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

Detta arbete stöddes delvis av Sao Paulo State Science Foundation (FAPESP) bidrag #2015/50122-0 och IRTG-GRTK 1740/2, av IBM / FAPESP bidrag #2016/18825-4, och av FAPESP bevilja #2018/06504-4.

OBS: Se tilläggsfilen 1 för ordlistan över termer som används i detta protokoll.
1. Installera Blender, CellBlender och MCell
OBS: Detta protokoll kräver installation av MCell, Blender, och Cell Blender.
<ol><li>Ladda ner och installera programvaran på MCells hemsida (https://mcell.org/tutorials_iframe.html). Gå till nedladdningar på sidans övre del och följ sedan steg-för-steg-instruktionerna för att hämta och installera programvaran...

<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>

Denna artikel presenterar en metod för konstruktion av 3D-maskor för modellering reaktion-diffusion synaptisk plasticitet processer i en dendritic segment med dendritic spines. Den utvecklade modellen innehåller ett dendritiskt segment med få dendritiska taggar. Den laterala diffusion och reaktion av AMPARs med synaptiska ankare möjliggör simulering av den basala dynamiken. De kritiska stegen i protokollet skär sfären för skapandet av toppen av ryggraden huvudet (Figur 1, Figur <str...

Synaptisk plasticitet har associerats med inlärning och minne1. Synaptisk plasticitet, såsom långtidspotentiering (LTP) och långtidsdepression (LTD), associeras respektive med insättning och avlägsnande av AMPA-receptorer (AMPA-receptorer) in och ut ur synapmembranet2. Ampar-synapserna ligger ovanpå de små volymstrukturer som kallas dendritiska taggar3. Varje ryggrad innehåller en proteintät region i det postsynaptiska membranet som kallas postsynaptic densitet (PSD). Förankra proteiner vid PSD-fällan AMPAR i synaptiska regionen. Det finns få kopior av AMPARs inom en enda synaps och människohandel och reaktion av AMPARs med andra arter i dendritiska spines är en stokastisk process2,4. Det finns flera fackmodeller av synaptisk receptorhandel vid dendritiska spines5,6,7,8. Det finns dock en brist på stokastiska beräkningsmodeller av handeln med AMPARs i samband med synaptisk plasticitet vid 3D-strukturer av dendriterna och deras dendritiska taggar.
Beräkningsmodellering är ett användbart verktyg för att undersöka de mekanismer som ligger bakom dynamiken i komplexa system såsom reaktion-diffusion av AMPARs i dendritiska taggar under förekomsten av synaptisk plasticitet9,10,11,12. Modellen kan användas för att visualisera komplexa scenarier, varierande känsliga parametrar och göra viktiga förutsägelser i vetenskapliga förhållanden som involverar många variabler som är svåra eller omöjliga att kontrollera experimentell12,13. Att definiera detaljnivån för en beräkningsmodell är ett grundläggande steg för att få korrekt information om det modellerade fenomenet. En idealisk beräkningsmodell är en känslig balans mellan komplexitet och enkelhet för att fånga naturfenomenens väsentliga egenskaper utan att vara beräkningsmässigt oöverkomliga. Beräkningsmodeller som är för detaljerade kan vara dyra att beräkna. Däremot kan system som är dåligt detaljerade sakna de grundläggande komponenter som är väsentliga för att fånga upp fenomenets dynamik. Även om 3D-modellering av dendritiska taggar är beräkningsmässigt dyrare än 2D och 1D, finns det villkor, såsom i komplexa system med många ickelinjära variabler reagerar och sprider i tid och 3D-rymden, för vilka modellering på en 3D-nivå är viktigt att få insikter om systemets funktion. Vidare kan komplexiteten minskas noggrant för att bevara de väsentliga egenskaperna hos en lägre dimensionell modell.
I ett stokastiskt system med få kopior av en given art inom en liten volym avviker den genomsnittliga dynamiken i systemet från den genomsnittliga dynamiken hos en stor population. I detta fall är den stokastiska beräkningsmodellering av reaktionsspridande partiklar krävs. Detta arbete introducerar en metod för stokastisk modellering reaktion-diffusion av några kopior av AMPARs i 3D dendritiska spines. Syftet med denna metod är att utveckla en 3D-beräkningsmodell av ett dendritisk segment med dendritiska spines och deras synapser för modellering synaptisk plasticitet.
