMPAR'er ved synapsen.AMPAR homosynaptisk potensering og depression kan verificeres gennem stigninger og fald i antallet af forankrede AMPAR'er, forårsaget af ændringer i ampar'ernes affinitet ved ankre i forhold til de basale tilstand. For eksempel homosynaptic langsigtede potensering induktion på en enkelt rygsøjle, skaber en heterosynaptic langsigtet depression effekt på de omkringliggende pigge. Efter denne procedure kan modellen udvides til at undersøge processen med LTP og LTD induktion på Dendritic pigge.Denne metode gør det muligt at teste hypotesen om funktionen af komplekse ikke-lineære systemer med et stort antal variabler.

Research

JoVE Journal

Neuroscience

Preparation of Oligomeric &beta;-amyloid1-42 and Induction of Synaptic Plasticity Impairment on Hippocampal Slices

Preparation of Oligomeric ÃƒÅ½Ã‚Â²-amyloid1-42 and Induction of Synaptic Plasticity Impairment on Hippocampal Slices

Impairment of synaptic connections is likely to underlie the subtle amnesic changes occurring at the early stages of Alzheimer s Disease (AD). ...

Fluorescence Recovery After Photobleaching (FRAP) of Fluorescence Tagged Proteins in Dendritic Spines of Cultured Hippocampal Neurons

Fluorescence Recovery After Photobleaching FRAP of Fluorescence Tagged Proteins in Dendritic Spines of Cultured Hippocampal Neurons

FRAP has been used to quantify the mobility of GFP-tagged proteins. Using a strong excitation laser, the fluorescence of a GFP-tagged protein is bleached ...

Lateral Diffusion and Exocytosis of Membrane Proteins in Cultured Neurons Assessed using Fluorescence Recovery and Fluorescence-loss Photobleaching

Lateral Diffusion og exocytose af membranproteiner i dyrkede neuroner vurderes ved hjælp af Fluorescens Recovery og Fluorescens-tab fotoblegning

Membrane proteins such as receptors and ion channels undergo active trafficking in neurons, which are highly polarised and morphologically complex. This ...

Voltage-sensitive Dye Recording from Axons, Dendrites and Dendritic Spines of Individual Neurons in Brain Slices

Spændingsfølsomme Dye Optagelse fra axoner, dendritter og dendrit udløberne af individuelle neuroner i hjernen Slices

Understanding the biophysical properties and functional organization of single neurons and how they process information is fundamental for understanding ...

Fast Micro-iontophoresis of Glutamate and GABA: A Useful Tool to Investigate Synaptic Integration

Hurtig Mikro-iontophoresis af glutamat og GABA: et nyttigt redskab til Undersøge Synaptic Integration

One of the fundamental interests in neuroscience is to understand the integration of excitatory and inhibitory inputs along the very complex structure of ...

Deriving the Time Course of Glutamate Clearance with a Deconvolution Analysis of Astrocytic Transporter Currents

The highest density of glutamate transporters in the brain is found in astrocytes. Glutamate transporters couple the movement of glutamate across the ...

Imaging Dendritic Spines of Rat Primary Hippocampal Neurons using Structured Illumination Microscopy

Imaging dendritiske udløbere af Rat Primær hippocampusneuroner hjælp Structured Illumination Mikroskopi

Dendritic spines are protrusions emerging from the dendrite of a neuron and represent the primary postsynaptic targets of excitatory inputs in the brain. ...

Two-Photon in vivo Imaging of Dendritic Spines in the Mouse Cortex Using a Thinned-skull Preparation

Two-Photon in vivo Imaging of Dendritic Spines in the Mouse Cortex Using a Thinned-skull Preparation

To-foton<em&gt; In vivo</em&gt; Imaging af dendritiske spidser i Mouse Cortex Ved hjælp af en tyndere-kranium Forberedelse

In the mammalian cortex, neurons form extremely complicated networks and exchange information at synapses. Changes in synaptic strength, as well as ...

Pentylenetetrazole-Induced Kindling Mouse Model

Pentylenetetrazole-induceret Kindling musemodel

Pentylenetetrazole (PTZ) is a GABA-A receptor antagonist. An intraperitoneal injection of PTZ into an animal induces an acute, severe seizure at a high ...

Combining Optogenetics with Artificial microRNAs to Characterize the Effects of Gene Knockdown on Presynaptic Function within Intact Neuronal Circuits

Ved at kombinere Optogenetics med kunstige MicroRNA at karakterisere effekter af genet Knockdown på præsynaptiske funktion inden for intakt Neuronal kredsløb

The purpose of this protocol is to characterize the effect of gene knockdown on presynaptic function within intact neuronal circuits. We describe a ...