Metoden använder programvaran MCell för att lösa modellen numeriskt, Blender för att konstruera 3D-maskor, och CellBlender för att skapa och visualisera MCell-simuleringarna, inklusive spatiotemporal reaktion-diffusion av molekyler i 3D-maskor14,15,16. Blender är en svit för skapandet av maskor och CellBlender är ett tillägg för basen programvara Blender. MCell är en Monte Carlo-simulator för reaktion-diffusion av enstaka molekyler17.
Logiken bakom användningen av denna metod består av modellering synaptisk plasticitet för att uppnå en bättre förståelse av detta fenomen i den mikrofysiologiska miljön i dendritiska spines14. Särskilt, denna metod tillåter simulering av homosynaptisk potentiering, homosynaptisk depression, och heterosynaptic plasticitet mellan dendritiska spines14.
Funktionerna i denna metod inkluderar modellering av 3D geometriska strukturen av dendriten och dess synapser, diffusionen genom slumpmässig promenad, och de kemiska reaktionerna hos de molekyler som är involverade med synaptisk plasticitet. Denna metod ger fördelen att skapa rika miljöer för att testa hypoteser och göra förutsägelser om hur ett komplext ickelinjärt system med ett stort antal variabler. Dessutom kan denna metod tillämpas inte bara för att studera synaptisk plasticitet utan också för att studera stokastisk reaktion-diffusion av molekyler i 3D-nätstrukturer i allmänhet.
Alternativt kan 3D-maskor av dendritiska strukturer konstrueras direkt i Blender från elektronmikroskop seriella rekonstruktioner18. Även om maskor baserade på seriella rekonstruktioner ger 3D-strukturer, är tillgång till de experimentella data inte alltid tillgänglig. Således ger konstruktionen av maskor anpassade från grundläggande geometriska strukturer, som beskrivs i det föreliggande protokollet, flexibilitet att utveckla kundanpassade dendritiska segment med dendritiska taggar.
En annan alternativ beräkningsmetod är bulksimuleringen av väl blandade reaktioner i en vanlig volym9,10,11,19,20,21,22. Bulksimuleringarna är mycket effektiva för att lösa reaktionerna hos många arter inom en enda väl blandad volym23, men bulkstrategin är extremt långsam för att lösa molekylernas reaktionsdiffoföring inom många väl blandade voxels i en högupplöst 3D-mesh. Å andra sidan fungerar den föreliggande metoden med hjälp av MCell-simuleringar av reaktionsdiffusion av enskilda partiklar effektivt i högupplösta 3D-maskor15.
Innan man använder denna metod bör man fråga sig om det undersökta fenomenet kräver en stokastisk reaktionsdiffusionsansats i ett 3D-nät. Om fenomenet har få kopior (mindre än 1 000) av minst en av de reagerande arterna som sprider sig i en komplex geometrisk struktur med små volymfack som dendritiska taggar, då är stokastisk modellering av reaktionsdiffusion i 3D-maskor lämplig för applikationen.
Det finns flera steg som krävs för att konstruera en 3D-beräkningsmodell av ett dendritisk segment som innehåller dendritiska taggar med synaptisk plasticitet. De viktigaste stegen är installationen av rätt programvara för konstruktion av modellen, byggandet av en enda dendritisk ryggrad som ska användas som en mall för att skapa flera taggar, och skapandet av en dendritisk segment som är ansluten med flera dendritiska taggar. Steget för modellering av synaptisk plasticitet består av att sätta in ankare vid PSD-regionen och AMPAR i det dendritiska segmentet och dendritiska taggar. Därefter definieras kinetiska reaktioner mellan de ankare som ligger vid PSD och AMPARs för att producera komplexa ankar-AMPAR-arter som fångar ampaperna vid synapsregionen. Respektive, ökningen och minskningen av samhörigheten mellan ankare och de synaptiska AMPARs skapa processen för LTP och 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

Beräkningsmodellering av diffusion och reaktion av kemiska arter i en tredimensionell (3D) geometri är en grundläggande metod för att förstå mekanismerna för synaptisk plasticitet i dendritiska spines. I detta protokoll modelleras den detaljerade 3D-strukturen hos dendriterna och dendritiska taggarna med maskor på programvaran Blender med CellBlender. De synaptiska och extrasynaptiska regionerna definieras på nätet. Därefter definieras den synaptiska receptorn och de synaptiska ankarmolekylerna med sina diffusionskonstanter. Slutligen ingår de kemiska reaktionerna mellan synaptiska receptorer och synaptiska ankare och beräkningsmodellen löses numeriskt med programvaran MCell. Denna metod beskriver spatiotemporal vägen för varje enskild molekyl i en 3D geometrisk struktur. Således är det mycket användbart att studera handeln med synaptiska receptorer in och ut ur dendritiska taggar under förekomsten av synaptisk plasticitet. En begränsning av denna metod är att det höga antalet molekyler saktar hastigheten på simuleringarna. Modellering av dendritiska taggar med denna metod möjliggör studier av homosynaptisk potentiering och depression inom enstaka taggar och heterosynaptic plasticitet mellan granne dendritiska taggar.

Dessa resultat ger stegen för byggandet av en 3D-mesh som simulerar en dendritisk ryggrad med en ryggrad huvud och ryggrad hals (Figur 1 till figur 4). Dessutom kan flera dendritiska taggar sättas in i ett enda dendritiska segment (Figur 5) för att studera heterosynaptisk plasticitet av AMPARs14. PSD på övre delen av ryggradshuvudet (Figur 6) är den plats där synaptiska an...

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

Protokollet utvecklar en tredimensionell (3D) modell av en dendritisk segment med dendritiska spines för modellering synaptisk plasticitet. Den konstruerade nät kan användas för beräkningsmodellering av AMPA-receptorhandel i den långsiktiga synaptisk plasticitet med hjälp av mjukvaruprogrammet Blender med CellBlender och MCell.

3D-modellering av dendritiska spines 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 ...

Beräknings 3D Geometrisk Modellering av kemiska arters reaktion genom fusion. är en användbar metod för att studera mekanismerna för receptorhandel in och ut ur dendritiska ryggraden gör synaptisk plasticitet. Denna teknik har fördelen att skapa en rik miljö för att göra hypoteser och prognoser om ickelinjära system med ett stort antal variabler.För att skapa ett nät av en enda dendritisk ryggrad med ett ryggradshuvud och en ryggradshals med hjälp av en modifierad sfär. Första öppna Blender. Med Cell Blender redan installerat och tryck 5 på knappsatsen, för att ändra från perspektivet till den ortogonala vyn.Tryck på 1 för att ändra till framläge och tryck på Skift C för att centrera markören. För att skapa ryggraden huvudet tryck Skift A för att öppna Mesh paletten, och välj den Nät. Välj UV Sphere och i lägg UV Sphere, ställa in storleken på 0,25 och ringarna till 32.För att göra toppen av huvudet platt tryck Tabb för att växla Blender från objektläget till läget Redigera. Tryck på B för att markera de tre översta kvartalen i sfären och tryck på Delete, välj Vertices och Retur för att ta bort verticerna. Tryck på B och välj sfärens överkant.Tryck på E, S, 0 och Enter för att täta toppen av de vertices fortfarande valt. Och flytta den blå pilen ner för att anpassa till toppen av ryggraden huvudet. För att öka nätupplösningen högst upp i ryggraden väljer du Verktyg och kniv och använder kniven för att skära en cirkel runt mitten av toppen.Välj sedan Verktyg och Slinga klippa och skjut fyra gånger för att skapa fyra koncentriska cirklar runt mitten av toppen. För att skapa ryggraden halspressen B och välj botten av nätet. Tryck på Delete Vertices och B och välj undersidan av nätet.Tryck på E och Z och välj minus 0,45 för att skapa en extrudering till Z-axelns position, vid minus 0,45 mikrometer. För att göra nätet kompatibelt med M-cell tryck Ctrl T för att triangulera nätet och välj Verktyg och Ta bort dubblar. För att skapa en multipel ryggrad Dendrite tryck Shift A för att öppna Mesh-paletten och välj Nät och cylinder.I Menyn Lägg till cylinder ställer du in radien 0,3 mikrometer och djupet på två mikrometer och trycker på Enter. Tryck på R och ange 90 för att rotera cylindern 90 grader och använd den blå pilen för att dra cylindern till botten av ryggraden. Tryck på 3 för att få fram en framifrån av cylindern och tryck på Z för att göra nätet genomskinligt.Använd den blå normala pilen för att flytta basen av ryggraden till insidan av cylindern och högerklicka för att välja Dendrite. Välj Modifier och Lägg till modifierare och välj Boolean, Operation Union och välj Objektsrygg. Klicka på Använd för att skapa ett lednät av Dendriten och ryggraden.Använd sedan musen för att välja maskan i den isolerade ryggraden, ändra position och vinkel för att infoga varje ny ryggrad i en fysiologisk position. För att skapa AMPARs väljer du Molekyler och för att sätta in en ny molekyl. Ändra namnet till AMPAR och ändra molekyltypen till Surface-molekyl.Ändra sedan diffusionskonstanten 0,05 gånger 10 till den åttonde kvadratcentimetern per sekund. För att rita ankare bundna till AMPARs, vid PSD1 under basal condition, öppna Plot Output Settings och tryck för att definiera molekylerna. Ställ sedan in Molekylen Anchor_AMPAR, Objektet till Dendrite och regionen till PSD1.För att köra en Basal Condition simulering välj Kör simulering. Och ställ in iterationerna till 30, 000 och tidssteget till en gång 10 till minus tre sekunder. Klicka på Exportera och kör och vänta tills simuleringen är avslutad.I slutet av simuleringen väljer du Ladda om Visualiseringsdata, Spela upp animering, Rita utdatainställningar och plotta för att visualisera de rumsliga temporala resultaten. För att köra homosynaptiska potentiering villkoret välj Molekyl placering och rel_anchorLTP_psd1. Välj rel_anchorLTP_psd1 och ändra Kvantitet till Release till 200.Ändra sedan Antal till Frisläppning till noll. Välj rel_anchor_psd1. Ändra Kvantitet för att frigöra till noll och köra simuleringen som just visat.Synaptisk plasticitet kan grovt verifieras genom förändringar i antalet arter av AMPARs bundna till ankare vid varje ryggrad. För den exakta beräkningen av förekomsten av synaptisk plasticitet. Det rekommenderas att beräkna variationen av de totala antalet förankrade och fria AMPARs vid synapsen.AMPAR homosynaptisk potentiering och depression kan verifieras genom ökningar och minskningar i antalet förankrade amparier respektive, orsakas av förändringar i affinitet av AMF genom ankare i jämförelse med det basala tillståndet. Till exempel homosynaptiska långsiktiga potentiering induktion vid en enda ryggrad, skapar en heterosynapisk långtidsdepression effekt vid de angränsande ryggarna. Efter denna procedur kan modellen utökas för att undersöka processen för LTP och LTD induktion vid Dendritic spines.Dessa metoder möjliggör testning av hypotes om hur komplexa icke-linjära system med ett stort antal variabler fungerar.

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

Beredning av Oligomer β-amyloid 1-42 Och induktion av synaptisk plasticitet Nedskrivning av hippocampus 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

Fluorescens återhämtning efter fotoblekning (FRAP) av fluorescens märkta proteiner i Dendritutskotten hos odlade hippocampus nervceller

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 och exocytos av membranproteiner i odlade nervceller utvärderas med hjälp av fluorescens återhämtning och fluorescens-förlust fotoblekning

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

Spänningskänsliga Dye Inspelning från axoner, dendriter och Dendritutskotten av enskilda nervceller i hjärnan skivor

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

Snabb Micro-iontophoresis av glutamat och GABA: Ett användbart verktyg för att undersöka 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

Härledning tidsförloppet för Glutamat Räkenskapsavslutning en Deconvolution Analys av astrocytisk 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 Dendritutskotten av Rat Primär hippocampus nervceller med hjälp av strukturerade 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

Two-Photon<em&gt; In vivo</em&gt; Imaging av Dendritutskotten i mus Cortex Använda en förtunnad-skalle Förberedelse

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-inducerad Kindling musmodell

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

Att kombinera optogenetik med konstgjorda mikroRNA att karakterisera de effekter av genen Knockdown på presynaptiska funktion inom intakt neuronala kretsar

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